關于51單片機控制舵機（減速電機類似）的詳解

ID:105323 · 發表于 2016-2-23 22:25

關于舵機，目前網絡上和書本上，很難找到詳細可行的資料（如果有，那估計是我眼瞎，不要理我就好啦- -！），我在制作ROBOTCUP搬運機器人的過程中，由于聽取學長的“建議”，采用舵機作為機器人的驅動，加之當時太年輕，使用90系列51單片機，所以一個舵機耗了3個月，并沒有按照預期，參加比賽（這個也真的不怪誰，不走個彎路，也不會對舵機和51單片機有如今的大徹大悟- -！）。所以啊，如果有學弟學妹，想要在以后做之類的比賽甚至于從事相關的工作，那么好好研究下舵機的控制，對你是十分有幫助的（無論是對于舵機控制的原理還是對主控芯片的理解都很有幫助）。關于舵機的控制，我查詢過相關的資料，也請教過我的導師，但是結果都很不滿意，舵機亂轉，轉速控制不精確，出現過各種問題。最終，我也硬是通過砸錢和砸時間（20塊一個的PWM調制器不知道燒了多少- -！這個反正燒的不是我的，不心疼，但是90塊一個舵機，加上60塊一個的航模PWM舵機調制器還是砸了幾百塊進去的），和小伙伴通過實驗，反復測試得到的結果，在這里分享出來，希望能幫助到學弟學妹。

首先，舵機是做什么的？舵機按照旋轉的角度，可以分為180°和360°連續旋轉舵機。180°舵機，顧名思義，就是只能旋轉180°的舵機，我們可以通過一定的方法，精確的控制舵機旋轉的角度，因此，就我目前接觸到的比賽來看，180°舵機在雙足機器人以及飛思卡爾競速車的轉向上使用的很多，雙足機器人就是模仿人走路的機器人，通過控制180°舵機轉動的角度，完成指定的動作。飛思卡爾轉向類似于汽車使用方向盤轉向，舵機就起到方向盤的作用。360°連續旋轉舵機，可以通過一定手段，控制舵機的旋轉方向和速度，因此，也常常用于小車型機器人的驅動上。這里需要說明的是，180°舵機是無法調速的，就是說，他始終會以最快速度，朝著你設定的角度旋轉，直到旋轉到目標角度停止。而360°舵機是無法控制旋轉的角度的，只可以控制轉和停，正轉和反轉以及轉速。

下面是舵機：

安裝有180°舵機的雙足機器人：

安裝有360°舵機的搬運機器人：

上一段中，我提到可以通過一定的方法，控制舵機，到底是什么方法?PWM!我也不是什么老教授，我不喜歡說太多抽象的理論，這里，只需要知道，要控制舵機，我們要讓單片機輸出一個周期為20ms-30ms，高電平為0.5ms-2.5ms的信號即可。

關于硬件上的設計，無非是保證供電的穩定和預留出PWM的接口，由于我本身也不是做硬件的，這里就不詳細說明了，這里附上一張圖，感興趣的小伙伴可以研究一下，如果對硬件上有其他的問題，也可以私下聯系我，我們組做硬件的小伙伴，還是很厲害的。

我這里對360°舵機如果通過51單片機的程序進行控制做詳細的說明。對于360°舵機而言，PWM高電平為0.5-1.5ms為正轉區間，1.5-2.5ms為反轉區間，1.5ms為舵機剎車點，實際測試過程中，我使用的舵機，高電平0.5ms-1.37ms為以最大速度正轉，正轉的調速高電平區間為1.37ms-1.47ms（高電平越靠近1.5ms，舵機轉速越慢），高電平1.53ms-2.5ms為以最大速度反轉，反轉調速高電平區間為：1.53-1.63ms（高電平越靠近1.5ms，舵機轉速越慢），剎車高電平區間為：1.47-1.53ms。是不是感覺很簡單呢？聽起來好像是挺簡單的，但是有沒有想過如何使用51單片機產生我們需要的PWM呢？有小伙伴會說，用定時器啊！當然，我一開始也是這么想的，看看下面這段程序：

unsigned int i=1;

int n;

void ste360(n){

TMOD=0X01;

TL0=0XF6; // 0.01ms

TH0=0XFF;

TR0=1;

EA=1;

ET0=1;

P1=0X00;

while(1);

}

void _pwm () interrupt 1 {

TH0=0xff; // 0.01ms

TL0=0xF6;

i++;

if(i<=n){

P1=0XFF; // 1.37<<1.47-1.54<<1.63

} else P1=0x00;

if(i>=2000){

i=1;

}

看起來程序好像沒有什么問題，ste360(n)這個函數，n就可以控制pwm高電平的時間，我設定定時器為每0.01ms進入一次中斷，所以，要想得到1.5ms高電平，是不是n填寫150就行了？答案是否定的，至于具體結果怎么樣，我這里就不截圖了，沒有在學校沒法用示波器，之后完善吧。我這里告訴你，雖然程序邏輯是沒有問題的，計算出來確實是1.5ms，但是結果可能是高電平為3ms+，為什么？這個問題困惑了我挺久，我和學長也討論過，他說，編譯過程中，會將我們寫的c文件，編譯成匯編文件，然后轉成機器語言，這個過程中可能會有誤差。而我覺得，晶振本身是有誤差的，其次，這樣反復的進入中斷，細小的誤差會被無限的放大。同樣是使用c，stm32上pwm的精度高的離譜。所以，使用51單片機的8位定時器來控制舵機，在我看來，是完全不可行的（可以質疑我的能力，但是上面的程序是在我寫的眾多定時器控制pwm輸出程序中早期的一個，放出來理解簡單，但我在很長一段時間里，極力優化代碼，嘗試過各種思路，但是結果只能說有提升，但是遠遠達不到控制舵機的要求），有不怕死的小伙伴，也可以自己寫點小程序，打在示波器上看看。不能用定時器，那怎么辦？又有小伙伴說了，stc12系列的51單片機是自帶8位pwm模塊，是不是可以用12系列的單片機實現？看程序：

#include

//-----------------------------

// 7 6 5 4 | 3 2 1 0

sfr CCON=0xD8;//CF CR - - | - - CCF1 CCF0

//-----------------------------

//CF:PCA計數陣列溢出標志.計數值翻轉時由硬件置位。

//CR:PCA計數陣列運行控制位。

//CCF1:PCA模塊1中斷標志。當出現匹配或者捕獲時由硬件置位。

//CCF0:PCA模塊0中斷標志。當出現匹配或者捕獲時由硬件置位。

/

sfr CCAP0L=0xEA;//PCA模塊0的捕捉/比較寄存器低8位

sfr CCAP0H=0xFA;//PCA模塊0的捕捉/比較寄存器高8位

sfr CCAPM0=0xDA;//PCA模塊0的工作模式寄存器

//---------------------------------------

//7 6 5 4 3 2 1 0

//- ECMn CAPPn CAPNn MATn T0Gn PWMn ECCFn

//----------------------------------------

//ECOMn:使能比較器，1時使能比較器功能

//CAPPn：正捕獲，1時使能上升沿捕獲

//CAPNn：負捕獲，1時使能下降沿捕獲

//MATn:匹配:1時，PCA計數器的值與模塊的比較/捕獲寄存器的值匹配將置位CCON寄存器中斷標志位CCFn

//T0Gn:翻轉，1時，工作在PCA告訴輸出模式，PCA計數器的值與模塊的比較/捕獲寄存器的值匹配將是CEXn腳翻轉

//PWMn:脈寬調節輸出模式，1時，使能CEXn腳用做PWM輸出

//EECFn:使能CCFn中斷，使能寄存器CCON中的捕獲/比較標志CCFn，用來產生中斷

sfr PCA_PWM0=0xF2;//PCA模塊0,PWM寄存器

//-----------------------------------

// 7 6 5 4 3 2 1 0

//PCA_PWMn:- - - - | - - EPCnH EPCnL

//-----------------------------------

sfr CCAP1L=0xEB;

sfr CCAP1H=0xFB;

sfr CCAPM1=0xDB;

sfr PCA_PWM1=0xF3;//

sbit CR=0xDE;//因為只有能和8整除的才能位尋址，所以能些0xDE，看起來有沖突，實際上不會。

sfr AUXR1=0xA2;//PWM引腳位置串口2位置雙DPTR選擇 AD轉換結果存放方式調整 SPI位置調整

void ini_T0(void)

{

TMOD=0x02;//T0方式2

TH0=0xb2; //12MH時

TL0=0xb2;

TR0=1;

}

//

//頻率為50HZ 周期的1/50=0.02s,將0.02S分成256分：0.02/256=0.000078125S=0.078125ms

//0.078125為一份的時間一共256份

//CCAP0L=223;CCAP0H=223;為2.5ms //243時約為1ms (0.9375)

//CCAP0L=249;CCAP0H=248;為0.5ms //236時為1.5ms (1.484375)

//230為2ms (2.03125)

void main(void)

{

ini_T0(); //方式2，0.078125ms溢出，每溢出一次CL加1

CMOD=0x04;//定時器0溢出率作為時鐘輸入

//CIDL - - - CPS2 CPS1 CPS0 ECF

//--------------------------------

//CIDL:計數陣列空閑控制，0時，空閑模式下PCA計數器繼續工作；1時空閑模式PCA停止工作。

//----------------------------------------------

//CPS2 CPS1 CPS0: PCA計數脈沖選擇

//000:系統時鐘，FOSC/12

//001:系統時鐘，FOSC/2

//010:定時器0的溢出，可實現可調頻率PWM輸出

//011:ECI/P3.4腳的外部時鐘輸入(最大速率FOSC/2)

//100:系統時鐘,FOSC

//101:系統時鐘/4,FOSC/4

//110:系統時鐘/6,FOSC/6

//111:系統時鐘/8,FOSC/8

//-----------------------------------------------

//ECF:PCA計數溢出中斷使能:1時，使能寄存器CCON CF位的中斷。0時禁止該功能。

CL=0x00;//清零自由遞增計數的16位定時器的值

CH=0x00;//CH0為00 看結構圖，CL前面是永遠是0

//CCAP0L=223;//裝入比較初值

//CCAP0H=223;

PCA_PWM0=0x00; //EPC0H=0,EPC0L=0

CCAPM0=0x42;//設置ECOM1=1,PWM1=1.

//CCAP1L=223;

//CCAP1H=223;

PCA_PWM1=0x00;//EPC1H=0,EPC1L=0

CCAPM1=0x42;//設置ECOM1=1,PWM1=1.

CR=1;//CR=1,啟動PCA陣列計數。看151頁，其中和CMOD的CIDL位有關，又和IDLE有關，看183頁。

//AUXR1=0xc0;//PWM0從P1.3切換到P4.2

//PWM1從P1.4切換到P4.3

while(1)

{

//========================兩舵機停止，中位調節用

CCAP0L=236;//裝入比較初值

CCAP0H=236;

CCAP1L=230;//裝入比較初值

CCAP1H=230;

while(1);

}

至于怎么調整pwm的高電平，修改上面CCAPXL和CCAPXH就可以了，這段代碼不是我寫的，但明顯是個高手寫的- -！至于這段代碼是怎么實現的，程序里的注釋很詳細，小伙伴們在學了郭天祥的教程以后，嘗試著查看官方的手冊吧，學習單片機，重要的不是你學會了多少多少東西，更重要的還是一種自學能力，翻手冊，學這款芯片怎么用的能力。是不是大功告成了呢？并沒有！！測試中我發現，CCAPXH和CCAPXL的值每改變1，PWM高電平改變0.07ms左右。那么問題來了，在前面我提到過，360°舵機調速的區間，只有0.1ms(1.47-1.37=0.1），這個0.07，是可以讓舵機實現正轉反轉，以及停止，但是沒辦法調速，循跡小車是需要控制車子兩側的輪子產生轉速差來控制方向的，沒法調速，就沒法實現循跡。造成這個問題的原因是什么？8位的pwm模塊，8位的pwm，上面程序中的注釋中有這樣一段:

//頻率為50HZ 周期的1/50=0.02s,將0.02S分成256分： 0.02/256=0.000078125S=0.078125ms

//0.078125為一份的時間一共256份

很清楚了吧！那么是不是51單片機控制不了360°舵機呢？在我制作搬運機器人的過程中，有一段時間我是想過放棄的，但是最終，我發現了stc15系列單片機，很有意思的是，我在查詢芯片的時候，15這款單片機是沒有pwm模塊的，后來才知道，這款芯片帶有16位的定時器，這樣，問題就迎刃而解了，官方提供的手冊中，有用16位定時器（自動重裝模式）實現8~16位PWM的示例，具體的程序在這里我就不列出來了，在15的手冊100頁，感興趣的小伙伴，自己去看看吧。

好了，360°舵機基本上說完了，其實180°舵機也是相似的，只是高電平的不同代表著不同的角度，0.5ms為0°，2.5為180°。程序都是一樣的。我在這里說下比較容易出現的問題吧。首先，電路上的設計，舵機要求的電壓為6v-7.2v，你也許會發現5v其實舵機也能轉，但是，低電壓會帶來很多未知的問題，比如舵機亂轉，曾經有一段時間，我陷入舵機亂轉的怪圈，我以為是我程序的問題，但是示波器顯示沒問題，以至于我以為是舵機壞了。實際上，是電池的問題，電池用的時間長了，電壓不足，讓舵機亂轉。所以，電池我建議使用航模sss電池，這個電池是11.2V的，使用降壓模塊，降成7.2v，給舵機供電，將成5v給單片機和傳感器供電就行了。另外，舵機的自己的電路有時候會對單片機有影響，最好加上光耦隔離，防止舵機電路對單片機的干擾。

最后，簡單說下使用舵機驅動小車和電機相比，有什么優劣。首先，就電路而言，由于舵機內置有電路，因此我們做機器人設計電路的時候，僅需要設計好陰陽極和PWM信號輸入的接口，非常簡單。而普通的減速電機在設計電路的時候，則需要考慮到驅動芯片，就比較復雜了。淘寶上有現成的驅動模塊，買回來也就直接用了。而在控制上，舵機對于PWM的精度要求也更高，上文中已經論述過了。價格方面，舵機的價格是普通減速電機的很多倍，但是昂貴的價格帶來的是拖剎的快速響應，給定高電平1.5ms的pwm，舵機會立刻剎住以及其充沛的動力這一點是減速電機做不到的。所以到底是采用舵機還是電機，學弟學妹自己斟酌吧。

一不留神竟然寫了4000字- -!可以可以，如果覺得這篇文章不錯，對你有幫助，也歡迎轉載啦（請注明本文出處及作者）。我在大一加入了很多組織，最終在機器人協會找到了落腳點，從最初沒有目的學習51單片機，做機器人，到現在有了目標，學習linux，學習開發智能路由器，在這個協會我還是學到了很多的東西的。現在呢，其實是以一種感恩的心態，在重復著往屆學長學姐做的事情，很多優秀都是一種傳承嘛！也歡迎各位小伙伴加入到重郵基協，加入到我們這個基情四射，整天撕逼的陣營中來吧- -！我相信在這個良心協會（真的良心），你會學習到你想學的東西噠！若是對舵機的控制仍有疑問，可以在下方評論留言，我看到會盡快回復。

重慶郵電大學機器人協會