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崔文霞论文
2012～2013学年第一学期
毕业设计（论文）
课题远程数字控制舵机
姓名崔文霞
系部电子信息工程专业应用电子
班级10应用电子
（1）班学号1003210132
指导教师罗云高
武汉交通职业学院教务处制
摘要
现在小型船舶采用的模拟电子控制舵机技术在传输距离长的情况下，线路易于受到外部干扰，舵机偏转角度会有不确定的稳定性缺陷，使得这一类设备在远距离控制使用中受到限制。
而且反馈电位器在长时间磨损和腐蚀中也会使舵角控制产生一定的误差。
外之模拟电路和电源的漂移，也常使得舵角显示不能够满足使用要求。
虽然现在大型船舶大多都使用电动舵轮或者是液压舵了，但是仍然是机械式的控制，且反应速度也由人的“灵敏度”所决定，误差范围很大，精确度不高。
本设计以ARM2148作为核心控制器，利用模拟舵机的机械部分，其中包括小型直流电机和E6B2-CWZ5G角度检测器，直流电机用芯片L298N来驱动，角度检测器通过同心连接轴连接舵机电动执行模块，产生实际舵角信息通过角度编码导线连接到角度处理传输模块，角度处理传输模块将实际舵角信息通过辅助控制器STC89C52单片机的内部A/D转换来反馈实际舵角。
而实际角度则通过单片机控制的LCD1602显示器来显示舵机实际偏转的角度。
这种数字式控制的舵机可以避免模拟电路控制所带来的精确度不高，误差较大稳定性差的问题，实现舵机控制的轻型化和小型化，节省船体空间。
将数字控制舵机与轮船的动力系统相结合，结合现在的GPS与GIS技术，实现轮船的自动导航驾驶，且相对于现在正在研究的汽车无人驾驶来说，轮船的自动驾驶难度更低，可行性更高,可以节省大量的人力和物力。
关键词：
ARM2148STC89C52角度传感器LCD
目录
1概述.........................................................-4-
1.1课程设计的背景及目的.........................................-4-
1.2学习的要求..................................................-5-
2总体方案设计与论证.............................................-6-
2.1微控制器的选择...............................................-6-
2.2STC89C52单片机的介绍.........................................-7-
2.2.1STC89S52单片机主要特性.................................-7-
2.2.2STC89S52单片机管脚说明..................................-9-
2.3角度检测模块.................................................-9-
2.3.1角度传感器原理.........................................-10-
2.3.2E6B2-CWZ2G的介绍.......................................-11-
2.3.3理论分析计算...........................................-12-
2.4驱动模块部分................................................-13-
2.4.1PWM调速原理............................................-15-
2.5显示模块....................................................-16-
2.5.1LCD1602显示原理........................................-16-
3系统总体设计方案..............................................-18-
4硬件设计......................................................-19-
4.1单片机最小系统电路.......................................-19-
4.2LCD1602显示电路..........................................-20-
4.3PWM调速电路..............................................-21-
5软件设计......................................................-22-
5.1软件设计原则.............................................-22-
5.2系统程序流程图...........................................-22-
结论............................................................-25-
附录A程序清单.................................................-26-
参考文献........................................................-40-
1概述
1.1课程设计的背景及目的
舵机控制应用在很多方面，舵机控制具有位置精度高，控制容易等优点。
在远程数字控制舵机系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。
舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制与输出使得单片机系统非常容易与之接口。
舵机用于对角度的控制，具有控制精度高，响应速度快等特点，广泛应用于各种控制系统，例如无人直升机，无人驾驶汽车等。
通过三年的学习，我的专业技能已经提高了一个层次。
毕业设计是学校给同学们提供一个理论结合实践、专门深层次学习的平台。
我选择远程数字控制舵机作为毕业设计的课题的主要目的是，在掌握基础电子技能和专业课的理论知识的基础上，进一步专门深层次学习研究单片机的原理与应用，结合所学开发设计单片机控制的知识，学以致用。
1.2学习的要求
1.熟悉单片机系统的硬件设计方法；
2.掌握单片机定时器及PWM的产生方法；
3.熟悉模拟电路的基本设计方法；
4.掌握STC89C52芯片的性能和应用；
5.熟悉C语言的编程方法；
6.初步掌握C语言的调试；
7.应用Protel99se画出电路图。
二、总体方案设计与论证
2.1、微控制器的选择：
主控制器：
主控制器采用LPCARM2148作为主控制器，ARM2148其采用的3级流水线模式增加处理器指令流速度，可使几个操作同时进行，并使处理和存储之间的操作更加流畅连续，能提供0.9MIPS/MHZ的指令执行速度，因此在舵机快速偏转时，处理器仍然可以远远满足编码器瞬间给出的众多条代码值，避免使用52单片机出现的卡死现象，使整个系统更加稳定可靠。
LPCARM2148是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI-SCPU的微控制器，并带有32KB和512KB嵌入式的高速Flash存储器。
128位宽的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。
对代码规律有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。
较小的封装和很低的功耗使LPC2141/42/44/46/48特别适用于访问控制和POS机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口（从USB2.0全速器件、多个UART、SPI、SSP到I2C总线）和8KB~40KB的片内SRAM,它们也非常适用于通信网关、协议转换器、软modem、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲和强大的处理功能。
多个32位定时器、1个或2个10位ADC、10位DAC、PWM通道、45个高速GPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚，是它们特别适用于工业控制和医疗系统。
ARM2148在整个系统中主要起两个作用，一是实时检测角度传感器偏转角度，并将检测的值通过串口线发送给STC89C52单片机，另一个作用是接收STC89C52单片机通过串口线传输过来的关于控制器控制舵机偏转的指令，并通过电机驱动模块控制舵机偏转。
辅助控制器:
辅助控制器采用的是STC89C52单片机，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，片内带有一个4K字节的Flash可编程可擦除只读存储器（EPROM）,它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统与都MCS-51兼容。
片内的Flash存储器允许在系统内改编程序，它是一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。
STC89C52单片机在本设计主要负责两项工作，一是接收ARM2148通过串口线传输过来的关于舵机偏转角度的数据，并通过LCD1602液晶显示屏显示出来；另一个作用是接收控制按键给出的指令，并将其通过串口线发送给ARM2148主控制器。
选择此芯片完全能达到本设计的技术要求。
2.2STC89C52单片机的介绍
2.2.1STC89C52单片机主要特性：
Ø
与MCS-51兼容
Ø工作电压：
5V
Ø8K字节可编程闪烁存储器
Ø寿命：
1000写/擦循环
Ø数据保留时间：
10年
Ø全静态工作：
0Hz~24Hz
Ø三级程序存储器锁定
Ø512内部数据存储器
Ø两个16位定时器/计数器
Ø5个中断源
Ø32个I/O引脚
Ø可编程串行通道
Ø低功耗的闲置和掉电模式
Ø片内振荡器和时钟电路
Ø可编程看门狗定时器（WDT）
图3-2STC89C52管脚图
2.2.2STC89C52单片机管脚说明
1、VCC：
供电电压。
2、GND：
接地。
3、P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
4、P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
5、P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
6、P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
7、RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
8、ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
9、/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
10、/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
11、XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
2.3.角度检测模块
方案一：
采用电位器测量角度，旋转电位器测量旋转角度的工作原理是通过电位器的电位接到位置模块，位置模块通过转换把电压信号转换为4-20MA的电流信号。
一般的电位器都有5-20%的偏差值，电位器归零比较方便不像编码器出现偏差后归零不方便。
方案二：
采用角度传感器测量角度，增量式旋转编码器在角度测量和角速度测量较绝对式旋转编码器更具有廉价和简易的优势，角度传感器搭建电路比较简单且测量精度较高。
我们采用方案二作为角度测量模块，虽然价格较贵但搭建电路比较容易而且显示精度比较高。
2.3.1角度传感器原理
角度的检测电路是由E6B2-CWZ5G角度传感器组成，增量式旋转编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。
在接合数字电路特别是单片机后，增量式旋转编码器在角度测量和角速度测量较绝对式旋转编码器更具有廉价和简易的优势，增量式旋转编码器的内部工作原理如图1所示
我们把当前的A相位输出值保存起来，与B相位输出值做比较，就可以轻易的得出角度码盘的运动方向。
2.3.2E6B2-CWZ5G的介绍
编码器是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，编码器一般分为增量型与绝对型，它们存着最大的区别：
在增量编码器的情况下，位置是从零位标记开始计算的脉冲数量确定的，而绝对型编码器的位置是由输出代码的读数确定的。
在一圈里，每个位置的输出代码的读数是唯一的； 因此，当电源断开时，绝对型编码器并不与实际的位置分离。
如果电源再次接通，那么位置读数仍是当前的，有效的，不像增量编码器那样，必须去寻找零位标记。
实验中我们使用的是E6B2-CWZ5G编码器，E6B2-CWZ5G如下图所示：
图2-3E6B2-CWZ5G实物图
（1）E6B2-CWZ5G的属性
类型
旋转编码器
品牌
欧姆龙
型号
E6B2-CWZ5G
外形尺寸
40（mm）
适用范围
工业自动化
读出方式
接触式
工作原理
增量式
（2）E6B2-CWZ5G的主要技术参数
■增量型外径φ40编码器φ40的通用型
■对应电源电压DC5～24V（集电极开路输出型）
■外径φ40备有2000P/R的分辨率
■具备使Z相对简单化的原点位置显示功能
■实现轴负重、径向30N、推力向20N
■附有逆接、负荷短路保护回路，改善了可靠性
增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90度Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。
它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。
其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
如图4-3
E6B2-CWZ5G有六个引脚实验中我们只需要用到四个引脚即A相、B相、电源线、地线，它们的颜色分别为黑色、白色、棕色、灰色，E6B2-CWZ5G角度传感器A输出端接于单片机外部0中断引脚上，B输出端接于单片机P3.1口，中断采用下降沿触发，当A端下降沿到来时，中断子程序判断P3.0电平状态，决定脉冲数目的增1、减1，当P3.0为高电平时角度传感器顺时针旋转，脉冲数目减一；当P3.0为低电平时角度传感器逆时针旋转，脉冲数目减一。
2.3.3理论分析计算
（1）角度的计算
采用E6B2-CWZ5G角度传感器进行测量帆板的角度，其转一周（360度）可形成200次脉冲即一个脉冲可旋转1.8度，由角度传感器向单片机发送脉冲，通过中断来记录下脉冲数m,那么角度传感器最后所测得的角度D即为：
D=m*1.8°（因分辨率要为2所以程序中设置D=m*2°）
（2）脉冲的计算
2.4驱动模块部分
电机驱动调速方案的控制目标是实现电动机的正，反转及调速。
方案一：
电阻网络或数字电位器调整分压，采用电阻网络或数字电位器分压调整电动机的电压，但电动机工作电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二：
采用继电器开关控制，采用继电器控制电动机的开或关，通过开关的切换调整车速。
优点是电路简单，缺点是响应时间慢，可靠性低等。
方案三：
通过L298N构成一个H桥电机驱动电路，通过调节PWM值来调节输入电压，此方法易于实现，通过单片机控制，精度高，易调节。
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片采用15脚封装。
主要特点是：
工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。
内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。
使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。
而且L298N有过电流保护功能，当出现电机卡死时，可以保护电路和电机等。
因此，我们采用安全性更高的L298N驱动芯片来驱动电机。
综上所述，方案三调速特性优良、调速范围广、过载能力强,因此本设计采用方案三。
2.4.1PWM调速原理
1.概述
在如今的现实生活中,自动化控制系统已在各行业得到广泛的应用和发展,其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。
直流电机具有良好的起,制动性能,宜于在广泛的范围内平滑调速,所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。
随着电力电子技术的发展,开关速度更快,控制更容易的全控功率器件MOSFET和GBT成为主流,脉宽调制技术表现出较大的优越性：
主电路简单,需要用的功率元件少；开关频率高,电流容易连续,谐波少,电机损耗和发热都较少；低速性能好,稳定精度高,因而调速范围宽；系统快速响应性能好,动态抗干扰能力强；主电路元件工作在开关状态,导通损耗小,装置效率高。
2.直流电机的工作原理
直流电动机多年来一直用作基本的换能器。
绝大多数的直流电动机都是由电磁力形成一种方向不变的转矩而实现连续的旋转运动的。
大致应用了“通电导体在磁场中受力的作用”的原理,励磁线圈两个端线同有相反方向的电流,使整个线圈产生绕轴的扭力,使线圈转动。
要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩。
关键在于，当线圈边在不同极性的磁极下,如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换,即进行所谓“换向”。
为此必须增添一个叫做换向器的装置,换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向,就可以使电动机能连续的旋转,这就是直流电动机的工作原理。
3.直流电机的调速
根据直流电机的基本原理,有感应电势,电磁转矩以及机械特性方程式可知,直流电动机的调速有三种方法：
调节电枢供电电压U,改变电动机主磁通Φ,改变电枢回路电阻R。
改变电阻调速缺点很多,目前很少采用。
调节电枢供电电压或改变主磁通都需要有专门的可控直流电源,常用的可控直流电源有以下三种：
旋转变流机组,静止可控整流器和脉宽调制变换器。
脉宽调制（PWM:
（PulseWidthModulation）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量,通信到功率控制与变换的许多领域中。
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式,其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置,来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变,这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定,是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点。
由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
简而言之,PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用,方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的,因为在给定的任何时刻,满幅值的直流供电要么完全有（ON）,要么完全无（OFF）。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候,断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够,任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
就PWM控制原理本身来说,它是具有继电特性的本质非线性控制,严格的说,直流PWM系统是一种典型的非线性控制系统,为了使这种非线形系统有良好的工作特性,需对由非线性引起的一些特殊问题,如自激振荡,线性化的条件等进行深一步的研究。
PWM基本原理具体如下所述。
脉宽调制（PWM）,控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。
也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉
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