畢業(yè)論文：舵機控制設(shè)計(硬件設(shè)計)

1、 存檔編號 華北水利水電大學North China University of Water Resources and Electric Power 畢 業(yè) 設(shè) 計題目 舵機控制設(shè)計硬件設(shè)計_學 院 信息工程學院 專 業(yè) 電子信息工程 姓 名 學 號 指導教師 完成時間 2021年 月 日教務處制獨立完成與誠信聲明本人鄭重聲明：所提交的畢業(yè)設(shè)計論文是本人在指導教師的指導下，獨立工作所取得的成果并撰寫完成的，鄭重確認沒有剽竊、抄襲等違反學術(shù)道德、學術(shù)標準的侵權(quán)行為。文中除已經(jīng)標注引用的內(nèi)容外，不包含其他人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要奉獻的個人和集體，均已在文中作了明確的

2、說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承當。畢業(yè)設(shè)計論文作者簽名： 指導導師簽名： 簽字日期： 簽字日期：畢業(yè)設(shè)計版權(quán)使用授權(quán)書本人完全了解華北水利水電大學有關(guān)保管、使用畢業(yè)設(shè)計的規(guī)定。特授權(quán)華北水利水電大學可以將畢業(yè)設(shè)計的全部或局部內(nèi)容公開和編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫提供檢索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段復制、保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交畢業(yè)設(shè)計原件或復印件和電子文檔涉密的成果在解密后應遵守此規(guī)定。畢業(yè)設(shè)計作者簽名： 導師簽名：簽字日期： 簽字日期：目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc15524 摘 要 PAGEREF _T

3、oc15524 I HYPERLINK l _Toc4774 ABSTRACT PAGEREF _Toc4774 II HYPERLINK l _Toc26434 第1章 概述 PAGEREF _Toc26434 1 HYPERLINK l _Toc26682 1.1、背景知識介紹 PAGEREF _Toc26682 1 HYPERLINK l _Toc8411 1.2、研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc8411 1 HYPERLINK l _Toc23695 1.3、設(shè)計目的與意義 PAGEREF _Toc23695 2 HYPERLINK l _Toc28700 1.4、研究內(nèi)容與設(shè)計任務

4、 PAGEREF _Toc28700 2 HYPERLINK l _Toc15140 第2章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 PAGEREF _Toc15140 4 HYPERLINK l _Toc31724 2.1、系統(tǒng)框圖 PAGEREF _Toc31724 4 HYPERLINK l _Toc31524 2.2、功能說明 PAGEREF _Toc31524 4 HYPERLINK l _Toc829 2.2.1、PWM信號輸出 PAGEREF _Toc829 4 HYPERLINK l _Toc14945 2.2.2、PWM信號驅(qū)動舵機 PAGEREF _Toc14945 5 HYPERLINK l

5、_Toc17563 2.2.3、紅外通信控制 PAGEREF _Toc17563 5 HYPERLINK l _Toc32048 2.2.4、串口通信 PAGEREF _Toc32048 5 HYPERLINK l _Toc23315 2.2.5、數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc23315 5 HYPERLINK l _Toc16949 2.3、器件與模塊選型 PAGEREF _Toc16949 5 HYPERLINK l _Toc865 2.3.1、主控芯片方案選擇 PAGEREF _Toc865 5 HYPERLINK l _Toc12627 2.3.2、晶振方案選擇 PAGERE

6、F _Toc12627 6 HYPERLINK l _Toc5005 2.3.3、顯示模塊方案選擇 PAGEREF _Toc5005 7 HYPERLINK l _Toc10080 2.3.4、舵機方案選擇 PAGEREF _Toc10080 7 HYPERLINK l _Toc86 2.3.5、無線控制模塊方案選擇 PAGEREF _Toc86 8 HYPERLINK l _Toc11348 2.3.6、最終選型方案 PAGEREF _Toc11348 9 HYPERLINK l _Toc26404 2.4、硬件資源介紹 PAGEREF _Toc26404 9 HYPERLINK l _To

7、c4104 2.4.1、單片機 PAGEREF _Toc4104 9 HYPERLINK l _Toc2133 2.4.2、晶振 PAGEREF _Toc2133 11 HYPERLINK l _Toc2488 2.4.3、數(shù)碼管 PAGEREF _Toc2488 12 HYPERLINK l _Toc15644 2.4.4、舵機 PAGEREF _Toc15644 14 HYPERLINK l _Toc22771 2.4.5、紅外發(fā)射器、接收頭 PAGEREF _Toc22771 18 HYPERLINK l _Toc3418 第3章 硬件設(shè)計實現(xiàn) PAGEREF _Toc3418 21 H

8、YPERLINK l _Toc6804 3.1、硬件電路設(shè)計 PAGEREF _Toc6804 21 HYPERLINK l _Toc27911 3.2、硬件模塊設(shè)計 PAGEREF _Toc27911 21 HYPERLINK l _Toc23289 3.2.1、時鐘振蕩模塊 PAGEREF _Toc23289 21 HYPERLINK l _Toc9774 3.2.2、復位模塊 PAGEREF _Toc9774 22 HYPERLINK l _Toc30367 3.2.3、紅外接收模塊 PAGEREF _Toc30367 22 HYPERLINK l _Toc23436 3.2.4、顯示模

9、塊 PAGEREF _Toc23436 23 HYPERLINK l _Toc9401 3.2.5、舵機模塊 PAGEREF _Toc9401 23 HYPERLINK l _Toc12615 3.2.6、串口模塊 PAGEREF _Toc12615 24 HYPERLINK l _Toc9099 第4章 系統(tǒng)仿真調(diào)試 PAGEREF _Toc9099 25 HYPERLINK l _Toc21606 4.1、仿真環(huán)境介紹 PAGEREF _Toc21606 25 HYPERLINK l _Toc31884 4.2、仿真過程 PAGEREF _Toc31884 25 HYPERLINK l _

10、Toc7913 PAGEREF _Toc7913 25 HYPERLINK l _Toc18070 PAGEREF _Toc18070 26 HYPERLINK l _Toc17839 第5章 硬件實現(xiàn)與調(diào)試 PAGEREF _Toc17839 28 HYPERLINK l _Toc16055 5.1、硬件實物 PAGEREF _Toc16055 28 HYPERLINK l _Toc9874 5.2、硬件實現(xiàn)與調(diào)試 PAGEREF _Toc9874 29 HYPERLINK l _Toc5212 5.2.1、硬件實現(xiàn) PAGEREF _Toc5212 29 HYPERLINK l _Toc1

11、6479 5.2.2、模塊電路檢測 PAGEREF _Toc16479 29 HYPERLINK l _Toc27621 5.2.3、硬件電路的靜態(tài)調(diào)試 PAGEREF _Toc27621 30 HYPERLINK l _Toc27541 5.2.4、硬件電路的動態(tài)調(diào)試 PAGEREF _Toc27541 31 HYPERLINK l _Toc29423 5.3、調(diào)試問題與解決 PAGEREF _Toc29423 32 HYPERLINK l _Toc25104 5.4、考前須知 PAGEREF _Toc25104 33 HYPERLINK l _Toc31700 第6章 總結(jié)與展望 PAGE

12、REF _Toc31700 34 HYPERLINK l _Toc21765 致 謝 PAGEREF _Toc21765 35 HYPERLINK l _Toc553 參考文獻 PAGEREF _Toc553 36 HYPERLINK l _Toc3076 附 錄 PAGEREF _Toc3076 37摘 要舵機又稱微伺服電機，其主要組成局部為伺服電機，包含伺服電機控制電路以及減速齒輪組。伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制aike.baidu /view/3843918.htm機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。舵機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入HYPERLINK :/baike.baidu /vie

13、w/54338.htm信號控制，并能快速準確反響，可以將HYPERLINK :/baike.baidu /view/10954.htm電壓信號轉(zhuǎn)化為HYPERLINK :/baike.baidu /view/359829.htm轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。與其他電機相比，舵機有著精度高、性能好、抗過載能力強、輸出HYPERLINK :/baike.baidu /view/44147.htm功率高、穩(wěn)定性好、及時性強、噪聲低等優(yōu)點?，F(xiàn)代社會，在生產(chǎn)與生活中，舵機所占的比重越來越大，只要是要有動力源，而且對精度有要求的工程一般都可能涉及到舵機，如機床、印刷設(shè)備、機器人、自動化生產(chǎn)線等對工藝精度、加工

14、效率和工作可靠性等要求相對較高的設(shè)備。所以對舵機的學習與研究是相當有必要的。在本設(shè)計中，我們采用單片機來驅(qū)動舵機工作，單片機通過改變輸出的pwm信號占空比來控制舵機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速；舵機能夠?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、自動旋轉(zhuǎn)等功能；我們同時設(shè)計了多種控制舵機的方式，分別為紅外遙控、上位機串口操縱、藍牙無線控制等方式，這樣來適應不同的工作場合；為了更直觀地顯示轉(zhuǎn)角，我們采用了四位八段數(shù)據(jù)管用于實時顯示。采用了stc89c52作為主控芯片，舵機型號采用futaba S3003，紅外接收發(fā)射一體頭采用vs 1838 ，藍牙芯片采用HC-06；利用proteus軟件進行仿真調(diào)試，依照原理圖焊接電路，下載hex文件到

15、單片機。硬件主控芯片能夠接收紅外發(fā)射器或串口發(fā)送過來的控制命令，來驅(qū)動舵機完成相應的動作。正文將著重介紹硬件選擇、工作原理、硬件設(shè)計、仿真以及具體實現(xiàn)效果。 關(guān)鍵詞：舵機；控制；紅外；硬件；ABSTRACTSteering-engine is also known as the micro servo motor .Major Component of Steering-engine is the servo motor .The steering-engine includes servo motor control circuits and reduction gear group. It

16、 is a engine servo controlling the operation of mechanical element in servomotor system, and it is a kind of speed-transformation that drives servomotors indirectly . The rotor of steering-engine is controlled by the input signal, which can respond to the signal quickly and accurately . The rotor ca

17、n translate the voltage signal into torque and rotational speed to drive the controlled object . Compared with other motors, steering-engine has the following advantages:high precision, good performance,strong resistance to overload ability, high output power ,good stability, strong timeliness,low n

18、oise and so on .In modern society, the proportion of the steering-engine is increasing in our life and production. As long as a project have power, Steering engine is likely to be involved in a variety of situations in which high precise model is required . Such as machine tools, printing equipment,

19、 robot,automatic production line . Equipments of the projects are hard on craft precision ,processing efficiency and operational reliability . As a result, it is quite necessary to study and research steering-engine. In this design, we use single chip microcomputer to drive the steering-engine to wo

20、rk . The single-chip microcomputer system control the corner and speed of steering-engine by changing the duty ratio of pwm signal . Steering-engine can achieve the function of corotation, reverse and auto-rotation, etc . We also design a variety of way to control the steering-engine at the same tim

21、e,including the infrared control, PC serial port control,Bluetooth wireless control . In these way , steering-engine can work adapting to different work situations . In order to show around the corner more intuitively, we used the digital LED module to show the real-time .Stc89c52 is adopted as the

22、main control chip . The futaba S3003 is used as steering-engine model . The vs 1838 is used as our infrared emitter and receiver . We use HC-06 as the bluetooth chip . Using proteus software simulation, test whether function normally realized . The simulation ended, welding hardware circuit, the HEX

23、 file to burn to the micro-controller through the downloader . Using the proteus software achieve simulation debugging, Drawing the simulation interface,accorded to weld electronic circuit . Then downloading the hex file to the micro-controller . The MCU chip of the hardware can receive control comm

24、and of infrared transmitter or serial port to drive the steering-engine to complete the action.The text will focus on the hardware selection, working principle, hardware design, simulation and implementation.Key words: steering-engine；control；infrared technology；hardware第1章 概述1.1、背景知識介紹舵機又稱微伺服電機，其主要

25、組成局部為伺服電機，包含伺服電機控制電路以及減速齒輪組。早期在模型上使用最多，主要用于控制模型的舵面，所以俗稱舵機。伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制HYPERLINK :/baike.baidu /view/3843918.htm機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。舵機是機電系統(tǒng)的重要執(zhí)行機構(gòu)，其早期是應用在航模中控制方向的，在航空模型中，飛行器的飛行姿態(tài)是通過調(diào)整發(fā)動機和各個控制多面來實現(xiàn)的，后來舵機的體積小、重量輕、扭矩大、精度高等優(yōu)點，舵機在航模、船模、車模、機器人等領(lǐng)域得到廣泛應用。在航天方面，導彈姿態(tài)變換的俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)運動都是靠舵機相互配合完成的；在機器人領(lǐng)域，舵機很適

26、合做機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動；在智能車中，舵機主要用于轉(zhuǎn)彎控制，同時也可用于傳感器的搖頭控制、剎車控制。1.2、研究現(xiàn)狀隨著社會生產(chǎn)力的不斷開展和科學技術(shù)水平的不斷提高, 舵機技術(shù)也必將得到進一步的開展。傳統(tǒng)的舵機為模擬舵機，主要由馬達、減速齒輪、控制電路等組成，但模擬舵機對于發(fā)射機的細小動作，反響非常遲鈍，或者根本就沒有反響。而且容易受干擾。在模擬舵機的根底上，數(shù)字舵機的控制電路比模擬舵機的多了微處理器和晶振。這使得；2.控制舵機馬達初始電流的方式，減少無反響區(qū)(對小量信號無反響的控制區(qū)域)，增加分辨率以及產(chǎn)生更大的固定力量。數(shù)字舵機能夠適應不同的功能要求，并優(yōu)化性能，“無反響區(qū)變??；反響變得更快；加

27、速和減速時也更迅速、更柔和；能夠提供更高的精度和更好的固定力量?？偟膩砜矗鏅C的開展可以歸納為以下三個方面:從性能上看, 向高精度、高效率、高可靠性、高適應性方向開展; 從功能上看, 向小型化、輕型化、多功能方向開展; 從層次上看, 向系統(tǒng)化、復合集成化方向開展。 以現(xiàn)代控制理論為控制規(guī)律, 實現(xiàn)全數(shù)字化、智能化、綜合化是未來舵機開展的總趨勢。1.3、設(shè)計目的與意義一、設(shè)計目的在本設(shè)計中，主要研究直流伺服系統(tǒng)舵機，通過了解舵機的工作原理與工作方式，我們使用單片機來驅(qū)動舵機工作，單片機通過改變輸出的pwm信號占空比來控制舵機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。二、設(shè)計意義1、穩(wěn)固、加深和擴大對單片機和C語言的認識，通

28、過對設(shè)計方案的分析，充分掌握和理解設(shè)計各局部的工作原理，設(shè)計過程，選擇芯片器件，模塊化編程等多項知識。2、培養(yǎng)針對設(shè)計的需要，上網(wǎng)查閱有關(guān)手冊、圖表及文獻資料的自主學習的能力，同時提高組成系統(tǒng)、編程、調(diào)試的能力。3、將模擬仿真用單片機具體實現(xiàn)，把理論知識與實踐相結(jié)合，學習在實踐中發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，將設(shè)計制作為成品，使之能夠真正可用。4、提高分析與解決問題的能力與動手實踐的能力1.4、研究內(nèi)容與設(shè)計任務研究內(nèi)容本設(shè)計重點研究以下幾個方面：舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。其工作原理與工作方式，這是

29、我們研究的主要內(nèi)容。單片機又稱為微控制器，它是一種面向控制的大規(guī)模集成電路芯片。我們主要通過單片機輸出信號來控制舵機進行工作。所以很好地學會使用單片機是不可或缺的。紅外遙控是一種無線、非接觸控制技術(shù)，具有抗干擾能力強，信息傳輸可靠，功耗低，本錢低的通信方式。我們采用紅外遙控來控制舵機，需要了解其編碼、解碼的原理來實現(xiàn)收發(fā)信息。HYPERLINK :/baike.baidu /view/69108.htm串口是HYPERLINK :/baike.baidu /view/3314.htm計算機上一種非常通用的設(shè)備15007.htm通信HYPERLINK :/baike.baidu /view/36

30、190.htm協(xié)議。我們采用串口通信來與計算機上位機進行通信。需要研究串口通信的原理與執(zhí)行方式。設(shè)計任務通過對以上各工程的研究，本設(shè)計使用Futaba S3003標準舵機， 其控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。主要工作如下：1. 舵機轉(zhuǎn)動角度范圍：0度 180度。2. 轉(zhuǎn)動方式：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、自動。3. 紅外遙控控制舵機轉(zhuǎn)動方式。4. 舵機通過串口模塊與上位機實現(xiàn)無線串口通信。5. LED液晶屏顯示轉(zhuǎn)動角度。第2章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1、系統(tǒng)框圖系統(tǒng)主要包括單片機控制系統(tǒng)、紅外線發(fā)射與接收模塊、串口模塊、數(shù)碼管顯示驅(qū)動模塊、舵機模塊、上位機等。通過各個模塊的協(xié)同配合來完成整

31、個系統(tǒng)的運行。設(shè)計的系統(tǒng)圖如下列圖圖2.1所示：LED顯示模塊紅外發(fā)射器紅外發(fā)射器51單片機舵 機串口模塊上位機圖2-1 總體結(jié)構(gòu)框圖2.2、功能說明2.2.1、PWM信號輸出使用單片機系統(tǒng)實現(xiàn)對舵機輸出轉(zhuǎn)角的控制，首先完成兩個任務：一是產(chǎn)生根本的PWM周期信號，本設(shè)計是產(chǎn)生20ms的周期信號；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機模擬PWM信號的輸出，并且調(diào)整占空比。當系統(tǒng)中需要實現(xiàn)對一個舵機的控制，采用的控制方式是改變單片機的一個定時器中斷的初值，將20ms分為兩次中斷執(zhí)行，一次短定時中斷和一次長定時中斷。短中斷輸出高電平，長中斷輸出低電平。這樣既節(jié)省了硬件電路，也減少了軟件開銷，控制系統(tǒng)工作效率和控

32、制精度都很高。2.2.2、PWM信號驅(qū)動舵機舵機根據(jù)單片機端口所發(fā)出的pwm信號改變旋轉(zhuǎn)位置。Pwm信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比擬，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定舵機的正反轉(zhuǎn)。當舵機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，舵機停止轉(zhuǎn)動。2.2.3、紅外通信控制紅外發(fā)射器發(fā)送相應的指令給紅外接收頭，紅外接收頭收到指令后，傳遞給單片機，單片機根據(jù)其內(nèi)的解碼程序，獲得具體的指令來控制舵機的旋轉(zhuǎn)。HYPERLINK :/bai

33、ke.baidu /view/1333255.htm紅外遙控的發(fā)射電路是采用HYPERLINK :/baike.baidu /view/1381541.htm紅外發(fā)光二極管來發(fā)出經(jīng)過調(diào)制的紅外光波；紅外接收電路由HYPERLINK :/baike.baidu /view/4335011.htm紅外接收二極管、HYPERLINK :/baike.baidu /view/3794.htm三極管或硅光電池組成，它們將紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外光轉(zhuǎn)換為相應的電信號，再送后置放大器。2.2.4、串口通信串口通信采用藍牙無線通信模塊，接收上位機發(fā)送來的指令后，通過模塊寫端寫入單片機讀端，數(shù)據(jù)保存在單片機接收緩存

34、區(qū)。單片機由內(nèi)置的解碼程序完成相應操作。單片機發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機，先將數(shù)據(jù)保存在發(fā)送緩存區(qū)，由寫端寫入藍牙模塊讀端，藍牙模塊發(fā)送給上位機。由上位機顯示數(shù)據(jù)。2.2.5、數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)數(shù)碼管隨著舵機的轉(zhuǎn)動顯示相應轉(zhuǎn)動角度。單片機在控制舵機的同時發(fā)送舵機轉(zhuǎn)動的相對值給對應端口，段選信號控制數(shù)據(jù)段，位選信號控制顯示位。數(shù)碼管動態(tài)顯示數(shù)據(jù)。2.3、器件與模塊選型2.3.1、主控芯片方案選擇51系列單片機相對于其他單片機PIC、AVR等，它從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器。其次具有乘法和除法指令，這給編程也帶來了便利。而且其I/O腳的設(shè)置和使用非常簡單，當引腳作輸入腳使用時，只須將

35、該腳設(shè)置為高電平復位時，各I/O口均置高電平。另外一個重要原因是使用該芯片的人很多,網(wǎng)上的資料也很豐富，方便我們學習與研究。因此選擇51系列作為系統(tǒng)控制芯片，有以下兩種方案：方案一:AT89C51芯片AT89C51有128byte RAM，4K ROM。它有T0、T1兩個16位定時器。方案二：STC89C52芯片STC89C52有256Byte RAM，8K ROM。它有T0、T1、T2三個16位定時器。本設(shè)計所及模塊所占資源多，考慮到日后對于系統(tǒng)功能的拓展，所以需要選擇內(nèi)存較大的單片機，且PWM信號輸出、紅外模塊、波特率設(shè)定各需要一個定時，系統(tǒng)正常工作需要三個定時器同時工作，綜合以上考慮選擇

36、方案二STC89C52。2.3.2、晶振方案選擇方案一：12MHz有源晶振選用12MHz有源晶振。有源晶振需要接電源才能工作，一般有四個引腳，其中有兩個電源輸入引腳，有正負極之分。方案二：12MHz無源晶振無源晶振有兩個引腳，沒有所謂的正負極，不需要外接電源，需要外部電路配合才能振蕩，價格低廉。一般由于一個機器周期是12個時鐘周期，選用12MHz晶振時，一個機器周期是1US，方便計算，而且速度相對是最高的。該晶振在計算時鐘、串口通信波特率等運算中能夠得到一個整數(shù)，使通信波特率更精確、串口通信的可靠性更高、計算的結(jié)果更加精確與方便。例如波特率為9600BPS，振動頻率為11.0592MHz的單片

37、機每個機器周期為12/11.0592us。，每位間隔機器周期個數(shù)為(1/9600)/(12/11.0592 * 10) = 96即個數(shù)=波特率位/機器周期,結(jié)果正好為整數(shù)。經(jīng)過三種方案的比擬，選用方案三。在本設(shè)計中晶振無需連接電源應選擇無源晶振。同時由于本設(shè)計中需要使用到串口通信，為使使通信波特率更精確應選用11.0592MHz的無源晶振。2.3.3、顯示模塊方案選擇方案一：點陣顯示。點陣是由八行八列的L E D 管集成在一塊電路上組成，主要用來顯示漢字，同時也能顯示數(shù)字和少量圖象，但它的焊接較麻煩，價格高。方案二：L E D 數(shù)碼管靜態(tài)顯示。此方案電路容易理解且驅(qū)動的程序簡單，但需多片七段譯

38、碼器驅(qū)動顯示，這不僅增加了本錢，還占用單片機多個I / O口，也給電路的焊接帶來一定的困難。方案三：采用L E D 數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示。此方案價格低廉，不僅減少了對I / O 口的浪費，而且能夠同時驅(qū)動多個數(shù)碼管。方案四：采用L C D 液晶顯示。L C D 由k s 0 1 0 8 驅(qū)動，能顯示大量數(shù)據(jù)、文字、圖形，顯示的位數(shù)多，字體清晰多樣、美觀，而且外部接線較簡單。 但價格較貴，驅(qū)動原理較復雜。經(jīng)過四種方案的比擬，本設(shè)計只需要顯示舵機轉(zhuǎn)動角度，不需要顯示復雜數(shù)據(jù)。因此只要選擇方案三，使用L E D 數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示即可。2.3.4、舵機方案選擇方案一：模擬舵機模擬舵機：電子電路中無MC

39、U微控制器，舵機根據(jù)接收到模擬電壓控制指令和機械連動位置傳感器電位器反響電壓之間比擬產(chǎn)生的差分電壓，驅(qū)動有刷直流電機伺服電機正/反運轉(zhuǎn)到指定位置。價格低廉。但精確、反響速度較低。方案二：數(shù)字舵機數(shù)字舵機電子電路中帶MCU微控制器，其內(nèi)部直流伺服電機控制芯片處理接收機的輸入信號的方式。然后控制舵機馬達初始電流的方式，減少無反響區(qū)(對小量信號無反響的控制區(qū)域)，增加分辨率以及產(chǎn)生更大的固定力量。有著反響速度更快，無反響區(qū)范圍小，定位精度高，抗干擾能力強等優(yōu)勢。但價格昂貴，需要消耗更多的動力。通過對兩種方案的比擬，由于本設(shè)計著重研究舵機的控制方式，對舵機的準確度與精確度的要求并沒有那么嚴格。且考慮到

40、本錢問題。應選擇方案一，使用模擬舵機。2.3.5、無線控制模塊方案選擇方案一、紅外通信模塊紅外通信模塊是一種利用紅外線進行點對點通信的技術(shù)，應用廣泛。其主要優(yōu)點是無需申請頻率的使用權(quán)，因而紅外通信本錢低廉。并且還具有移動通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用的特點。此外，紅外線發(fā)射角度較小，傳輸上平安性高。但其缺乏在于它是一種視距傳輸，兩個相互通信的設(shè)備之間必須對準，中間不能被其它物體阻隔，因而該技術(shù)只能用于2臺設(shè)備之間的連接。方案二、wifiWi-Fi正式名稱是IEEE802.11b，屬于短距離無線通信技術(shù)。Wi-Fi是以太網(wǎng)的一種無線擴展，理論上只要用戶位于一個接入點四周的一定區(qū)域內(nèi)

41、，就能以最高約11Mb/s的速度接入Web。雖然在數(shù)據(jù)平安性方面比藍牙技術(shù)要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌，可達100 m左右。Wifi的信號不受墻壁阻隔，但在建筑物內(nèi)的有效傳輸距離小于戶外。方案三、藍牙通信模塊藍牙通信模塊能夠使各種設(shè)備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離范圍內(nèi)實現(xiàn)相互通信或操作。但其價格過于昂貴，芯片大小和價格難以下調(diào)、抗干擾能力不強、傳輸距離太短、信息平安性強等等。通過對以上三種方案的分析，由于紅外模塊編解碼簡單、價格低廉，無線控制模塊只需要實現(xiàn)對舵機簡單的控制，無需復雜的功能。應選擇方案一，使用紅外通信模塊。2.3.6、最終選型方案經(jīng)過以上的分析，系統(tǒng)

42、在設(shè)計的過程中主要選取了以下器件：單片機：stc89c52數(shù)碼管：四位八段數(shù)碼管MT04041AR舵機：模擬舵機futaba S3003紅外發(fā)射器：車載mp3紅外遙控器NEC編碼紅外接收頭：VS1838b2.4、硬件資源介紹2.4.1、單片機STC89C52RC單片機是新一代高速/低功耗/超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇。主要特性主要特性如下：增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；工作電壓：5.5V3.3V5V單片機/3.8V2.0V3V單片機；用戶應用程序空

43、間為8K字節(jié)；片上集成512字節(jié)RAM；通用I/O口32個，復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻；共3個16位定時器/計數(shù)器，即定時器T0、T1、T2；外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒；通用異步串行口UART，還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART。引腳及功能介紹STC89C52RC引腳功能說明：VCC40引腳：電源電壓VSS20引腳：接地P0端口P0.0P0.7：P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時

44、，P0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復用總線。此時，P0口內(nèi)部上拉電阻有效。在Flash ROM編程時，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，那么輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。圖2.2 STC89C52RC引腳圖P1端口P1.0P1.7：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流。P2端口P2.0P2.7與P3端口P3.0P3.7：P2、P3口是帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。對端口寫入高電平時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電

45、平，這時可用作輸入口。兩者作為輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。P3口除作為一般I/O口外，還有其他一些復用功能，如下表所示：表2-2 P3口引腳復用功能引腳號復用功能RXD串行輸入口TXD串行輸出口 QUOTE 外部中斷0 QUOTE 外部中斷1T0定時器0的外部輸入T1定時器1的外部輸入 QUOTE 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 QUOTE 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通RST9引腳：復位輸入。當輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機單片機的復位初始化操作。XTAL119引腳：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL218引腳：振蕩器反相

46、放大器的輸入端。STC89C52RC除了有定時器/計數(shù)器0和定時器/計數(shù)器1之外，還增加了一個一個定時器/計數(shù)器2.定時器/計數(shù)器2的控制和狀態(tài)位位于T2CON和T2MOD。定時器2是一個16位定時/計數(shù)器。通過設(shè)置特殊功能存放器T2CON中的C/T2位，可將其作為定時器或計數(shù)器。定時器2有3種操作模式：捕獲、自動重新裝載遞增或遞減計數(shù)和波特率發(fā)生器，這3種模式由T2CON中的位進行選擇。2.4.2、晶振石英晶體振蕩器是高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應用于各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準信號。每個單片機系統(tǒng)里都有晶振，全稱是晶體震蕩

47、器，在單片機系統(tǒng)里晶振的作用非常大，它結(jié)合單片機內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機所必須的時鐘頻率，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個根底上的，晶振的提供的時鐘頻率越高，那單片機的運行速度也就越快。2.4.3、數(shù)碼管圖2-4數(shù)碼管實物圖 圖2-5數(shù)碼管引腳圖一、分類數(shù)碼管按發(fā)光二極管單元連接方式可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。圖2-6共陽原理圖共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管在應用時應將公共極COM接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。圖2-7共陰原理圖共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光

48、二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應用時應將公共極COM接到地線GND上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陽極為低電平時，相應字段就不亮。下表列出了共陽和共陰極LED顯示器顯示數(shù)字、字母與顯示代碼之間的對應關(guān)系： 表2-3 代碼對應表顯示字符共陰極段碼共陽極段碼顯示字符共陰極段碼共陽極段碼03FHC087FH80H106HF996FH90H25BHA4A77H88H34FHB0B7CH83H466H99HC39HC656DH92HD5EHA1H67DH82HE79H86H707HF8F71H8EH二、驅(qū)動方式數(shù)碼管要正常顯示，就要

49、用HYPERLINK :/baike.baidu /view/1614863.htm驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的HYPERLINK :/baike.baidu /view/37407.htm數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的HYPERLINK :/baike.baidu /view/131317.htm驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。數(shù)碼管HYPERLINK :/baike.baidu /view/612026.htm靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個HYPERLINK :/baike.baidu /view/1012.htm單片機的I/O端

50、口進行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，如驅(qū)動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示那么需要58=40根I/O端口來驅(qū)動，實際應用時必須增加譯碼驅(qū)動器進行驅(qū)動，增加了硬件電路的復雜性。數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是HYPERLINK :/baike.baidu /view/1012.htm單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出段選信號時，所有數(shù)碼管都接收到相同的段

51、選信號，但究竟是哪個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制翻開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的HYPERLINK :/baike.baidu /view/1196747.htm余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且HY

52、PERLINK :/baike.baidu /view/720038.htm功耗更低。2.4.4、舵機舵機的選擇舵機選用Futaba S3003型號舵機。Futaba S3003是塑料外殼模擬舵機，速度為 0.23秒/60度(4.8V)、0.19秒/60度(6V)，力矩為3.2kg/cm(4.8V)，轉(zhuǎn)動角度：180度(左右各90)。是市場上比擬常見的舵機，有著性能好、扭力大、價格實惠等優(yōu)點。 舵機介紹1、 舵機的結(jié)構(gòu) 舵機簡單的說就是集成了直流電機、電機控制器和減速器等，并封裝在一個便于安裝的外殼里的伺服單元。能夠利用簡單的輸入信號比擬精確的轉(zhuǎn)動給定角度的電機系統(tǒng)。 舵機安裝了一個電位器或其

53、它角度傳感器檢測輸出軸轉(zhuǎn)動角度，控制板根據(jù)電位器的信息能比擬精確的控制和保持輸出軸的角度。這樣的直流電機控制方式叫閉環(huán)控制，所以舵機更準確的說是伺服馬達，英文servo。 舵機的主體結(jié)構(gòu)如下列圖所示，主要有幾個局部：外殼、減速齒輪組、電機、電位器、控制電路。簡單的工作原理是控制電路接收信號源的控制信號，并驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動；齒輪組將電機的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機的輸出扭矩放大響應倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉(zhuǎn)動，測量舵機軸轉(zhuǎn)動角度；電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機轉(zhuǎn)動角度，然后控制舵機轉(zhuǎn)動到目標角度或保持在目標角度。圖2-8舵機結(jié)構(gòu)圖2、技術(shù)規(guī)格當今使用的舵機有模擬舵機和數(shù)字舵機之分，不

54、過數(shù)字舵機還是相對較少。下面的技術(shù)規(guī)格同時適用與兩種舵機。 舵機的規(guī)格主要有幾個方面：轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、尺寸、重量 、材料等。我們在做舵機的選型時要對以上幾個方面進行綜合考慮。 (1)、轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速由舵機無負載的情況下轉(zhuǎn)過60 之間。 圖2-9舵機轉(zhuǎn)速(2)、轉(zhuǎn)矩 舵機扭矩的單位是KGCM，這是一個扭矩單位?？梢岳斫鉃樵诙姹P上距舵機軸中心水平距離1CM處，舵機能夠帶動的物體重量。 圖2-10舵機轉(zhuǎn)矩(3)、電壓 速度、轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)和測試電壓有關(guān)，在4.8V 和6V 兩種測試電壓下這兩個參數(shù)有比擬大的差異。如Futaba S-9001 在 4.8V 時扭力為 3.9kg 、速度為 0.22 秒，在 6

55、.0V 時扭力為 5.2kg 、速度為 0.18 秒。假設(shè)無特別注明，JR 的舵機都是以 4.8V 為測試電壓，F(xiàn)utaba那么是以 6.0V 作為測試電壓。 舵機的工作電壓對性能有重大的影響，舵機推薦的電壓一般都是 4.8V 或6V。較高的電壓可以提高電機的速度和扭矩。(4)、尺寸、重量和材質(zhì) 舵機的功率速度轉(zhuǎn)矩和舵機的尺寸比值可以理解為該舵機的功率密度，一般同樣品牌的舵機，功率密度大的價格高。 塑料齒輪的舵機在超出極限負荷的條件下使用可能會崩齒，金屬齒輪的舵機那么可能會電機過熱損毀或外殼變形。所以材質(zhì)的選擇并沒有絕對的傾向，關(guān)鍵是將舵機使用在設(shè)計規(guī)格之內(nèi)。金屬齒輪箱在長時間過載下也不會損毀

56、，最后確是電機過熱損壞或外殼變形，而這樣的損壞是致命的，不可修復的。塑料出軸的舵機如果使用金屬舵盤是很危險的，舵盤和舵機軸在相互扭轉(zhuǎn)過程中，金屬舵盤不會磨損，舵機軸會在一段時間后變得光禿，導致舵機完全不能使用。 綜上，選擇舵機需要在考慮所需扭矩和速度，并確定使用電壓的條件下，選擇有150%左右甚至更大扭矩充裕的舵機。3、工作原理以FUTABA-S3003型舵機為例，下列圖是FUFABA-S3003型舵機的內(nèi)部電路。圖2-11 FUTABA-S3003內(nèi)部電路圖舵機的工作原理是：PWM信號由接收通道進入信號解調(diào)電路BA66881的12腳進行解調(diào)，獲得一個直流偏置電壓。該直流偏置電壓與電位器的電壓

57、比擬，獲得電壓差由BA6688的3腳輸出。該輸出送人電機驅(qū)動集成電路BA6686，以驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)。當電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，直到電壓差為O，電機停止轉(zhuǎn)動。舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。4、舵機的控制方法標準的舵機有3條導線，分別是：電源線、地線、控制線，如下列圖所示。圖2-12 標準舵機電源線和地線用于提供舵機內(nèi)部的直流電機和控制線路所需的能源電壓通常介于46V，一般取5V。注意，給舵機供電電源應能提供足夠的功率。控制線的輸入是一個寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為20 ms(即頻率為50 Hz)。當方波的脈沖寬度改變時，

58、舵機轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。某型舵機的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號的脈沖寬度之間的關(guān)系可用下列圖來表示。圖2-13 舵機輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號脈沖寬度的關(guān)系2.4.5、紅外發(fā)射器、接收頭紅外發(fā)射器使用車載mp3紅外遙控器。是比擬常見的紅外發(fā)射器，采用NEC編碼協(xié)議。紅外接收頭選用一體化紅外接收頭VS1838b(見下列圖)。VS1838b是內(nèi)屏蔽封裝的一體化紅外線接收器，它是一種集紅外線接收、放大、整形于一體的集成電路，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接收到輸出與 TTL 電平信號兼容的所有工作，沒有紅外遙控信號時為高電平，收到紅外信號時為低電平，而體積和普通的三極管大小一樣

59、，它適合于各種紅外線遙控和紅外線數(shù)據(jù)傳輸.圖2-14 VS1838實物圖紅外線接收頭(又稱紅外線接收模組,HYPERLINK :/baike.baidu /view/301974.htmIRM)是集成紅外線接收PDHYPERLINK :/baike.baidu /view/1016.htm二極管、放大、濾波和比擬器輸出等的IC模塊。常用的一種HYPERLINK :/baike.baidu /view/1284692.htm紅外接收頭的外形，均有三只引腳，即電源正VDD、電源負(m/view/961504.htmGND)和數(shù)據(jù)輸出(Out)。接收頭的引腳排列因型號不同而不盡相同，因接收頭的外形不

60、同而引腳的區(qū)別。紅外接收頭的主要參數(shù)如下：工作電壓：2.74.5V ；工作電流：1.72.7mA 接收頻率：37.9kHz ；峰值波長：940nm ；靜態(tài)輸出：高電平；輸出高電平：接近工作電壓紅外接收頭具有以下特性：小型設(shè)計;內(nèi)置專用IC;寬角度及長距離接收;抗干撓能力強;能抵擋環(huán)境干撓光線;低電壓工作;三、工作原理通用紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大局部組成，應用編/解碼專用集成電路芯片來進行控制操作，如下列圖所示。發(fā)射局部包括鍵盤、編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)送器；接收局部包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路。圖2-15紅外遙控系統(tǒng)框圖紅外發(fā)送協(xié)議：引導碼+用戶識別碼+系統(tǒng)反碼+操作碼+操作反碼各種