舵机远距离数字控制

毕业设计（论文） 课题 舵机远距离数字控制 专业 交通安全与智能控制摘要 现在小型船舶采用的模拟电子控制舵机技术存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时受到限制。并且反馈电位器长时间磨损和腐蚀也造成舵角控制的不确定。另外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，但是任然是机械式的控制，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STC89C52单片机作为核心控制器，ARM2148作为辅助控制器，E6B2-CWZ5G作为角度传感器，远程控制舵机的左右偏转 ，并通过主控制器STC89C52单片机控制的LCD1602显示器实时显示舵机偏转角度。其中主控制器与辅助控制器之间通过串口线进行数据传输，从而实现对舵机的远程控制。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，增加载重辆。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，还可以实现轮船的自动导航驾驶.关键词：STC89C52 ARM2148 角度传感器 LCD1602Abstract now the small vessels of analog electronic control steering technology in long transmission distance, line vulnerable to external interference, steering gear deflection Angle will be uncertain stability defect, make this kind of equipment in the remote control when using limited. And feedback potentiometer long wear and corrosion also causes rudder Angle control of uncertain. Another analog circuit and power supply drift, often also makes the rudder Angle display cant satisfy the use requirement. Although large ship now mostly use electric steering wheel or hydraulic steering, but still is mechanical control, and the reaction rate and by the person sensitivity decision, error range is very large, accuracy is not high.This design to STC89C52 single-chip microcomputer as the core controller, ARM2148 as supplementary controller, E6B2 - CWZ5G as Angle sensor, remote control steering left deflection, and through the main controller STC89C52 single-chip microcomputer control LCD1602 display real-time display steering gear deflection Angle. Among them main controller and auxiliary controller through a serial port line between data transmission, so as to realize the remote control of steering gear. The digital control of steering gear can avoid analog control brought about by the accuracy is not high, error larger poor stability problem and realize the steering gear control light-duty and miniaturization, saves the hull space, increase the load car. Digital control steering gear and the combination of the power system, combined with the present GPS and GIS technology, but also can realize the automatic navigation driving.Keywords: STC89C52 ARM2148 LCD1602 Angle sensor一、整体设计与论证 1、方案选择：1）主控制器：主控制器采用的是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。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。在本设计中，STC89C52单片机主要负责两项工作。一是接收控制按键给出的指令并通过串口线发送给辅助控制器LPCARM2148，使得辅助控制器LPCARM2148能够及时根据指令改变舵机偏转方向。二是及时更新LCD1602液晶显示屏，将此时舵机偏转角度显示出来。2） 辅助控制器：3） 在本设计中采用LPCARM2148作为辅助控制器，之所以选择ARM2148是因为其采用的3级流水线模式增加处理器指令流速度，这样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。对代码规模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USB 2.0 全速器件、多个UART、SPI、SSP到I2C 总线）和8kB40kB 的片内SRAM，它们也非常适合于通信网关、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区和强大的处理功能。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，使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的作用是实时检测角度传感器偏转角度，并将检测的值同STC89C52单片机通过串口线传输过来值进行对比，如果二者值不相同，就及时修正舵机偏转方向，使之与单片机给出的指令保持一致。3）角度检测部分角度的检测电路我们选择的是E6B2-CWZ5G角度传感器，这种角度传感器是一种增量式的旋转译码器，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）。这种增量旋转编码器输出精度高，性能不会因为时间缘故发生变化，舵机电动执行模块的同心连接轴连接增量旋转编码器轴。编码器轴被动旋转时，内部电路会根据旋转方向和角度大小，给出相应高低电平形式数字信号。传输给角度编码导线与之相连的角度处理传输模块。在接合数字电路特别是ARM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所示图1 增量式旋转编码器 通过输出波形图可知每个运动周期的时序如下表所示。我们把当前的A,B输出值保存起来，与下一个A,B输出值做比较，就可以轻易的得出角度码盘的运动方向，4）驱动部分部分 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, 5）显示部分 方案一：数码管显示七段八位二进制数码显示器分为动态显示和静态显示两种：静态显示方式编程简单，显示便于监测和控制，但占用单片机的I/O端口线多，同时硬件电路复杂，成本高，只适合显示位数较少的场合；动态显示方式显示位数较多可以节省I/O端口，但硬件电路简单；不管是静态显示的方式还是动态显示的方式都只能显示数字不能显示字符和汉字，对于整体的显示还是不够完美。方案二：LCD液晶显示LCD1602液晶显示器是一种低功耗的显示器件，它不仅省电而且能够显示大量的信息，如文字、曲线、图形等，显示质量高，数字式接口于单片借连接更加简单可靠，操作方便。综上，我们采用方案二来作为显示模块。 2、 方案描述： 在驾驶室，当驾驶员需要改变船舶行驶方向时，可以通过方向控制器上的按钮调节舵机偏转角度。STC89C52单片机不断检测控制器上的按钮。当驾驶员对控制器进行操作时，STC89C52单片机检测到控制器的变化，并将检测的值通过串口线发送给ARM2148辅助控制器。而在船尾，ARM2148辅助控制器也不断检测STC89C52单片机通过串口线发送给自己的值，并将检测的值同自己检测到的舵机偏转的值进行比较。如果两者相同，则继续检测；，由主控制器通过电机驱动模块控制舵机进行相应角度的偏转。而当舵机偏转时，带动与之相连接的角度传感器转动，角度传感器进行编码，这些编码被核心控制器获得，并将获得的数据通过串口线发送给STC89C52单片机，由STC89C52单片机将获得的数据通过LCD1602液晶显示器显示出来。同时驾驶员也可以通过驾驶室的液晶显示屏实时掌握舵机偏转情况，以便及时进行修正。液晶显示器角度传感器辅助控制系统 串口线主控制系统按键控制电机驱动模块图2 系统方案框图二、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舵机偏转的角度E6B2-CWZ5G角度传感器旋转一周共有200个代码，因此一次脉冲即为1.8，由角度传感器向ARM2148主控制器发送脉冲，通过中断来记录下脉冲数m,即可知道舵机偏转角度。角度传感器最后所测得的角度D即为：D=m*1.8 2、脉冲的计算先测量将舵机偏转5时所需要的脉冲数p，然后当已经给出了角度为x时，所需要的脉冲数N即为:N=(x/5)*p三、系统硬件设计图3.1电源的设计图3 电源原理图3.2 主控制器电路设计 3.2.1 主控电路复位电路 单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。在复位电路中，电容在上接高电平，电阻在下接地，中间为RST。这种复位电路的工作原理是：通电时，电容两端相当于是短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始正常工作。复位电路通常有两种，一种是上电复位电路，另一种是上电复位兼手动复位电路，简称手动复位电路。 左图是上电复位电路，RST高电平复位有效。开机上电瞬间，电源经过R1和IC给C1充电，即电流经C1流向RST电容充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，RST得到高电平，IC即复位。复位完毕以后，C1充电停止不再有电流流过，RST经R1接地为低电平，电路进入工作状态。C1和R1构成时间常数，这里的时间常数是10X10K=0.1秒，实际电路不会用电解电容来做复位电路，原因是电解电容的漏电流较大，工作不可靠，通常选用瓷片电容 右图是上电复位兼手动复位电路。10电容和R2电阻，与图1起着相同作用外，还起着另一个作用，即防抖动，C1和R1的组合使RST只送入一个高电平的脉冲。当按下按键时，RST直接与VCC相连，为高电平形成复位，同时电解电容被短路放电；按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻上，RST依然为高电平，仍然是复位，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，正常工作。在本设计中，主控电路设在驾驶室，出于方便控制因素考虑，选用手动复位电路.3.2.2 主控电路单片机最小系统电路介绍 3.2.3 晶振电路: 单片机最小系统晶振可以采用6MHz或者11.0592MHz，典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作)51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用1533pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。3.2.4显示电路设计显示电路如图4所示。显示电路采用LCD1602实现。图4 液晶显示3.3 串口电路设计 本设计的有益效果是电路采用全数字信息处理，信息传输采用串行导线采用的RS232协议可以将数据远传，能够保障系统长期可靠的工作，这一点在运输工具安全性能上尤为重要。在本设计中设计串口电路来完成主控制器STC89C52同辅助控制器ARM2148的通信。RS232接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。 RS-232接口又称之为RS-232口、串口、异步口或一个COM（通信）口。RS-232是其最明确的名称。 在计算机世界中，大量的接口是串口或异步口，但并不一定符合RS-232标准，但我们也通常认为它是RS-232口。 严格地讲RS-232接口是DTE（数据终端设备）和DCE（数据通信设备）之间的一个接口，DTE包括计算机、终端、串口打印机等设备。DCE通常只有调制解调器（MODEM）和某些交换机COM口是DCE。标准指出DTE应该拥有一个插头（针输出），DCE拥有一个插座（孔输出）。这经常被制造商忽视（如:WYSE终端就是孔输出DTE串口）但影响不大，只要搞清楚DCE、DTE就行了，然后按照标准接线图接线就不会错了。（DTE、DCE 引脚定义相同）RS-232接口引脚定义在本设计中，只有STC89C52同辅助控制器ARM2148的通信 ，因此只需采用串口异步通信即可，如图所示3.4驱动电路设计 L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机， 5（IN1），7（IN2），10(IN3)，12(IN4)脚接输入控制电平，控制电机的正反转，这四个引脚输入PWM脉冲，假设IN1输入一个PWM脉冲，IN2输入与IN1相反的PWM脉冲电机正转，相反的PWM可以由程序设置或者在IN2的输入前加一个反相器也可实现，建议使用程序设置方便简单，以减少硬件电路避免出现更多问题，若要实现电机的反转，则IN1、IN2输入与正转相反的脉冲即可实现， EN1、EN2接控制使能端，控制电机的停转。当使能端为低电平时，芯片不会工作。L298使能端为高电平使能，使能端EN1、EN2可以接I/O口控制也可直接接电源正一直使能，至于使能端是接固定电平还是接I/O口，是具体情况而定，若I/O口资源够用可接I/O口控制，若I/O口不够用，可直接接高电平，同时，控制电机的PWM脉冲也可以从两个使能端输入，那么四个输入引脚IN1、IN2、IN3、IN4只需设置为相应的高低电平可以控制电机的正反转，假如IN1给固定高电平，IN2给固定低电平电机正传，那么IN1给低IN2给高就可实现反转，IN3、IN4同理。四 系统软件整体流程图设计开始 4.1 LPCARM2148程序设计左转（大于现有角度）度）右转（小于现有角度）检测串口向单片机发送角度检测限位开关初始化各种参数偏转 N Y N和现有角度对比 Y Y 4.2 STC89C52 程序设计 开始初始化检测ARM判断检测 no 显示零度 yes 控制器中 断检测 no yes 中断判断 中断2（减少）中断1（增加）更新显示 将指令发送给arm五 小结。在本次设计与制作的过程中，所运用的知识囊括了大一、大二两年的专业内容，可以说这次的毕业设计题目设计不仅是对旧知识的全面复习，更是对我们这两年所学知识的系统测试与考察。虽然在其间曾遇到很多困难，但本组队员斗志昂扬，在我们的团结协作、共同奋斗下基本将问题一一克服。这次比赛使我们受益颇多，不仅让我们深刻体会到了理论与实践相结合的重要性，同时团队协作的意识是一个项目设计制作中非常重要的条件，只有在本组成员之间的相互支持、鼓励以及合理的分工协作，才能达到事倍功半的效果。而且我们更加期待此类型电子设计大赛的开展，我们一定还会积极参与，全力以赴的在实践中提高自己的实践能力，在不断探索和尝试中学习成长。对于本设计硬件和软件，如果在时间允许范围内，可以将其进一步完善，主要思路是对软件部分进行优化，具体优化方法是实现STC89C52单片机和ARM2148的互相通信。当驾驶员对控制器进行操作时，STC89C52单片机将获得的指令通过串口线发送给ARM控制器，由ARM控制器通过电机驱动模块控制舵机进行相应角度的偏转。而当舵机偏转时，带动与之相连接的角度传感器转动，角度传感器进行编码，这些编码被核心控制器ARM2148获得，并将获得的数据通过串口线发送给STC89C52单片机，由STC89C52单片机将获得的数据通过LCD1602液晶显示器显示出来。同时驾驶员也可以通过驾驶室的液晶显示屏实时掌握舵机偏转情况，以便及时进行修正。这样的一个带反馈的电路，使得显示器直接监控舵机偏转方向，避免了可能出现的在主控制器同辅助控制器之间通信断裂的情况下，驾驶员不能及时发现问题的情况的发生。六