51單片機(jī)教程 使用PWM對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制

舵機(jī)的控制方式

舵機(jī)的種類有很多，下面我所展示的是非常常見(jiàn)的SG90舵機(jī)（下面簡(jiǎn)稱“舵機(jī)”），也是我們這次實(shí)驗(yàn)室考核所使用的舵機(jī)。

篇幅有限，這里只簡(jiǎn)單介紹了SG90舵機(jī)，想深入研究的同學(xué)可以自己去查閱資料。

我們先來(lái)了解一下SG90舵機(jī)

SG90舵機(jī)有三根線：GND、VCC和信號(hào)線：

GND（負(fù)極）和VCC（正極）都是電源線，可以接在開(kāi)發(fā)板相同標(biāo)識(shí)的排針或與開(kāi)發(fā)板相同的電源上，注意GND要與單片機(jī)共地（接在同一個(gè)負(fù)極上）。

信號(hào)線接在單片機(jī)的IO口上，我們使用IO口輸出PWM來(lái)控制舵機(jī)。

在對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，像控制LED燈直接對(duì)信號(hào)線輸出1和0是不能夠正常控制的，要使用PWM進(jìn)行控制：

↑不正確的控制方法，可能是醬紫的

↑使用PWM控制，能隨意改變角度

那么下面我們進(jìn)入正題：使用PWM對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制。

舵機(jī)能在其旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)（0°~180°）旋轉(zhuǎn)至任意角度，但注意，這不是指能夠連續(xù)轉(zhuǎn)圈圈，而是像一把量角器，假設(shè)設(shè)置了30°，那么舵機(jī)就會(huì)旋轉(zhuǎn)至30°的位置并停下，而不是在原來(lái)的位置疊加上30°。

舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度是通過(guò)PWM的占空比來(lái)調(diào)節(jié)的，PWM的周期一般為20ms，它們的關(guān)系如下表所示：

可以發(fā)現(xiàn)，要舵機(jī)停在0°的位置并不能將IO口直接置0，180°也不能直接置1。

示例程序

舵機(jī)的控制程序其實(shí)和LED亮度調(diào)節(jié)、呼吸燈的程序基本一致，都是使用PWM控制，只不過(guò)占空比有范圍而已。

下面的程序是在我之前發(fā)的PWM的程序上稍作修改得到的，PWM部分就不再解釋了，只解釋舵機(jī)的控制部分。

#include < reg52.h >


#define PWM_T 200                     //產(chǎn)生中斷的時(shí)間，因?yàn)槭?4MHz，200即100微妙（0.1毫秒）


int PWM_count0 = 0;                    //進(jìn)入中斷的次數(shù)
int PWM_count1 = 0;                    //與上面的類似，用于計(jì)數(shù)
int PWM_F = 0;                        //一個(gè)用于計(jì)時(shí)的標(biāo)志，作用類似定時(shí)器的TF0、TF1


sbit servo = P2^0;                    //舵機(jī)信號(hào)線所連接的IO口


void PWM_Start()                      //PWM初始化函數(shù)，打開(kāi)了定時(shí)器0
{
  EA = 1;
  ET0 = 1;
  TMOD |= 0x01;
  TR0 = 1;


  TH0 = (65536-PWM_T)/256;
  TL0 = (65536-PWM_T)%256;
}


int PWM(int PWM_value)                //控制PWM輸出的子函數(shù)
{
  if(PWM_count0 <= PWM_value)
  {
    return 1;
  }
  else
  {
    return 0;
  }
}


void main()
{
  PWM_Start();                        //PWM開(kāi)始運(yùn)行


  while(1)
  {
    while(1)
    {
      servo = PWM(5);                  //旋轉(zhuǎn)至0°
      if(PWM_F == 1)                  //判斷標(biāo)志是否為1，是則代表著過(guò)了1秒
      {
        PWM_F = 0;                    //將標(biāo)志歸零
        break;                        //過(guò)了1秒，退出循環(huán)
      }
    }


    while(1)
    {
      servo = PWM(10);                //旋轉(zhuǎn)至45°
      if(PWM_F == 1)
      {
        PWM_F = 0;
        break;
      }
    }


    while(1)
    {
      servo = PWM(15);                //旋轉(zhuǎn)至90°
      if(PWM_F == 1)
      {
        PWM_F = 0;
        break;
      }
    }


    while(1)
    {
      servo = PWM(20);                //旋轉(zhuǎn)至135°
      if(PWM_F == 1)
      {
        PWM_F = 0;
        break;
      }
    }


    while(1)
    {
      servo = PWM(25);                //旋轉(zhuǎn)至180°
      if(PWM_F == 1)
      {
        PWM_F = 0;
        break;
      }
    }
  }
}


void Timer0() interrupt 1
{
  TH0 = (65536-PWM_T)/256;
  TL0 = (65536-PWM_T)%256;


  PWM_count0++;


  if(PWM_count0 == 200)                //過(guò)了20ms，完成了一個(gè)PWM周期
  {
    PWM_count0 = 0;                    //清零，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)
    PWM_count1++;
    if(PWM_count1 == 50)              //PWM_count0清零了50次，也就是說(shuō)過(guò)了20ms*50=1000ms=1s
    {
      PWM_count1 = 0;                  //清零，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)
      PWM_F = 1;                      //標(biāo)志置1，說(shuō)明已經(jīng)過(guò)了2s
    }
  }
}

我在程序中并沒(méi)有使用軟件延時(shí)（delay()函數(shù)），這在PWM那篇文章中也說(shuō)過(guò)了，軟件延時(shí)期間無(wú)法改變IO口的高低電平輸出，PWM也就失效了。

我的做法是設(shè)置一個(gè)標(biāo)志PWM_F（也可以直接判斷PWM_count1的值），當(dāng)達(dá)到設(shè)定的時(shí)間就退出循環(huán)，否則就回到循環(huán)進(jìn)行PWM輸出。

如果你覺(jué)得這樣做比較麻煩，也可以調(diào)用另一個(gè)定時(shí)器來(lái)計(jì)時(shí)，不過(guò)定時(shí)器的數(shù)量是有限的（51只有兩個(gè)，52、STC15F2K60S2有三個(gè)）。

在寫(xiě)PWM的程序時(shí)，可以參考我上面的做法，每0.1ms進(jìn)入一次中斷，進(jìn)入200次（20ms）就完成一次PWM中斷，對(duì)應(yīng)著舵機(jī)所要求的PWM周期長(zhǎng)度，控制起來(lái)也會(huì)方便很多。

另外，頭文件建議使用與單片機(jī)型號(hào)所匹配的，上面例程中包含reg52.h是為了有較高的兼容性，但這樣就有一些資源無(wú)法調(diào)用。例如STC15F2K60S2，P4引腳（如P47）只有在包含STC15F2K60S2.h時(shí)才能被調(diào)用。

假如你的舵機(jī)不能正常運(yùn)行，可能是下面的原因：

1.單片機(jī)晶振或定時(shí)器沒(méi)有設(shè)置正確，例如上面例程對(duì)應(yīng)的是24MHz的頻率，下載時(shí)選擇了默認(rèn)的11.0592MHz；
2.電源供電不足，可以使用充電寶供電試試。

總結(jié)

學(xué)會(huì)PWM后，舵機(jī)的控制其實(shí)非常容易，稍作一下改動(dòng)就行。對(duì)舵機(jī)感興趣的同學(xué)可以去了解一下其他類型的舵機(jī)，使用PWM控制的只是其中一種。