16通道伺服舵机控制使用说明

16通道伺服舵机控制器
使用说明
设计者：翁旭辉
西北工业大学机电学院
<一>作品设计背景
在当今机器人制作领域，控制系统部分作为机器人DIY一族公认为最难以实现的部分，爱好者普遍采用51或52系列单片机，但是存在一个普遍问题，传统的51系列的单片机远远不能满足机器人的高精度的控制需要；A TMEL公司的A VRmega高速嵌入式单片机,采用RISK精简指令集，指令执行速度为51单片机的10倍以上，且驱动电流大,功能齐全,具有ISP在线编程功能和软件模拟仿真调试功能，适合业余制作机器人需要，同时又可满足目前机器人（尤其是仿生机器人和带有表演性质的机器人）的控制要求。

本作品为在A VR系列mega8515L单片机基础上开发的伺服电机控制系统之一，它可以控制16路伺服舵机、解决了DIY机器人制作领域的基本动作控制要求，同时本系统板留有万用实验板部分，可以加入红外传感、点阵或语音电路等实现机器人的智能控制。

本作品已经在校机器人创新基地经过验证，确实具有很高的推广价值。

<二>工作原理及电路图
此伺服电机控制系统的主体线路有A VRmega8515L单片机，RS232通讯部件、I2C总线插座、16路伺服舵机控制接口、8MHZ晶体、A VR-ISP编程下载接口。

见图1。

图1
当用串口调试舵机的动作指令时，单片机通过RS232串口与PC机COM1口实时通讯：PC 终端拖动控制滑杆发出动作数据，单片机将数据处理后由定时器1引用中断产生0.5ms开始脉宽和5ms以上的间隔脉宽信号，由定时器0引用中断产生伺服电机动作所需的脉宽，由于串口通讯的实时性，舵机可以动态的跟踪信号的变化。

关键芯片为MAX232,DIP16封装。

<三>详细使用说明
1．伺服舵机的实时调试模式：
首先将主单片机的PB0口的跳线接至高电平，将串口接好PC机和单片机，打开16通道舵机控制器并启动滑竿，然后打开单片机＋6V电源，拖动滑竿，如果舵机能实时跟踪滑块的动作，说明通讯正常。

如下图2：
图2
拖动其他通道的舵机，取好合适的动作值和动作时间后点“添加”即加入了第一条指令，依次可以加入更多的指令；如果哪一条指令有错误，选中它后重新拖动滑竿后点“修改”即可纠正，点“删除”即可删掉这一条指令；也可以打开OFFOCE组件ACCESS2000进行修改。

2．伺服舵机的脱机运行模式
各条指令编好后，点“生成文件”（如图3）便可生成压缩数据，通过TOP2003编程器把它烧入24CXX系列(这里用的是24C64，8KB的容量) 的E2PROM，将它插入I2C插槽，并将PB0口的跳线接至低电平，接通单片机电源，舵机便可逐条执行刚才做好的指令，指令条
数可达2000条。

<四>主要技术参数及程序框图
1．舵机的主要技术参数分析：
舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等，工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号（具体信号待会再讲），控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。

舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。

舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化。

也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。

舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms 的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。

由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。

比方说机器人的关节、飞机的舵面等。

如下图4所示，表示典型的20ms周期性正脉冲宽度与伺服舵机输出臂的位置的关系：
图4
2．单片机内的程序框图
下表为单片机内的程序已经达到控制精度的要求：
<五>作品创新性
本作品为单片机控制伺服舵机的控制系统，主要用于青少年机器人制作领域，它的显著特征：采用一个PC机控制终端，由此终端与单片机串口通讯调试动作指令（ACCESS数据库文件），同时可以生成数据压缩文件烧入E2PROM中，这样机器人就可以脱机运行。

以下是主要创新点：
1．可以同时控制多达16路伺服舵机，同时还可以扩展通道或其他电机。

2．利用A VR单片机MEGA系列的嵌入式高速性能可以使伺服舵机的控制路数达到至少16路（最多可扩至24路），控制精度可以达到250的分辨率，如果可能的话甚至可以飞航模飞机；3．每一路伺服舵机均具有自调速功能，即先给定舵机的动作数值和动作时间，系统内会自动按照规定的动作数值和时间算出到达规定位置的速度，这样可以避免直接给舵机定义速度的缺乏直观性；
4．PC终端软件采用VC编写，界面直观友好，操作使用简便，可以明显提高智能机器人动作指令的开发效率，同时指令经过数据压缩处理存放在外置E2PROM中，真正做到了程序和数据的完全分离。

<六>参考资料
1．<<AVR 高速嵌入式单片机原理与应用>>
2．<<AVR 单片机C语言开发入门>>
3．<<AVR C语言编程实例与应用>>
4．<<AVR 高速嵌入式单片机原理与应用>>
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