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1、 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸编号： Z74 毕业设计说明书课 题：舵机的数字化控制器设计学 院： 电子工程与自动化学院 专 业： 自动化 学生姓名： 学 号： 0700320202 指导老师： 职 称： 高级工程师 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2011 年 05 月 02日摘 要在相当长的时间里，计算机作为科学工具，在科学技术的神圣殿堂里默默地工作，而工业现场的测控领域并没有得到真正的实惠，进入21世纪后，由于电子技术的迅猛发展，新型电子产品的更新换代速度越来越快，以单片机为核心构成的智能化产品具有体积小、功能强、应用面广，使用灵活、价格便宜、
2、工作可靠等优点，目前正以前所未有的速度取代着传统电子线路构成的经典系统。与单片机相结合，计算机才真正地走进寻常百姓之家，成为广大工程技术人员现代化技术革新、技术革命的有利武器。本文针对舵机数字化控制器的设计，研究其硬件电路设计、软件程序设计和关键算法。在分析舵机控制的性能要求和相关控制方法的基础上，提出了基于上位机和下位机的控制结构，通过串口通信传输数据和指令，从而实现舵机控制。本设计以ATmega8L为核心，利用模拟舵机的机械部分，其中包括小型直流电机和一个反馈可调电位器，直流电机用H桥芯片LG9110来驱动，电位器进行角度测量，通过单片机的内部A/D转换来反馈实时角度，单片机用PID算法实
3、现角度控制，PID算法的作用为减小系统的超调和静差，加快系统的响应速度。上位机通过RS232串口与单片机进行通信，舵机根据上位机所设定的角度，利用PWM信号驱动LG9110控制电动机转动，系统通过上位机来设置舵机地址、波特率、给定角度。经过实际调试验证，舵机角度在-90度+90度范围内可由上位机设定，精度为0.5度，符合设计要求。关键词：舵机；单片机；角度控制；PID；PWMAbstractFor a long time ,as the Scientific tool, computer work quietly in the sacred temple of computer Science
4、, but the field of Measurement and Control in Industrial site have not been real benefits. In the 21st century, As the rapid development of electronic technology, the speed of replacement of new electronic products become faster and faster. Intelligent product ,using The MCU as the core, is small, p
5、owerful, wide range of applications, practical and flexible, cheap, reliable, etc. and it replace the classical system that composed of traditional electronic circuit with unprecedented speed in current. Combining with the MCU, the computer was really into the family of ordinary people, and become t
6、he powerful weapon of technological innovation and technological revolution for the engineers and technicians. For Design process of Digital controller of the steering gear, This article mainly Research The hardware circuit design, software design and key algorithm. On the basis of analysis of the s
7、ervo control performance requirements and associated control method, we proposed the control structure based on PC and lower computer, and transfering data and instructions by Serial communication, then we achieve the Servo control. This article use ATmega8 as the core, use the mechanical part of An
8、alog Servo which include small DC Motor and a feedback Adjustable potentiometer, and the DC drives with H bridge chip LG9110, angle measurement with potentiometer, feed back real-time perspective with microcontrollers internal A/D conversion. SCM to achieve angle control with PID algorithm whose fun
9、ction are reducing the system overshoot and static error and speeding up the system response. PC communicates with the MCU with RS232 serial port. according to the perspective of PC and using PWM signals to drive LG9110, the Servo control the motor turning. System set the servo address, baud rate, g
10、iven angle through PC. After the actual debugging authentication, Servo set by PC in the range of -90 degrees to +90 degrees, Accuracy is 0.5 degrees and meet the design requirements.Key words：Servo Motor; Microcontroller; Angle control; PID; PWM目 录引言11 舵机控制系统概述21.1 舵机工作原理21.2 PID控制算法21.2.1 PID控制系统的
11、原理和特点21.2.2 增量式PID算法41.2.3 PID控制器参数的工程整定方法42 AVR单片机概述52.1 AVR单片机的优势特征52.2 ATmega8L单片机的特点62.2.1引脚说明82.2.2 A/D转换器92.2.3脉宽调制PWM原理103 串口通信123.1 串口通信的作用123.2 RS-232C接口和MAX232芯片简介123.3 MAX232芯片引脚描述及其应用123.3.1 MAX232应用电路介绍133.3.2串口模块原理图设计144 驱动芯片154.1 电机驱动芯片LG9110154.2 电机驱动芯片L293D165 硬件设计思路185.1 系统基本原理185.
12、2 系统硬件设计195.2.1 原理图说明196 系统软件设计206.1 系统主程序206.1.1主程序设计要点206.1.2主程序流程图206.1.3 PID子程序流程图226.1.4 程序设计思路226.1.5 PD子程序说明236.2 系统仿真246.3 上位机266.3.1 MSComm控件原理266.3.2上位机运行结果277 系统调试297.1 硬件调试297.2 软件调试308 结论31谢 辞32参考文献33附 录34桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第50页 共52页引言 随着高新技术在测控领域中的应用，有力地促进了控制的系统化和精确化，然而，经典的反馈控制、现代控制和
13、大系统理论在应用中遇到不少难题。首先，这些控制系统的设计和分析都是建立在精确的系统数学模型的基础上的，但是各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳、定性与自适应能力的要求越来越高，被控对象或过程的非线性、时变性、多参数点的强烈耦合、较大的随机扰动、各种不确定性以及现场测试手段不完善等，使难以按数学方法建立被控对象的精确模型；其次，为了提高控制的性能，整个控制系统变得极其复杂，增加了设备的投资，降低了系统的可靠性。人工智能的出现和发展，促进了自动控制向更高的层次，即智能控制发展。基于单片机的智能控制系统，使得舵机等伺服系统的模块化和数字化更容易实现，极大的促进了控制精度、响应速度等控制要
14、求的提高。舵机作为一种伺服电机属于闭环控制系统，和一般的直流电机、交流电机相比具有较高的控制精度，步进电机虽然也具有一定的控制精度但仍然属于开环结构。于是舵机在机器人关节控制和航模转舵控制等需要精确控制而又没有很高载荷的系统中就显得十分经济实用，在航空航天仪器、雷达、导弹、智能自适应仪器、各种武器电子和抗恶劣环境电子等系统中也得到广泛应用。1 舵机控制系统概述1.1舵机工作原理舵机，又名伺服电机，主要是由外壳马达、减速齿轮和电位器构成。舵机主要适用于那些角度不断变化并可以保持的控制系统，比如人形机器人的手臂和腿，车模和航模的方向控制。舵机工作原理：舵机本质上是可定位的马达，它的内部包括了一个小型直流马达、一组变速齿轮组、一个反馈可调电位器和一块电子控制板。它是一个典型闭环反馈系统1，减速齿轮组由马达驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生调整脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令调整脉冲趋于为0，从而达到使舵机精确定位的目的。简单的说就是发一个控制信号给舵机，经过电路板判断转动方向，再驱动马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由电位器检测送回信号，判断是否已经达到指定位置。数字舵机(Digital Servo)和模拟舵机(Ana
