基于STC89C52單片機的舵機控制系統設計

衡水職業技術學院 王素芹 程連生

一、小型自控飛艇舵控系統簡介

舵機是小型自控飛艇執行機構中最主要的執行部件，能否快速、準確地完成對舵機的控制直接關系到飛艇的自主控制效果。因此，舵控系統成為小型飛艇自主飛行控制系統中最重要的組成部分之一，它的主要功能是接收艇載計算機發出的控制指令，實現對控制指令的采集、分析和處理，并根據控制指令向舵機輸出連續可調的舵控信號，操縱艇上各舵機完成預定動作。

二、舵控系統硬件設計

本飛艇舵控系統以多片STC89C52單片機為核心，配合電源模塊、驅動芯片及多路轉換開關等在一塊印制電路板上實現預定功能。

舵控系統主控芯片選擇STC89C52單片機，它具有8KB的并行可編程非易失性FLASH程序存儲器，并可對器件串行在系統編程(ISP)和在應用中編程(IAP)。數據保留時間：10年，全靜態工作：0Hz-24MHz，三級程序存儲器鎖定，128×8位內部RAM，32可編程I/O線，4組8位I/O口，兩個16位定時器/計數器，5個中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內振蕩器和時鐘電路。

電源模塊采用78xx系列端穩壓集成電路，它是線性三端穩壓器件。利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路，為MCU穩定可靠的工作提供強有力的保證。

此外，為增強信號的驅動能力，在輸出之前采用74LS245作為信號驅動芯片；串口電平轉換采用Max232芯片。

三、舵控系統軟件設計

1.軟件總體結構

舵控系統各單片機程序均在Keil C51環境下采用C語言編寫。為了保證系統的實時性及快速性，軟件編寫采用了主程序+任務+中斷的結構。

在三部分程序中，以主單片機1的外部中斷最多，包括串口中斷、與主單片機2的握手中斷以及艇載計算機看門狗的外部中斷，這幾個中斷的優先級排列順序是：艇載計算機看門狗中斷＞串口中斷＞握手中斷。主單片機1接收到艇載計算機通過RS232串口發來的信息幀后，首先進行幀識別，提取出前m個字節的數據，加上幀頭幀尾后由P1口發送給主單片機2；并將第m+1個字節數據作為開關量通道控制信號由P2口輸出，用作系統控制備用。

主單片機2程序的主要任務是通過其P1口接收上位機傳來的數據，提取各控制信息，在相應控制指令的前面加上地址，依次由串口發送給下位舵控單片機。

舵控單片機的主要任務是識別控制指令和地址指令，并根據收到的控制指令(舵機占空比信號)產生PWM波控制艇上舵機。

該系統軟件設計中的關鍵問題包括以下幾個方面：

(1)控制信號流程中數據幀的接收識別；

(2)舵控系統中主從單片機之間的多機通信；

(3)PWM波舵控信號的軟件產生方法。

2.軟件設計中的關鍵問題

(1)數據幀的串口接收及識別技術

采用了中斷服務程序就地幀識別技術，其優點在于數據接收后立即進行幀識別，省去了對緩沖區的管理工作，減少了存取次數，因而節省了大量的時間，極大地提高了接收程序的實時性。同時錯幀和斷幀被自動丟棄，不再占用資源。

(2)單片機多機通訊

在舵控系統設計中，各部分間的通訊是設計的重要內容，其中主要包括單片機與上位PC機間的通訊和單片機與單片機之間的通訊。在舵控系統中，主單片機1與上位PC機通訊是通過單片機自帶的一路異步串行通訊接口完成的；而主單片機1通過其P1口向主單片機2傳輸數據，

此系統中，主單片機2作為主機，m個舵控單片機作為從機，在主機與從機的通訊過程中，串口控制寄存器中SCON中的SM2位發揮了重要作用。當其中一個舵控單片機的SM2位為1時，該單片機只接收地址幀，對數據幀不理睬；而當SM2位為0時，該單片機接收所有發來的消息。具體通信過程如下：①首先將主、從單片機工作方式選為模式3，所有從機的SM2位開始置1，處于只接收地址幀狀態。②主機接收主單片機1發來的數據幀，從中提出數據部分(m個字節的指令對應m個舵控單片機)，根據序號在控制指令字節前加上一個字節的地址信息。然后主機依次通過串口向下發送各舵控單片機的地址字節和數據字節。發送一幀地址信息，包含8位地址，第9位為1，表示發送的幀為地址幀。③從機接收地址幀后，進入中斷，將發來的地址與自身比較；地址一致的從機就是被尋址的從機，它清除SM2位，接收主機發來的所有后續幀信息(數據信息)。未尋址的所有其他從機仍維持SM2=1，對主機發來的數據幀不理睬，直到發來新地址幀；之后在下一次中斷時被尋址的從機接收主機發來的數據信息(第9位為0)。

需要注意的是，如果對已經尋址的從機再發送地址幀，則該從機SM2=1，恢復初始狀態，和其他從機競爭。

(3)舵控信號PWM波的產生

對飛艇舵機的控制最終是通過舵控單片機產生PWM波來實現的。通常，產生PWM波不外乎硬件和軟件兩種方法。考慮到舵控單片機計算任務不大，本系統中采用軟件產生PWM波的方法。下面以定時器0產生PWM波為例，說明通過軟件產生PWM波舵控信號的實現方法。

在程序中，由串口中斷接收上位機發送的脈寬指令，繼而通過改變入口參數a來調整PWM波的脈寬，并確保脈寬輸出在正常范圍之內。通過該方法產生PWM波切實可行，簡單有效，可以廣泛應用于舵機控制信號的產生中。

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