一种基于单片机的舵机驱动装置的制作方法

本发明属于设备驱动技术领域，涉及一种基于单片机的舵机驱动装置，采用国产8位单片机STC15W4K60S4作为控制核心，实现驱动能力强、性能稳定和成本低廉的功效。

背景技术：
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舵机最早是船舶上的一种大甲板机械，用于控制船舶转向，而在航天方面，舵机也应用广泛，导弹姿态变换的俯仰、偏航、滚转运动等都是靠舵机相互配合完成的。舵机也叫伺服电机，由于其可以通过程序连续控制其转角，因而也被广泛应用于遥控航空、航天模型、智能机器等场合，以实现控制动作、改变转向以及机器人各类关节运动等功能。舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器等构成，其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位；其作为转向的控制机构，具有体积小、力矩大、外部机械设计简单、稳定性高等特点，无论是在硬件设计还是软件设计方面，舵机设计均是智能机器人和航天模型等控制部分重要的组成。

舵机的动作是由控制芯片输出的特定PWM来进行控制的，而PWM的产生则是由预先下载写入到微控制器中的程序来控制的。当外部系统应用了较多的舵机时，采用专门的驱动板来完成每个舵机的驱动，能够有效提高工作效率、简化系统结构。现有技术中的舵机驱动板大都存在两方面的缺陷：一方面售价昂贵，特别是能驱动二三十路以上舵机的驱动板，其价格对于普通研究者和业余爱好者都是难以接受的；另一方面，现有技术中很少有公开舵机驱动板的控制芯片型号的，例如中国专利ZL 201610158159.5公开的一种多关节小型机器人电控系统，中国专利ZL 201510918141.6公开的一种基于刚柔一体化印制板的飞行控制器等，均未明确公开驱动舵机的控制芯片型号，而且检索现有的专利技术，很难检索到有关于舵机驱动板的相关内容，使得很多研究者对控制芯片性能和成本等方面的参数无法进行准确评估和深入研究。因此本申请设计出一种基于STC15W4K60S4的舵机驱动板，能够驱动多路舵机完成各种动作。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计一种基于STC15W4K60S4单片机的舵机驱动装置，驱动舵机的数量在18-22路以上，能够满足绝大多数用户的基本需求。

本发明涉及的舵机驱动装置主体结构包括电源模块、主控模块、串口模块和PWM输出模块，电源模块中的+5和+3.3端口分别与主控模块、串口模块和PWM输出模块中对应的电源端口连接以提供工作电源；主控模块中的TXD1端口和RXD2端口与串口模块中的RXD1和TXD1端口连接，以实现数据通讯功能；PWM输出模块为直接驱动外部舵机的模块，设有的十八路PWM端口分别与主控模块的P2.4-P2.7、P7.4-P7.7、P4.5、P4.6、P0.0、P0.1、P0.4、P5.2、P6.6-P6.4、P4.0连接，通过改变PWM的占空比改变对舵机的转角数值以实现对舵机动作的控制；电源模块由两组降压转换电路组成，以分别得到+5V和+3.3V的输出电源分别供给所连接的功能模块；主控模块以STC15W4K60S4单片机为控制核心；串口模块为主控模块中的STC15W4K60S4微处理器的USART4的外部引出端口，USART4为通用同步/异步串行接收/发送器即P0.2和P0.3端口，能够实现对STC15W4K60S4的程序下载及其与计算机端上位机之间的数据通讯；所述的舵机驱动装置的运行过程：将舵机驱动装置与外部电源连接后，由电源模块将外部电源转换成各模块需要的工作电压后供给所有模块；主控模块上电后先进行复位操作以恢复至默认状态，然后开始运行预先写入的程序并生成所需要的PWM信号传输至PWM输出模块，PWM输出模块将PWM信号通过PWM输出端口输出至舵机，通过调节PWM的占空比使得舵机产生不同的转角以控制舵机工作；主控模块通过串口模块与计算机端上位机之间进行串行通讯，计算机端上位机能够实时读取当前各项动态参数，或对输出的PWM信号参数进行实时更改，并将修改后的参数保存至舵机驱动装置的主控模块中，当主控模块与计算机端上位机之间通讯中断后，舵机驱动装置能够根据已经保存在主控模块中的参数控制外部舵机完成相应动作。

进一步的，所述电源模块由两组降压转换电路组成，一组降压转换电路是将+7.2V降压到+5V的转换电路，另一组降压转换电路是将+5V降压到+3.3V的转换电路，以分别得到+5V和+3.3V的输出电源，每组降压转换电路的电源正极与大地之间并连有去耦电容，减少负载带给电源的波纹。

进一步的，所述主控模块采用型号为STC15W4K60S4的单片机芯片为控制核心；所述PWM输出模块输出的PWM共十八路，用于分别实现对十八路舵机的控制，每路的PWM由电源、大地和PWM输出端口组成，每路的PWM输出端口与舵机相连后能够通过控制输出PWM的占空比实现对舵机工作的控制。

本发明与现有技术相比，主控模块中使用的控制芯片为8位微处理器STC15W4K60S4，性能强大，成本较低，微处理器的通讯端口和下载端口能够复用，便于进行后续固件升级；电源模块供电采用切换式方案，能够兼容不同工作电压的舵机；设计的串口模块设计能够与专用上位机连接，进而实现在可视化页面对舵机进行操作控制；整体驱动装置具有足够的驱动能力，且性能稳定、成本低廉、控制精确。

附图说明：

图1为本发明涉及的舵机驱动装置的结构模块示意图。

图2为本发明中涉及的电源模块的组成结构原理示意图。

图3为本发明中涉及的主控模块的结构原理示意图。

图4为本发明中涉及的串口模块的结构原理示意图。

图5为本发明中涉及的PWM输出模块的结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述，但本发明并不仅限于以下实施方式。

实施例：

本实施例涉及到的舵机驱动装置主体结构包括电源模块1、主控模块2、串口模块3和PWM输出模块4(如图1所示)，电源模块1中的+5和+3.3端口分别与主控模块2、串口模块3和PWM输出模块4中对应的电源端口连接以提供工作电源；主控模块2中的TXD1端口和RXD2端口与串口模块3中的RXD1和TXD1端口连接，以实现数据通讯功能；PWM输出模块4为直接驱动外部舵机的模块，设有的十八路PWM端口(PWM1-PWM18)分别与主控模块2的P2.4-P2.7、P7.4-P7.7、P4.5、P4.6、P0.0、P0.1、P0.4、P5.2、P6.6-P6.4、P4.0连接，通过改变PWM的占空比改变对舵机的转角数值以实现对舵机动作的控制；电源模块1由两组降压转换电路组成，以分别得到+5V和+3.3V的输出电源分别供给所连接的功能模块；主控模块2以STC15W4K60S4单片机为控制核心；串口模块3为主控模块2中的STC15W4K60S4微处理器的USART4的外部引出端口，USART4为通用同步/异步串行接收/发送器4即P0.2和P0.3端口，能够实现对STC15W4K60S4的程序下载及其与计算机端上位机之间的数据通讯；所述的舵机驱动装置的运行过程：将舵机驱动装置与外部电源连接后，由电源模块1将外部电源转换成各模块需要的工作电压后供给所有模块；主控模块2上电后先进行复位操作以恢复至默认状态，然后开始运行预先写入的程序并生成所需要的PWM信号传输至PWM输出模块4，PWM输出模块4将PWM信号通过PWM输出端口输出至舵机，通过调节PWM的占空比使得舵机产生不同的转角以控制舵机工作；主控模块2通过串口模块3与计算机端上位机之间进行串行通讯，计算机端上位机能够实时读取当前各项动态参数，或对输出的PWM信号参数进行实时更改，并将修改后的参数保存至舵机驱动装置的主控模块2中，当主控模块2与计算机端上位机之间通讯中断后，舵机驱动装置能够根据已经保存在主控模块2中的参数控制外部舵机完成相应动作。

本实施例所述电源模块1包括两组降压转换电路(如图2所示)，一组降压转换电路是将+7.2V降压到+5V的转换电路，另一组降压转换电路是将+5V降压到+3.3V的转换电路，分别得到+5V和+3.3V的输出电源，每组降压转换电路的电源正极与大地之间并连有去耦电容，减少负载带给电源的波纹。

本实施例所述的主控模块2采用型号为STC15W4K60S4的单片机芯片为控制核心(如图3所示)，STC15W4K60S4系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期(1T)、宽电压、高速、低功耗、超强抗干扰的8051单片机，具有STC第九代加密功能，加密性超强，在指令完全兼容传统8051的基础上速度快8-12倍，内部集成有高精度时钟和高可靠复位电路，能够彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路，同时内置有4K字节大容量SRAM、四路高速异步串行通讯端口(UART1/UART2/UART3/UART4)、一路高速同步串行通讯端口SPI和比较器。

本实施例所述的PWM输出模块4输出的PWM共十八路(如图5所示)，用于分别实现对十八路舵机的控制，每路的PWM由电源、大地和PWM输出端口组成，每路的PWM输出端口与舵机相连后能够通过控制输出PWM的占空比实现对舵机工作的控制。