標(biāo)題: 關(guān)于51單片機(jī)控制舵機(jī)（減速電機(jī)類似）的詳解 [打印本頁(yè)]
作者: 51黑黑黑    時(shí)間: 2016-2-23 22:25
標(biāo)題: 關(guān)于51單片機(jī)控制舵機(jī)（減速電機(jī)類似）的詳解
關(guān)于舵機(jī)，目前網(wǎng)絡(luò)上和書(shū)本上，很難找到詳細(xì)可行的資料（如果有，那估計(jì)是我眼瞎，不要理我就好啦- -�。以谥谱鱎OBOTCUP搬運(yùn)機(jī)器人的過(guò)程中，由于聽(tīng)取學(xué)長(zhǎng)的“建議”，采用舵機(jī)作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)，加之當(dāng)時(shí)太年輕，使用90系列51單片機(jī)，所以一個(gè)舵機(jī)耗了3個(gè)月，并沒(méi)有按照預(yù)期，參加比賽（這個(gè)也真的不怪誰(shuí)，不走個(gè)彎路，也不會(huì)對(duì)舵機(jī)和51單片機(jī)有如今的大徹大悟- -�。�。所以啊，如果有學(xué)弟學(xué)妹，想要在以后做之類的比賽甚至于從事相關(guān)的工作，那么好好研究下舵機(jī)的控制，對(duì)你是十分有幫助的（無(wú)論是對(duì)于舵機(jī)控制的原理還是對(duì)主控芯片的理解都很有幫助）。關(guān)于舵機(jī)的控制，我查詢過(guò)相關(guān)的資料，也請(qǐng)教過(guò)我的導(dǎo)師，但是結(jié)果都很不滿意，舵機(jī)亂轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速控制不精確，出現(xiàn)過(guò)各種問(wèn)題。最終，我也硬是通過(guò)砸錢(qián)和砸時(shí)間（20塊一個(gè)的PWM調(diào)制器不知道燒了多少- -！這個(gè)反正燒的不是我的，不心疼，但是90塊一個(gè)舵機(jī)，加上60塊一個(gè)的航模PWM舵機(jī)調(diào)制器還是砸了幾百塊進(jìn)去的），和小伙伴通過(guò)實(shí)驗(yàn)，反復(fù)測(cè)試得到的結(jié)果，在這里分享出來(lái)，希望能幫助到學(xué)弟學(xué)妹。
首先，舵機(jī)是做什么的？舵機(jī)按照旋轉(zhuǎn)的角度，可以分為180°和360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)。180°舵機(jī)，顧名思義，就是只能旋轉(zhuǎn)180°的舵機(jī)，我們可以通過(guò)一定的方法，精確的控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，因此，就我目前接觸到的比賽來(lái)看，180°舵機(jī)在雙足機(jī)器人以及飛思卡爾競(jìng)速車的轉(zhuǎn)向上使用的很多，雙足機(jī)器人就是模仿人走路的機(jī)器人，通過(guò)控制180°舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，完成指定的動(dòng)作。飛思卡爾轉(zhuǎn)向類似于汽車使用方向盤(pán)轉(zhuǎn)向，舵機(jī)就起到方向盤(pán)的作用。360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，可以通過(guò)一定手段，控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度，因此，也常常用于小車型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)上。這里需要說(shuō)明的是，180°舵機(jī)是無(wú)法調(diào)速的，就是說(shuō)，他始終會(huì)以最快速度，朝著你設(shè)定的角度旋轉(zhuǎn)，直到旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)角度停止。而360°舵機(jī)是無(wú)法控制旋轉(zhuǎn)的角度的，只可以控制轉(zhuǎn)和停，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速。
下面是舵機(jī)： 
 


安裝有180°舵機(jī)的雙足機(jī)器人： 

安裝有360°舵機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人：

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

關(guān)于硬件上的設(shè)計(jì)，無(wú)非是保證供電的穩(wěn)定和預(yù)留出PWM的接口，由于我本身也不是做硬件的，這里就不詳細(xì)說(shuō)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(duì)硬件上有其他的問(wèn)題，也可以私下聯(lián)系我，我們組做硬件的小伙伴，還是很厲害的。 

我這里對(duì)360°舵機(jī)如果通過(guò)51單片機(jī)的程序進(jìn)行控制做詳細(xì)的說(shuō)明。對(duì)于360°舵機(jī)而言，PWM高電平為0.5-1.5ms為正轉(zhuǎn)區(qū)間，1.5-2.5ms為反轉(zhuǎn)區(qū)間，1.5ms為舵機(jī)剎車點(diǎn)，實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，我使用的舵機(jī)，高電平0.5ms-1.37ms為以最大速度正轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)的調(diào)速高電平區(qū)間為1.37ms-1.47ms（高電平越靠近1.5ms，舵機(jī)轉(zhuǎn)速越慢），高電平1.53ms-2.5ms為以最大速度反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)調(diào)速高電平區(qū)間為：1.53-1.63ms（高電平越靠近1.5ms，舵機(jī)轉(zhuǎn)速越慢），剎車高電平區(qū)間為：1.47-1.53ms。是不是感覺(jué)很簡(jiǎn)單呢？聽(tīng)起來(lái)好像是挺簡(jiǎn)單的，但是有沒(méi)有想過(guò)如何使用51單片機(jī)產(chǎn)生我們需要的PWM呢？有小伙伴會(huì)說(shuō)，用定時(shí)器��！當(dāng)然，我一開(kāi)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(lái)程序好像沒(méi)有什么問(wèn)題，ste360(n)這個(gè)函數(shù)，n就可以控制pwm高電平的時(shí)間，我設(shè)定定時(shí)器為每0.01ms進(jìn)入一次中斷，所以，要想得到1.5ms高電平，是不是n填寫(xiě)150就行了？答案是否定的，至于具體結(jié)果怎么樣，我這里就不截圖了，沒(méi)有在學(xué)校沒(méi)法用示波器，之后完善吧。我這里告訴你，雖然程序邏輯是沒(méi)有問(wèn)題的，計(jì)算出來(lái)確實(shí)是1.5ms，但是結(jié)果可能是高電平為3ms+，為什么？這個(gè)問(wèn)題困惑了我挺久，我和學(xué)長(zhǎng)也討論過(guò)，他說(shuō)，編譯過(guò)程中，會(huì)將我們寫(xiě)的c文件，編譯成匯編文件，然后轉(zhuǎn)成機(jī)器語(yǔ)言，這個(gè)過(guò)程中可能會(huì)有誤差。而我覺(jué)得，晶振本身是有誤差的，其次，這樣反復(fù)的進(jìn)入中斷，細(xì)小的誤差會(huì)被無(wú)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(jī)的8位定時(shí)器來(lái)控制舵機(jī)，在我看來(lái)，是完全不可行的（可以質(zhì)疑我的能力，但是上面的程序是在我寫(xiě)的眾多定時(shí)器控制pwm輸出程序中早期的一個(gè)，放出來(lái)理解簡(jiǎn)單，但我在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，極力優(yōu)化代碼，嘗試過(guò)各種思路，但是結(jié)果只能說(shuō)有提升，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到控制舵機(jī)的要求），有不怕死的小伙伴，也可以自己寫(xiě)點(diǎn)小程序，打在示波器上看看。不能用定時(shí)器，那怎么辦？又有小伙伴說(shuō)了，stc12系列的51單片機(jī)是自帶8位pwm模塊，是不是可以用12系列的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)？看程序：
#include
              //-----------------------------
              // 7  6 5 4 | 3 2  1    0
sfr CCON=0xD8;//CF CR - - | - - CCF1 CCF0
              //-----------------------------
              //CF:PCA計(jì)數(shù)陣列溢出標(biāo)志.計(jì)數(shù)值翻轉(zhuǎn)時(shí)由硬件置位。
              //CR:PCA計(jì)數(shù)陣列運(yùn)行控制位。
              //CCF1:PCA模塊1中斷標(biāo)志。當(dāng)出現(xiàn)匹配或者捕獲時(shí)由硬件置位。
              //CCF0:PCA模塊0中斷標(biāo)志。當(dāng)出現(xiàn)匹配或者捕獲時(shí)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(shí)使能比較器功能
                //CAPPn：正捕獲，1時(shí)使能上升沿捕獲
                //CAPNn：負(fù)捕獲，1時(shí)使能下降沿捕獲
                //MATn:匹配:1時(shí)，PCA計(jì)數(shù)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(biāo)志位CCFn
                //T0Gn:翻轉(zhuǎn)，1時(shí)，工作在PCA告訴輸出模式，PCA計(jì)數(shù)器的值與模塊的比較/捕獲寄存器的值匹配將是CEXn腳翻轉(zhuǎn)
                //PWMn:脈寬調(diào)節(jié)輸出模式，1時(shí)，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(biāo)志CCFn，用來(lái)產(chǎn)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?yàn)橹挥心芎?整除的才能位尋址，所以能些0xDE，看起來(lái)有沖突，實(shí)際上不會(huì)。
sfr AUXR1=0xA2;//PWM引腳位置 串口2位置 雙DPTR選擇 AD轉(zhuǎn)換結(jié)果存放方式調(diào)整 SPI位置調(diào)整

void ini_T0(void)
{
    TMOD=0x02;//T0方式2
TH0=0xb2; //12MH時(shí)
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(shí)間 一共256份
//CCAP0L=223;CCAP0H=223;為2.5ms //243時(shí)約為1ms (0.9375)
//CCAP0L=249;CCAP0H=248;為0.5ms //236時(shí)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(shí)器0溢出率作為時(shí)鐘輸入
             //CIDL - - -  CPS2 CPS1 CPS0 ECF
              //--------------------------------
              //CIDL:計(jì)數(shù)陣列空閑控制，0時(shí)，空閑模式下PCA計(jì)數(shù)器繼續(xù)工作；1時(shí)空閑模式PCA停止工作。
              //----------------------------------------------
              //CPS2 CPS1 CPS0: PCA計(jì)數(shù)脈沖選擇
              //000:系統(tǒng)時(shí)鐘，F(xiàn)OSC/12
              //001:系統(tǒng)時(shí)鐘，F(xiàn)OSC/2
              //010:定時(shí)器0的溢出，可實(shí)現(xiàn)可調(diào)頻率PWM輸出
              //011:ECI/P3.4腳的外部時(shí)鐘輸入(最大速率FOSC/2)
              //100:系統(tǒng)時(shí)鐘,FOSC
              //101:系統(tǒng)時(shí)鐘/4,FOSC/4
              //110:系統(tǒng)時(shí)鐘/6,FOSC/6
              //111:系統(tǒng)時(shí)鐘/8,FOSC/8
              //-----------------------------------------------
              //ECF:PCA計(jì)數(shù)溢出中斷使能:1時(shí)，使能寄存器CCON CF位的中斷。0時(shí)禁止該功能。
CL=0x00;//清零自由遞增計(jì)數(shù)的16位定時(shí)器的值
CH=0x00;//CH0為00  看結(jié)構(gòu)圖，CL前面是永遠(yuǎn)是0
   
//CCAP0L=223;//裝入比較初值
//CCAP0H=223;
PCA_PWM0=0x00; //EPC0H=0,EPC0L=0
CCAPM0=0x42;//設(shè)置ECOM1=1,PWM1=1.
   
    //CCAP1L=223;
    //CCAP1H=223;
    PCA_PWM1=0x00;//EPC1H=0,EPC1L=0
CCAPM1=0x42;//設(shè)置ECOM1=1,PWM1=1.
CR=1;//CR=1,啟動(dòng)PCA陣列計(jì)數(shù)。  看151頁(yè)，其中和CMOD的CIDL位有關(guān)，又和IDLE有關(guān)，看183頁(yè)。
   
   
//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(jī)停止，中位調(diào)節(jié)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(diào)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(xiě)的，但明顯是個(gè)高手寫(xiě)的- -！至于這段代碼是怎么實(shí)現(xiàn)的，程序里的注釋很詳細(xì)，小伙伴們?cè)趯W(xué)了郭天祥的教程以后，嘗試著查看官方的手冊(cè)吧，學(xué)習(xí)單片機(jī)，重要的不是你學(xué)會(huì)了多少多少東西，更重要的還是一種自學(xué)能力，翻手冊(cè)，學(xué)這款芯片怎么用的能力。是不是大功告成了呢？并沒(méi)有！！測(cè)試中我發(fā)現(xiàn)，CCAPXH和CCAPXL的值每改變1，PWM高電平改變0.07ms左右。那么問(wèn)題來(lái)了，在前面我提到過(guò)，360°舵機(jī)調(diào)速的區(qū)間，只有0.1ms(1.47-1.37=0.1），這個(gè)0.07，是可以讓舵機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，以及停止，但是沒(méi)辦法調(diào)速，循跡小車是需要控制車子兩側(cè)的輪子產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差來(lái)控制方向的，沒(méi)法調(diào)速，就沒(méi)法實(shí)現(xiàn)循跡。造成這個(gè)問(wèn)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(shí)間 一共256份
很清楚了吧！那么是不是51單片機(jī)控制不了360°舵機(jī)呢？在我制作搬運(yùn)機(jī)器人的過(guò)程中，有一段時(shí)間我是想過(guò)放棄的，但是最終，我發(fā)現(xiàn)了stc15系列單片機(jī)，很有意思的是，我在查詢芯片的時(shí)候，15這款單片機(jī)是沒(méi)有pwm模塊的，后來(lái)才知道，這款芯片帶有16位的定時(shí)器，這樣，問(wèn)題就迎刃而解了，官方提供的手冊(cè)中，有用16位定時(shí)器（自動(dòng)重裝模式）實(shí)現(xiàn)8~16位PWM的示例，具體的程序在這里我就不列出來(lái)了，在15的手冊(cè)100頁(yè)，感興趣的小伙伴，自己去看看吧。
好了，360°舵機(jī)基本上說(shuō)完了，其實(shí)180°舵機(jī)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(shuō)下比較容易出現(xiàn)的問(wèn)題吧。首先，電路上的設(shè)計(jì)，舵機(jī)要求的電壓為6v-7.2v，你也許會(huì)發(fā)現(xiàn)5v其實(shí)舵機(jī)也能轉(zhuǎn)，但是，低電壓會(huì)帶來(lái)很多未知的問(wèn)題，比如舵機(jī)亂轉(zhuǎn)，曾經(jīng)有一段時(shí)間，我陷入舵機(jī)亂轉(zhuǎn)的怪圈，我以為是我程序的問(wèn)題，但是示波器顯示沒(méi)問(wèn)題，以至于我以為是舵機(jī)壞了。實(shí)際上，是電池的問(wèn)題，電池用的時(shí)間長(zhǎng)了，電壓不足，讓舵機(jī)亂轉(zhuǎn)。所以，電池我建議使用航模sss電池，這個(gè)電池是11.2V的，使用降壓模塊，降成7.2v，給舵機(jī)供電，將成5v給單片機(jī)和傳感器供電就行了。另外，舵機(jī)的自己的電路有時(shí)候會(huì)對(duì)單片機(jī)有影響，最好加上光耦隔離，防止舵機(jī)電路對(duì)單片機(jī)的干擾。
最后，簡(jiǎn)單說(shuō)下使用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)小車和電機(jī)相比，有什么優(yōu)劣。首先，就電路而言，由于舵機(jī)內(nèi)置有電路，因此我們做機(jī)器人設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，僅需要設(shè)計(jì)好陰陽(yáng)極和PWM信號(hào)輸入的接口，非常簡(jiǎn)單。而普通的減速電機(jī)在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，則需要考慮到驅(qū)動(dòng)芯片，就比較復(fù)雜了。淘寶上有現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)模塊，買回來(lái)也就直接用了。而在控制上，舵機(jī)對(duì)于PWM的精度要求也更高，上文中已經(jīng)論述過(guò)了。價(jià)格方面，舵機(jī)的價(jià)格是普通減速電機(jī)的很多倍，但是昂貴的價(jià)格帶來(lái)的是拖剎的快速響應(yīng)，給定高電平1.5ms的pwm，舵機(jī)會(huì)立刻剎住以及其充沛的動(dòng)力這一點(diǎn)是減速電機(jī)做不到的。所以到底是采用舵機(jī)還是電機(jī)，學(xué)弟學(xué)妹自己斟酌吧。
一不留神竟然寫(xiě)了4000字- -!可以可以，如果覺(jué)得這篇文章不錯(cuò)，對(duì)你有幫助，也歡迎轉(zhuǎn)載啦（請(qǐng)注明本文出處及作者）。我在大一加入了很多組織，最終在機(jī)器人協(xié)會(huì)找到了落腳點(diǎn)，從最初沒(méi)有目的學(xué)習(xí)51單片機(jī)，做機(jī)器人，到現(xiàn)在有了目標(biāo)，學(xué)習(xí)linux，學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)智能路由器，在這個(gè)協(xié)會(huì)我還是學(xué)到了很多的東西的�，F(xiàn)在呢，其實(shí)是以一種感恩的心態(tài)，在重復(fù)著往屆學(xué)長(zhǎng)學(xué)姐做的事情，很多優(yōu)秀都是一種傳承嘛！也歡迎各位小伙伴加入到重郵基協(xié)，加入到我們這個(gè)基情四射，整天撕逼的陣營(yíng)中來(lái)吧- -！我相信在這個(gè)良心協(xié)會(huì)（真的良心），你會(huì)學(xué)習(xí)到你想學(xué)的東西噠！若是對(duì)舵機(jī)的控制仍有疑問(wèn)，可以在下方評(píng)論留言，我看到會(huì)盡快回復(fù)。


重慶郵電大學(xué)機(jī)器人協(xié)會(huì)
             
作者: 無(wú)腦黑科技    時(shí)間: 2016-10-15 12:32
可以，很詳細(xì)
作者: yeyuaihaozhe    時(shí)間: 2017-9-9 22:37
謝謝,學(xué)習(xí)的好資料
作者: kayan    時(shí)間: 2018-6-14 19:06
很有幫助
作者: billboy    時(shí)間: 2019-4-30 11:27
資料還不錯(cuò)哦
作者: NCSTTIGER    時(shí)間: 2021-3-19 19:38
感謝樓主，我最近在琢磨怎么用80c52控制舵機(jī)，程序沒(méi)問(wèn)題，試了好幾天都不行，看到這個(gè)解答真的是茅塞頓開(kāi)
作者: 測(cè)控系吳～    時(shí)間: 2021-5-8 21:39
我糾正一下，舵機(jī)都是可以調(diào)速的，我以前用ARDUINO控制舵機(jī)，讓它一度一度地轉(zhuǎn)動(dòng)，每度之間的延時(shí)達(dá)到了控制速度的目的。只是說(shuō)這樣的編程方式轉(zhuǎn)換到51單片機(jī)可能有難度，但是一定行的，所以舵機(jī)是可以調(diào)速的。



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