毕业论文：舵机控制设计(硬件设计).doc

存档编号 华北水利水电大学north china university of water resources and electric power 毕 业 设 计题目 舵机控制设计（硬件设计）_学 院 信息工程学院 专 业 电子信息工程 姓 名 学 号 指导教师 完成时间 2013年 月 日教务处制独立完成与诚信声明本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文）是本人在指导教师的指导下，独立工作所取得的成果并撰写完成的，郑重确认没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。毕业设计（论文）作者签名： 指导导师签名： 签字日期： 签字日期：毕业设计版权使用授权书本人完全了解华北水利水电大学有关保管、使用毕业设计的规定。特授权华北水利水电大学可以将毕业设计的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交毕业设计原件或复印件和电子文档（涉密的成果在解密后应遵守此规定）。毕业设计作者签名： 导师签名：签字日期： 签字日期：i目 录摘 要iabstractii第1章 概述11.1、背景知识介绍11.2、研究现状11.3、设计目的与意义21.4、研究内容与设计任务2第2章 系统总体方案设计42.1、系统框图42.2、功能说明42.2.1、pwm信号输出42.2.2、pwm信号驱动舵机52.2.3、红外通信控制52.2.4、串口通信52.2.5、数码管显示数据52.3、器件与模块选型52.3.1、主控芯片方案选择52.3.2、晶振方案选择62.3.3、显示模块方案选择72.3.4、舵机方案选择72.3.5、无线控制模块方案选择82.3.6、最终选型方案92.4、硬件资源介绍92.4.1、单片机92.4.2、晶振112.4.3、数码管122.4.4、舵机142.4.5、红外发射器、接收头18第3章 硬件设计实现213.1、硬件电路设计213.2、硬件模块设计213.2.1、时钟振荡模块213.2.2、复位模块223.2.3、红外接收模块223.2.4、显示模块233.2.5、舵机模块233.2.6、串口模块24第4章 系统仿真调试254.1、仿真环境介绍254.2、仿真过程254.2.1仿真电路254.2.2仿真结果26第5章 硬件实现与调试285.1、硬件实物285.2、硬件实现与调试295.2.1、硬件实现295.2.2、模块电路检测295.2.3、硬件电路的静态调试305.2.4、硬件电路的动态调试315.3、调试问题与解决325.4、注意事项33第6章 总结与展望34致 谢35参考文献36附 录37摘 要舵机又称微伺服电机，其主要组成部分为伺服电机，包含伺服电机控制电路以及减速齿轮组。伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。舵机转子转速受输入信号控制，并能快速准确反应，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。与其他电机相比，舵机有着精度高、性能好、抗过载能力强、输出功率高、稳定性好、及时性强、噪声低等优点。现代社会，在生产与生活中，舵机所占的比重越来越大，只要是要有动力源，而且对精度有要求的工程一般都可能涉及到舵机，如机床、印刷设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备。所以对舵机的学习与研究是相当有必要的。在本设计中，我们采用单片机来驱动舵机工作，单片机通过改变输出的pwm信号占空比来控制舵机的转角与转速；舵机能够实现正转、反转、自动旋转等功能；我们同时设计了多种控制舵机的方式，分别为红外遥控、上位机串口操纵、蓝牙无线控制等方式，这样来适应不同的工作场合；为了更直观地显示转角，我们采用了四位八段数据管用于实时显示。采用了stc89c52作为主控芯片，舵机型号采用futaba s3003，红外接收发射一体头采用vs 1838 ，蓝牙芯片采用hc-06；利用proteus软件进行仿真调试，依照原理图焊接电路，下载hex文件到单片机。硬件主控芯片能够接收红外发射器或串口发送过来的控制命令，来驱动舵机完成相应的动作。正文将着重介绍硬件选择、工作原理、硬件设计、仿真以及具体实现效果。 关键词：舵机；控制；红外；硬件；iabstractsteering-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 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 can 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 noise 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, 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 work . the single-chip microcomputer system control ithe 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 time,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 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 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 command 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；hardwareiv华北水利水电大学毕业设计第1章 概述1.1、背景知识介绍舵机又称微伺服电机，其主要组成部分为伺服电机，包含伺服电机控制电路以及减速齿轮组。早期在模型上使用最多，主要用于控制模型的舵面，所以俗称舵机。伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。舵机是机电系统的重要执行机构，其早期是应用在航模中控制方向的，在航空模型中，飞行器的飞行姿态是通过调整发动机和各个控制多面来实现的，后来舵机的体积小、重量轻、扭矩大、精度高等优点，舵机在航模、船模、车模、机器人等领域得到广泛应用。在航天方面，导弹姿态变换的俯仰、偏航、滚转运动都是靠舵机相互配合完成的；在机器人领域，舵机很适合做机器人关节驱动；在智能车中，舵机主要用于转弯控制，同时也可用于传感器的摇头控制、刹车控制。1.2、研究现状随着社会生产力的不断发展和科学技术水平的不断提高, 舵机技术也必将得到进一步的发展。传统的舵机为模拟舵机，主要由马达、减速齿轮、控制电路等组成，但模拟舵机对于发射机的细小动作，反应非常迟钝，或者根本就没有反应。而且容易受干扰。在模拟舵机的基础上，数字舵机的控制电路比模拟舵机的多了微处理器和晶振。这使得数字舵机在以下两点与模拟舵机不同：1.处理接收机的输入信号的方式；2.控制舵机马达初始电流的方式，减少无反应区(对小量信号无反应的控制区域)，增加分辨率以及产生更大的固定力量。数字舵机能够适应不同的功能要求，并优化性能，“无反应区”变小；反应变得更快；加速和减速时也更迅速、更柔和；能够提供更高的精度和更好的固定力量。总的来看，舵机的发展可以归纳为以下三个方面:从性能上看, 向高精度、高效率、高可靠性、高适应性方向发展; 从功能上看, 向小型化、轻型化、多功能方向发展; 从层次上看, 向系统化、复合集成化方向发展。 以现代控制理论为控制规律, 实现全数字化、智能化、综合化是未来舵机发展的总趋势。1.3、设计目的与意义一、设计目的在本设计中，主要研究直流伺服系统舵机，通过了解舵机的工作原理与工作方式，我们使用单片机来驱动舵机工作，单片机通过改变输出的pwm信号占空比来控制舵机的转角与转速。二、设计意义（1）、巩固、加深和扩大对单片机和c语言的认识，通过对设计方案的分析，充分掌握和理解设计各部分的工作原理，设计过程，选择芯片器件，模块化编程等多项知识。（2）、培养针对设计的需要，上网查阅有关手册、图表及文献资料的自主学习的能力，同时提高组成系统、编程、调试的能力。（3）、将模拟仿真用单片机具体实现，把理论知识与实践相结合，学习在实践中发现问题并解决问题，将设计制作为成品，使之能够真正可用。（4）、提高分析与解决问题的能力与动手实践的能力1.4、研究内容与设计任务1、 研究内容本设计重点研究以下几个方面：（1） 舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其控制信号是pwm信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。其工作原理与工作方式，这是我们研究的主要内容。（2） 单片机又称为微控制器，它是一种面向控制的大规模集成电路芯片。我们主要通过单片机输出信号来控制舵机进行工作。所以很好地学会使用单片机是不可或缺的。（3） 红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本低的通信方式。我们采用红外遥控来控制舵机，需要了解其编码、解码的原理来实现收发信息。（4） 串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议。我们采用串口通信来与计算机上位机进行通信。需要研究串口通信的原理与执行方式。2、 设计任务通过对以上各项目的研究，本设计使用futaba s3003标准舵机， 其控制信号是pwm信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。主要工作如下：1. 舵机转动角度范围：0度 180度。2. 转动方式：正转、反转、自动。3. 红外遥控控制舵机转动方式。4. 舵机通过串口模块与上位机实现无线串口通信。5. led液晶屏显示转动角度。第2章 系统总体方案设计2.1、系统框图系统主要包括单片机控制系统、红外线发射与接收模块、串口模块、数码管显示驱动模块、舵机模块、上位机等。通过各个模块的协同配合来完成整个系统的运行。设计的系统图如下图（图2.1）所示：led显示模块红外发射器红外发射器51单片机舵 机串口模块上位机图2-1 总体结构框图2.2、功能说明2.2.1、pwm信号输出使用单片机系统实现对舵机输出转角的控制，首先完成两个任务：一是产生基本的pwm周期信号，本设计是产生20ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟pwm信号的输出，并且调整占空比。当系统中需要实现对一个舵机的控制，采用的控制方式是改变单片机的一个定时器中断的初值，将20ms分为两次中断执行，一次短定时中断和一次长定时中断。短中断输出高电平，长中断输出低电平。这样既节省了硬件电路，也减少了软件开销，控制系统工作效率和控制精度都很高。2.2.2、pwm信号驱动舵机舵机根据单片机端口所发出的pwm信号改变旋转位置。pwm信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定舵机的正反转。当舵机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，舵机停止转动。2.2.3、红外通信控制红外发射器发送相应的指令给红外接收头，红外接收头收到指令后，传递给单片机，单片机根据其内的解码程序，获得具体的指令来控制舵机的旋转。红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波；红外接收电路由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成，它们将红外发射器发射的红外光转换为相应的电信号，再送后置放大器。2.2.4、串口通信串口通信采用蓝牙无线通信模块，接收上位机发送来的指令后，通过模块写端写入单片机读端，数据保存在单片机接收缓存区。单片机由内置的解码程序完成相应操作。单片机发送数据给上位机，先将数据保存在发送缓存区，由写端写入蓝牙模块读端，蓝牙模块发送给上位机。由上位机显示数据。2.2.5、数码管显示数据数码管随着舵机的转动显示相应转动角度。单片机在控制舵机的同时发送舵机转动的相对值给对应端口，段选信号控制数据段，位选信号控制显示位。数码管动态显示数据。2.3、器件与模块选型2.3.1、主控芯片方案选择51系列单片机相对于其他单片机（pic、avr等），它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器。其次具有乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。而且其i/o脚的设置和使用非常简单，当引脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各i/o口均置高电平）。另外一个重要原因是使用该芯片的人很多,网上的资料也很丰富，方便我们学习与研究。因此选择51系列作为系统控制芯片，有以下两种方案：方案一:at89c51芯片at89c51有128byte ram，4k rom。它有t0、t1两个16位定时器。方案二：stc89c52芯片stc89c52有256byte ram，8k rom。它有t0、t1、t2三个16位定时器。本设计所及模块所占资源多，考虑到日后对于系统功能的拓展，所以需要选择内存较大的单片机，且pwm信号输出、红外模块、波特率设定各需要一个定时，系统正常工作需要三个定时器同时工作，综合以上考虑选择方案二stc89c52。2.3.2、晶振方案选择方案一：12mhz有源晶振选用12mhz有源晶振。有源晶振需要接电源才能工作，一般有四个引脚，其中有两个电源输入引脚，有正负极之分。方案二：12mhz无源晶振无源晶振有两个引脚，没有所谓的正负极，不需要外接电源，需要外部电路配合才能振荡，价格低廉。一般由于一个机器周期是12个时钟周期，选用12mhz晶振时，一个机器周期是1us，方便计算，而且速度相对是最高的。方案三：11.0592mhz无源晶振该晶振在计算时钟、串口通信波特率等运算中能够得到一个整数，使通信波特率更精确、串口通信的可靠性更高、计算的结果更加精确与方便。例如波特率为9600bps，振动频率为11.0592mhz的单片机每个机器周期为（12/11.0592）us。，每位间隔机器周期个数为(1/9600)/(12/11.0592 * 10) = 96（即个数=波特率位/机器周期）,结果正好为整数。经过三种方案的比较，选用方案三。在本设计中晶振无需连接电源故选择无源晶振。同时由于本设计中需要使用到串口通信，为使使通信波特率更精确故选用11.0592mhz的无源晶振。2.3.3、显示模块方案选择方案一：点阵显示。点阵是由八行八列的l e d 管集成在一块电路上组成，主要用来显示汉字，同时也能显示数字和少量图象，但它的焊接较麻烦，价格高。方案二：l e d 数码管静态显示。此方案电路容易理解且驱动的程序简单，但需多片七段译码器驱动显示，这不仅增加了成本，还占用单片机多个i / o口，也给电路的焊接带来一定的困难。方案三：采用l e d 数码管动态扫描显示。此方案价格低廉，不仅减少了对i / o 口的浪费，而且能够同时驱动多个数码管。方案四：采用l c d 液晶显示。l c d 由k s 0 1 0 8 驱动，能显示大量数据、文字、图形，显示的位数多，字体清晰多样、美观，而且外部接线较简单。 但价格较贵，驱动原理较复杂。经过四种方案的比较，本设计只需要显示舵机转动角度，不需要显示复杂数据。因此只要选择方案三，使用l e d 数码管动态扫描显示即可。2.3.4、舵机方案选择方案一：模拟舵机模拟舵机：电子电路中无mcu微控制器，舵机根据接收到模拟电压控制指令和机械连动位置传感器（电位器）反馈电压之间比较产生的差分电压，驱动有刷直流电机伺服电机正/反运转到指定位置。价格低廉。但精确、反应速度较低。方案二：数字舵机数字舵机电子电路中带mcu微控制器，其内部直流伺服电机控制芯片处理接收机的输入信号的方式。然后控制舵机马达初始电流的方式，减少无反应区(对小量信号无反应的控制区域)，增加分辨率以及产生更大的固定力量。有着反应速度更快，无反应区范围小，定位精度高，抗干扰能力强等优势。但价格昂贵，需要消耗更多的动力。通过对两种方案的比较，由于本设计着重研究舵机的控制方式，对舵机的准确度与精确度的要求并没有那么严格。且考虑到成本问题。故选择方案一，使用模拟舵机。2.3.5、无线控制模块方案选择方案一、红外通信模块红外通信模块是一种利用红外线进行点对点通信的技术，应用广泛。其主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。并且还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。但其不足在于它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其它物体阻隔，因而该技术只能用于2台设备之间的连接。方案二、wifiwi-fi正式名称是ieee802.11b，属于短距离无线通信技术。wi-fi是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高约11mb/s的速度接入web。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100 m左右。wifi的信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外。方案三、蓝牙通信模块蓝牙通信模块能够使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作。但其价格过于昂贵，芯片大小和价格难以下调、抗干扰能力不强、传输距离太短、信息安全性强等等。通过对以上三种方案的分析，由于红外模块编解码简单、价格低廉，无线控制模块只需要实现对舵机简单的控制，无需复杂的功能。故选择方案一，使用红外通信模块。2.3.6、最终选型方案经过以上的分析，系统在设计的过程中主要选取了以下器件：单片机：stc89c52晶振：11.0592mhz无源晶振数码管：四位八段数码管mt04041ar舵机：模拟舵机futaba s3003红外发射器：车载mp3红外遥控器（nec编码）红外接收头：vs1838b2.4、硬件资源介绍2.4.1、单片机stc89c52rc单片机是新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。1、 主要特性主要特性如下：增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051；工作电压：5.5v3.3v（5v单片机）/3.8v2.0v（3v单片机）；用户应用程序空间为8k字节；片上集成512字节ram；通用i/o口（32个），复位后为：p1/p2/p3/p4是准双向口/弱上拉，p0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为i/o口用时，需加上拉电阻；共3个16位定时器/计数器，即定时器t0、t1、t2；外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，power down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；通用异步串行口（uart），还可用定时器软件实现多个uart。2、 引脚及功能介绍stc89c52rc引脚功能说明：vcc（40引脚）：电源电压vss（20引脚）：接地p0端口（p0.0p0.7）：p0口是一个漏极开路的8位双向i/o口。在访问外部程序和数据存储器时，p0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。此时，p0口内部上拉电阻有效。在flash rom编程时，p0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。图2.2 stc89c52rc引脚图p1端口（p1.0p1.7）：p1口是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。p1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。p2端口（p2.0p2.7）与p3端口（p3.0p3.7）：p2、p3口是带内部上拉电阻的8位双向i/o端口。对端口写入高电平时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。两者作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。p3口除作为一般i/o口外，还有其他一些复用功能，如下表所示：表2-2 p3口引脚复用功能引脚号复用功能p3.0rxd（串行输入口）p3.1txd（串行输出口）p3.2（外部中断0）p3.3（外部中断1）p3.4t0（定时器0的外部输入）p3.5t1（定时器1的外部输入）p3.6（外部数据存储器写选通）p3.7（外部数据存储器读选通）rst（9引脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。xtal1（19引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。xtal2（18引脚）：振荡器反相放大器的输入端。stc89c52rc除了有定时器/计数器0和定时器/计数器1之外，还增加了一个一个定时器/计数器2.定时器/计数器2的控制和状态位位于t2con和t2mod。定时器2是一个16位定时/计数器。通过设置特殊功能寄存器t2con中的c/t2位，可将其作为定时器或计数器。定时器2有3种操作模式：捕获、自动重新装载（递增或递减计数）和波特率发生器，这3种模式由t2con中的位进行选择。2.4.2、晶振石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。每个单片机系统里都有晶振，全称是晶体震荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，它结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。2.4.3、数码管图2-4数码管实物图 图2-5数码管引脚图一、分类数码管按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。图2-6共阳原理图共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(com)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极com接到+5v，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。图2-7共阴原理图共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(com)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极com接到地线gnd上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。下表列出了共阳和共阴极led显示器显示数字、字母与显示代码之间的对应关系： 表2-3 代码对应表显示字符共阴极段码共阳极段码显示字符共阴极段码共阳极段码03fhc087fh80h106hf996fh90h25bha4a77h88h34fhb0b7ch83h466h99hc39hc656dh92hd5eha1h67dh82he79h86h707hf8f71h8eh二、驱动方式数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。数码管静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的i/o端口进行驱动，或者使用如bcd码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用i/o端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要58=40根i/o端口来驱动，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极com增加位选通控制电路，位选通由各自独立的i/o线控制，当单片机输出段选信号时，所有数码管都接收到相同的段选信号，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通com端电路的控制，所以只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的com端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的i/o端口，而且功耗更低。2.4.4、舵机1、 舵机的选择舵机选用futaba s3003型号舵机。futaba s3003是塑料外壳模拟舵机，速度为 0.23秒/60度(4.8v)、0.19秒/60度(6v)，力矩为3.2kg/cm(4.8v)，转动角度：180度(左右各90)。是市场上比较常见的舵机，有着性能好、扭力大、价格实惠等优点。 2、 舵机介绍1、 舵机的结构 舵机简单的说就是集成了直流电机、电机控制器和减速器等，并封装在一个便于安装的外壳里的伺服单元。能够利用简单的输入信号比较精确的转动给定角度的电机系统。 舵机安装了一个电位器（或其它角度传感器）检测输出轴转动角度，控制板根据电位器的信息能比较精确的控制和保持输出轴的角度。这样的直流电机控制方式叫闭环控制，所以舵机更准确的说是伺服马达，英文servo。 舵机的主体结构如下图所示，主要有几个部分：外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路。简单的工作原理是控制电路接收信号源的控制信号，并驱动电机转动；齿轮组将电机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度；电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。图2-8舵机结构图2、技术规格当今使用的舵机有模拟舵机和数字舵机之分，不过数字舵机还是相对较少。下面的技术规格同时适用与两种舵机。 舵机的规格主要有几个方面：转速、转矩、电压、尺寸、重量 、材料等。我们在做舵机的选型时要对以上几个方面进行综合考虑。 (1)、转速 转速由舵机无负载的情况下转过60 角所需时间来衡量，常见舵机的速度一般在0.11/60 0.21s/60之间。 图2-9舵机转速(2)、转矩 舵机扭矩的单位是kgcm，这是一个扭矩单位。可以理解为在舵盘上距舵机轴中心水平距离1cm处，舵机能够带动的物体重量。 图2-10舵机转矩(3)、电压 速度、转矩数据和测试电压有关，在4.8v 和6v 两种测试电压下这两个参数有比较大的差别。如futaba s-9001 在 4.8v 时扭力为 3.9kg 、速度为 0.22 秒，在 6.0v 时扭力为 5.2kg 、速度为 0.18 秒。若无特别注明，jr 的舵机都是以 4.8v 为测试电压，futaba则是以 6.0v 作为测试电压。 舵机的工作电压对性能有重大的影响，舵机推荐的电压一般都是 4.8v 或6v。较高的电压可以提高电机的速度和扭矩。(4)、尺寸、重量和材质 舵机的功率（速度转矩）和舵机的尺寸比值可以理解为该舵机的功率密度，一般同样品牌的舵机，功率密度大的价格高。 塑料齿轮的舵机在超出极限负荷的条件下使用可能会崩齿，金属齿轮的舵机则可能会电机过热损毁或外壳变形。所以材质的选择并没有绝对的倾向，关键是将舵机使用在设计规格之内。金属齿轮箱在长时间过载下也不会损毁，最后确是电机过热损坏或外壳变形，而这样的损坏是致命的，不可修复的。塑料出轴的舵机如果使用金属舵盘是很危险的，舵盘和舵机轴在相互扭转过程中，金属舵盘不会磨损，舵机轴会在一段时间后变得光秃，导致舵机完全不能使用。 综上，选择舵机需要在考虑所需扭矩和速度，并确定使用电压的条件下，选择有150%左右甚至更大扭矩富余的舵机。3、工作原理以futaba-s3003型舵机为例，下图是fufaba-s3003型舵机的内部电路。图2-11 futaba-s3003内部电路图舵机的工作原理是：pwm信号由接收通道进入信号解调电路ba66881的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差由ba6688的3脚输出。该输出送人电机驱动集成电路ba6686，以驱动电机正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，直到电压差为o，电机停止转动。舵机的控制信号是pwm信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。4、舵机的控制方法标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如下图所示。图2-12 标准舵机电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源电压通常介于46v，一般取5v。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用下图来表示。图2-13 舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系2.4.5、红外发射器、接收头红外发射器使用车载mp3红外遥控器。是比较常见的红外发射器，采用nec编码协议。红外接收头选用一体化红外接收头vs1838b(见下图)。vs1838b是内屏蔽封装的一体化红外线接收器，它是一种集红外线接收、放大、整形于一体的集成电路，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与 ttl 电平信号兼容的所有工作，没有红外遥控信号时为高电平，收到红外信号时为低电平，而体积和普通的三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输.图2-14 vs1838实物图红外线接收头(又称红外线接收模组,irm)是集成红外线接收pd二极管、放大、滤波和比较器输出等的ic模块。常用的一种红外接收头的外形，均有三只引脚，即电源正vdd、电源负(gnd)和数据输出(out)。接收头的引脚排列因型号不同而不尽相同，因接收头的外形不同而引脚的区别。红外接收头的主要参数如下：工作电压：2.74.5v ；工作电流：1.72.7ma 接收频率：37.9khz ；峰值波长：940nm ；静态输出：高电平；输出低电平：0.4v；输出高电平：接近工作电压红外接收头具有以下特性：小型设计;内置专用ic;宽角度及长距离接收;抗干挠能力强;能抵挡环境干挠光线;低电压工作;三、工作原理通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，如下图所示。发射部分包括键盘、编码调制、led红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。图2-15红外遥控系统框图红外发送协议：引导码+用户识别码+系统反码+操作码+操作反码各种编码的作用1 引导码: 就是一把钥匙,单片机只有检测到了引导码出现了才确认接收后面的数据 ,保证数据接收的正确性.一般的红外发射芯片比如日本nec的upd6121g 定义的引导码为9ms的高电平加4.5ms的低电平(4.5ms的低电平也叫结果码).2 用户识别码: 为了区分各红外遥控设备,使之不会互相干扰.3 操作码: 用户实际须要的编码,按下不同的键产生不同的操作码,待接收端接收到后根4 操作反码: 为操作码的反码,目的是接收端接收到所有数据之后,将其取反与操作码比较,不相等则表示在传输过程中编码发生子变化,视为此次接收的数据无效,可提高接收数据的准确性. 图2-16 遥控信号的周期性波形. 解码原理：红外一开始发送一段13.5ms的引导码，引导码由9ms的高电平和 4.5ms的低电平组成，跟着引导码是系统码，系统反码，操作码，操作反码，用户真正须要的只有操作码，如果按着键不放，则遥控器则发送一段重复码，重复码由9ms的高电平，2.25ms 的低电平，跟着是一个短脉冲。红外接收头当接收到38khz的红外线时其输出低电平。静态时其输出为高电平 。第3章 硬件设计实现3.1、硬件电路设计以下是用protel画的硬件电路图：图3-1硬件电路图3.2、硬件模块设计3.2.1、时钟振荡模块51单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚xtal1和xtal2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如下图所示。图3-2晶振图3.2.2、复位模块本设计中采用了上电复位的方式。rst引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。这佯只要电源vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。见下图：图3-4复位原理图3.2.3、红外接收模块本设计采用的是vs1838红外一体接收头。vs1838是一颗集接收电路、调制解调电路、低通滤波、放大电路和控制电路为一体的集成接收头，一共有三个引脚输出其中一个是电源一个是接地另一个则是输出，这样就大大方便了我们的使用。由于vs1838内部集成了强大的信号处理功能，所以在本设计中使用这个vs1838的接收头的时候只需直接连接单片机端口即可，见下图图3-6 vs1838应用电路3.2.4、显示模块本次设计采用的共阴极连接，为了节省单片机i/o口采用动态显示方式，p0发送八位段选信号，p2发送四位位选信号，其中端口p2.0、p2.1、p2.2、p2.3分别显示转动角度的百位、十位、个位以及转动方向。由于p0片内无上拉电阻，而且当p0为i/o口工作状态时，上方fet被关断，从而输出脚浮空，因此p0用于输出线时为开漏输出。由于片内无上拉电阻，上方fet又被关断，p0输出1时无法拉升端口电平。所以p0口需接上拉电阻，来给信号线提供一个驱动电压。见下图：图3-7显示模块3.2.5、舵机模块舵机端口分别连接单片机pwm输出端口、电源线、地线。舵机根据单片机端口所发出的pwm信号改变旋转位置。原理图见下图：图3-8舵机模块3.2.6、串口模块采用集合的hc-06蓝牙从模块。初始通讯参数为9600，n，8，1，在配对之前（即配对指示灯闪烁时）发送修改波特率命令。确保硬件连接如下：带底板的四个接口，第一脚接外接电源（3.3至5v），第二脚接地线，第三脚（rxd）接单片机p3.2(txd)，第四脚（txd）接单片机p3.1(rxd)。使用超级终端或串口调试助手打开电脑对应com口，输入文本进行手动发送。特别说明:主从机只要配对上即可通信,主从之间的波特率是不需要一致的,因为主从之间是走蓝牙协议的,而不是串口协议的