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舵机控制程序
FinalrevisiononNovember26,2020
舵机控制程序
在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。
舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。
舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。
其工作原理是：
控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。
它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。
最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。
当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。
舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。
一般舵机的控制要求如图1所示。
图1舵机的控制要求
单片机实现舵机转角控制
可以使用FPGA、模拟电路、单片机来产生舵机的控制信号，但FPGA成本高且电路复杂。
对于脉宽调制信号的脉宽变换，常用的一种方法是采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要50Hz（周期是20ms）的信号，这对运放器件的选择有较高要求，从电路体积和功耗考虑也不易采用。
5mV以上的控制电压的变化就会引起舵机的抖动，对于机载的测控系统而言，电源和其他器件的信号噪声都远大于5mV，所以滤波电路的精度难以达到舵机的控制精度要求。
也可以用单片机作为舵机的控制单元，使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。
单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。
单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：
首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生20ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。
当系统中只需要实现一个舵机的控制，采用的控制方式是改变单片机的一个定时器中断的初值，将20ms分为两次中断执行，一次短定时中断和一次长定时中断。
这样既节省了硬件电路，也减少了软件开销，控制系统工作效率和控制精度都很高。
具体的设计过程：
例如想让舵机转向左极限的角度，它的正脉冲为2ms，则负脉冲为20ms-2ms=18ms，所以开始时在控制口发送高电平，然后设置定时器在2ms后发生中断，中断发生后，在中断程序里将控制口改为低电平，并将中断时间改为18ms，再过18ms进入下一次定时中断，再将控制口改为高电平，并将定时器初值改为2ms，等待下次中断到来，如此往复实现PWM信号输出到舵机。
用修改定时器中断初值的方法巧妙形成了脉冲信号，调整时间段的宽度便可使伺服机灵活运动。
为保证软件在定时中断里采集其他信号，并且使发生PWM信号的程序不影响中断程序的运行（如果这些程序所占用时间过长，有可能会发生中断程序还未结束，下次中断又到来的后果），所以需要将采集信号的函数放在长定时中断过程中执行，也就是说每经过两次中断执行一次这些程序，执行的周期还是20ms。
软件流程如图2所示。
图2产生PWM信号的软件流程
如果系统中需要控制几个舵机的准确转动，可以用单片机和计数器进行脉冲计数产生PWM信号。
脉冲计数可以利用51单片机的内部计数器来实现，但是从软件系统的稳定性和程序结构的合理性看，宜使用外部的计数器，还可以提高CPU的工作效率。
实验后从精度上考虑，对于FUTABA系列的接收机，当采用1MHz的外部晶振时，其控制电压幅值的变化为，而且不会出现误差积累，可以满足控制舵机的要求。
最后考虑数字系统的离散误差，经估算误差的范围在±%内，所以采用单片机和8253、8254这样的计数器芯片的PWM信号产生电路是可靠的。
图3是硬件连接图。
图3PWA信号的计数和输出电路（点击放大）
基于8253产生PWM信号的程序主要包括三方面内容：
一是定义8253寄存器的地址，二是控制字的写入，三是数据的写入。
软件流程如图4所示，具体代码如下。
?
1.//关键程序及注释：
2.//定时器T0中断，向8253发送控制字和数据
3.voidT0Int（）interrupt1
4.{
5.TH0=0xB1;
6.TL0=0xE0;//20ms的时钟基准
7.//先写入控制字，再写入计数值
8.SERVO0=0x30;//选择计数器0，写入控制字
9.PWM0=BUF0L;//先写低，后写高
10.PWM0=BUF0H;
11.SERVO1=0x70;//选择计数器1，写入控制字
12.PWM1=BUF1L;
13.PWM1=BUF1H;
14.SERVO2=0xB0;//选择计数器2，写入控制字
15.PWM2=BUF2L;
16.PWM2=BUF2H;
17.}
图4基于8253产生PWA信号的软件流程
当系统的主要工作任务就是控制多舵机的工作，并且使用的舵机工作周期均为20ms时，要求硬件产生的多路PWM波的周期也相同。
使用51单片机的内部定时器产生脉冲计数，一般工作正脉冲宽度小于周期的1/8，这样可以在1个周期内分时启动各路PWM波的上升沿，再利用定时器中断T0确定各路PWM波的输出宽度，定时器中断T1控制20ms的基准时间。
第1次定时器中断T0按20ms的1/8设置初值，并设置输出I/O口，第1次T0定时中断响应后，将当前输出I/O口对应的引脚输出置高电平，设置该路输出正脉冲宽度，并启动第2次定时器中断，输出I/O口指向下一个输出口。
第2次定时器定时时间结束后，将当前输出引脚置低电平，设置此中断周期为20ms的1/8减去正脉冲的时间，此路PWM信号在该周期中输出完毕，往复输出。
在每次循环的第16次（2×8=16）中断实行关定时中断T0的操作，最后就可以实现8路舵机控制信号的输出。
也可以采用外部计数器进行多路舵机的控制，但是因为常见的8253、8254芯片都只有3个计数器，所以当系统需要产生多路PWM信号时，使用上述方法可以减少电路，降低成本，也可以达到较高的精度。
调试时注意到由于程序中脉冲宽度的调整是靠调整定时器的初值，中断程序也被分成了8个状态周期，并且需要严格的周期循环，而且运行其他中断程序代码的时间需要严格把握。
在实际应用中，采用51单片机简单方便地实现了舵机控制需要的PWM信号。
对机器人舵机控制的测试表明，舵机控制系统工作稳定，PWM占空比～的正脉冲宽度）和舵机的转角（-90°～90°）线性度较好。
如何使用AT89S52编写这样一个程序。
要求，单片机控制舵机，让舵机到中间位置后，左转15度，延迟2ms，右转15度。
（度数不要求精确）。
舵机为~。
晶振12M#include<>
unsignedintpwm;
unsignedcharflag;
sbitp10=P1^0;
voidtimer0（）interrupt1using1
{
p10=!
p10;
pwm=20000-pwm;
TH0=pwm/256;
TL0=pwm%256;
flag++;
if（flag<10）flag++;
if（flag==10&&p10==0）{pwm=1250;flag=11;}//保证回到90度再左转15；
}
voidtimer1（）interrupt3using1
{
ET1=0;//2ms到关闭定时器1
ET0=0;
TR0=0;
pwm=1750;
TH0=pwm/256;
TL0=pwm%256;
ET0=1;
TR0=1;
}
voidint0（void）interrupt0using1
{
//判断左转到15，通过传感器判断或者其他信号判断，能正好保证刚左转15度，开始延时2ms
TR1=1;//定时器1开始计数
}
voidmain（void）
{
p10=1;
TMOD=0x11;
pwm=1500;//回90度
TH0=pwm/256;
TL0=pwm%256;
TH1=2000/256;
TL1=2000%256;
EA=1;
ET0=1;
ET1=1;TR0=1;while
（1）;}
晶振：
12MHz
===================================================================================*/
＃include<>
#defineuint8
unsignedchar
#defineuint16unsignedint
sbitkey1=P1^4;sbitkey2=P1^5;
//PWM的输出端口sbitPWM_OUT0=P0^0;sbitPWM_OUT1=P0^1;sbitPWM_OUT2=P0^2;sbitPWM_OUT3=P0^3;sbitPWM_OUT4=P0^4;sbitPWM_OUT5=P0^5;sbitPWM_OUT6=P0^6;sbitPWM_OUT7=P0^7;
//PWM的数据值uint16PWM_Value[8]={1500,1000,1500,1000,1750,2000,2500,2000};
uint8order1;//定时器扫描序列
/*===================================================================================
定时器T0的中断服务程序
一个循环20MS=8*=====================================================================================*/voidtimer0（void）interrupt1using1{switch（order1）{case1:
PWM_OUT0=1;TH0=-PWM_Value[0]/256;TL0=-PWM_Value[0]%256;break;case2:
PWM_OUT0=0;TH0=-（2700-PWM_Value[0]）/256;TL0=-（2700-PWM_Value[0]）%256;break;case3:
PWM_OUT1=1;TH0=-PWM_Value[1]/256;TL0=-PWM_Value[1]%256;break;case4:
PWM_OUT1=0;TH0=-（2700-PWM_Value[1]）/256;TL0=-（2700-PWM_Value[1]）%256;break;case5:
PWM_OUT2=1;TH0=-PWM_Value[2]/256;TL0=-PWM_Value[2]%256;break;case6:
PWM_OUT2=0;TH0=-（2700-PWM_Value[2]）/256;TL0=-（2700-PWM_Value[2]）%256;break;case7:
PWM_OUT3=1;TH0=-PWM_Value[3]/256;TL0=-PWM_Value[3]%256;break;case8:
PWM_OUT3=0;TH0=-（2700-PWM_Value[3]）/256;TL0=-（2700-PWM_Value[3]）%256;break;case9:
PWM_OUT4=1;TH0=-PWM_Value[4]/256;TL0=-PWM_Value[4]%256;break;case10:
PWM_OUT4=0;TH0=-（2700-PWM_Value[4]）/256;TL0=-（2700-PWM_Value[4]）%256;break;case11:
PWM_OUT5=1;TH0=-PWM_Value[5]/256;TL0=-PWM_Value[5]%256;break;case12:
PWM_OUT5=0;TH0=-（2700-PWM_Value[5]）/256;TL0=-（2700-PWM_Value[5]）%256;break;case13:
PWM_OUT6=1;TH0=-PWM_Value[6]/256;TL0=-PWM_Value[6]%256;break;case14:
PWM_OUT6=0;TH0=-（2700-PWM_Value[6]）/256;TL0=-（2700-PWM_Value[6]）%256;break;case15:
PWM_OUT7=1;TH0=-PWM_Value[7]/256;TL0=-PWM_Value[7]%256;break;case16:
PWM_OUT7=0;order1=0;TH0=-（2700-PWM_Value[7]）/256;TL0=-（2700-PWM_Value[7]）%256;order1=0;break;default:
order1=0;}order1++;}
/*===================================================================================初始化中断=====================================================================================*/voidInitPWM（void）{order1=1;
TMOD|=0x11;TH0=-1500/256;TL0=-1500%256;EA=1;EX0=0;ET0=1;TR0=1;PT0=1;PX0=0;}
voiddelay（void）{uint16i=100;
while（i--）;
}
voidmain（void）{
InitPWM（）;while
（1）{if（key1==0）{if（PWM_Value[0]<2500）PWM_Value[0]++;}
if（key2==0）{if（PWM_Value[0]>500）PWM_Value[0]--;}
delay（）;}}
单片机舵机控制程序
#include<>
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
uinta,b,c,d,n;
sbitp12=P1^2;
sbitp13=P1^3;
sbitp37=P3^7;
voidtimer0（void）interrupt1using1
{p12=!
p12;
c=20000-c;
TH0=-（c/256）;
TL0=-（c%256）;
if（c>=500&&c<=2500）
c=a;
else
c=20000-a;
}
voiddelay（）
{
uinti;
for（i=0;i<200;i++）
{
}
}
voidinit_serialcomm（void）
{
SCON=0x50;//SCON:
serailmode1,8-bitUART,enableucvr
TMOD|=0x21;//TMOD:
timer1,mode2,8-bitreload
PCON|=0x80;//SMOD=1;
TH1=0xF4;//Baud:
4800fosc=IE|=0x93;//EnableSerialInterruptTR1=1;//timer1run//TI=1;}voidserial（）interrupt4using3{if（RI）{RI=0;b=SBUF;SBUF=0xff;while（TI==0）;TI=0;}}voidmain（void）{//TMOD=0x21;init_serialcomm（）;p12=1;a=1500;c=a;TH0=-（a/256）;TL0=-（a%256）;PX0=0;PT0=1;TR0=1;while
（1）{a=b*10;}}
舵机控制程序（改变a值可控制任意角度）
#include<>
#include<>
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
uinta,c;
sbitp10=P1^0;
sbitp11=P1^1;voidtimer0（void）interrupt1{p10=!
p10;p11=!
p11;c=20000-c;TH0=-（c/256）;
TL0=-（c%256）;if（c>=500&&c<=2500）
c=a;else
c=20000-a;
}
voiddelay（longj）
{
for（j;j>0;j--）;
}
voidmain（void）
{
p10=1;
p11=1;
a=2500;//180//
c=a;
TMOD=0x01;//16位定时器工作方式1TH0=-（a/256）;
TL0=-（a%256）;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
for（a=2500;a>=500;a--）
{
a=a-10;
c=a;
delay（5000）;
}
}
基于AT89C2051的多路舵机控制器设计（2007-11-1011:
37）
摘要舵机是机器人、机电系统和航模的重要执行机构。
舵机控制器为舵机提供必要的能源和控制信号。
本文提出一种以外部中断计数为基础的PWM波形实现方法。
该方法具有简单方便，成本低，可实现多路独立PWM输出的优点。
关键词AT89（：
205l舵机控制器外部中断PWM
舵机是一种位置伺服的驱动器。
它接收一定的控制信号，输出一定的角度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。
在微机电系统和航模中，它是一个基本的输出执行机构。
1舵机的工作原理
?
以日本FUTABA-S3003型舵机为例，图1是FUFABA-S3003型舵机的内部电路。
舵机的工作原理是：
PWM信号由接收通道进入信号解调电路1。
的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。
该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差由的3脚输出。
该输出送人电机驱动集成电路，以驱动电机正反转。
当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器R。
，旋转，直到电压差为O，电机停止转动。
舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。
2舵机的控制方法
标准的舵机有3条导线，分别是：
电源线、地线、控制线，如图2所示。
电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。
注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。
控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20ms（即频率为50Hz）。
当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。
某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用围3来表示。
3舵机控制器的设计
（1）舵机控制器硬件电路设计
从上述舵机转角的控制方法可看出，舵机的控制信号实质是一个可嗣宽度的方波信号（PWM）。
该方波信号可由FPGA、模拟电路或单片机来产生。
采用FPGA成本较高，用模拟电路来实现则电路较复杂，不适合作多路输出。
一般采用单片机作舵机的控制器。
目前采用单片机做舵机控制器的方案比较多，可以利用单片机的定时器中断实现PWM。
该方案将20ms的周期信号分为两次定时中断来完成：
一次定时实现高电平定时Th；一次定时实现低电平定时T1。
Th、T1的时间值随脉冲宽度的变换而变化，但，Th+T1=20ms。
该方法的优点是，PWM信号完全由单片机内部定时器的中断来实现，不需要添加外围硬件。
缺点是一个周期中的PWM信号要分两次中断来完成，两次中断的定时值计算较麻烦；为了满足20ms的周期，单片机晶振的频率要降低；不能实现多路输出。
也可以采用单片机+8253计数器的实现方案。
该方案由单片机产生计数脉冲（或外部电路产生计数脉冲）提供给8253进行计数，由单片机给出8253的计数比较值来改变输出脉宽。
该方案的优点是可以实现多路输出，软件设计较简单；缺点是要添加l片8253计数器，增加了硬件成本。
本文在综合上述两个单片机舵机控制方案基础上，提出了一个新的设计方案，如图4所示。
该方案的舵机控制器以单片机为核心，555构成的振荡器作为定时基准，单片机通过对555振荡器产生的脉冲信号进行计数来产生PWM信号。
该控制器中单片机可以产生8个通道的PWM信号，分别由的P1．0～（12～19引脚）端口输出。
输出的8路PWM信号通过光耦隔离传送到下一级电路中。
因为信号通过光耦传送过程中进行了反相，因此从光耦出来的信号必须再经过反相器进行反相。
方波信号经过光耦传输后，前沿和后沿会发生畸变，因此反相器采用施密特反相器对光耦传输过来的信号进行整形，产生标准的PWM方波信号。
笔者在实验过程中发现，舵机在运行过程中要从电源吸纳较大的电流，若舵机与单片机控制器共用一个电源，则舵机会对单片机产生较大的干扰。
因此，舵机与单片机控制器采用两个电源供电，两者不共地，通过光耦来隔离，并且给舵机供电的电源最好采用输出功率较大的开关电源。
该舵机控制器占用单片机的个SCI串口。
串口用于接收上位机传送过来的控制命令，以调节每一个通道输出信号的脉冲宽度。
为电平转换器，将上位机的电平转换成TTL电平。
（2）实现多路PWM信号的原理
在模拟电路中，PWM脉冲信号可以通过直流电平与锯齿波信号比较来得到。
在单片机中，锯齿波可以通过对整型变量加1操作来实现，如图5所示。
假定单片机程序中设置一整型变量SawVal，其值变化范围为O～N。
555振荡电路产生的外部计数时钟信号输入到的INTO脚。
每当在外部计数时钟脉冲的下降沿，单片机产生外部中断，执行外部中断INT0的中断服务程序。
每产生一次外部中断，对SawVal执行一次加1操作，若SawVal已达到最大值N，则对SawVal清O。
SawVal值的变化规律相当于锯齿波，如图5所示。
若在单片机程序中设置另一整型变量DutyVal，其值的变化范围为O～N。
每当在SawVal清0时，DulyVal从上位机发送的控制命令中读入脉冲宽度系数值，例如为H（0≤H≤N）。
若DutyVal≥SawVal，则对应端口输出高电平；若DutyVal从图5中可看出，若改变DutyVal的值，则对应端口输出脉冲的宽度发生变化，但输出脉冲的频率不变，此即为PWM波形。
设外部计数时钟周期为TINT0，锯齿波周期（PWM脉冲周期）为TPWM，PWM脉冲宽度占空比为D，由图5可得出如下关系：
由式（3）可知，PWM波形的周期TPWM一旦确定下来，只须选定计数最大值N，就可以确定外部时钟脉冲所需周期（频率）。
外部时钟脉冲周期TINT0显然是PWM脉冲宽度变换的最小步距，即调节精度。
由式（4）可知，N越大，步距所占PWM周期的百分比越小，精度越高。
例如，若采用8位整型变量，最大值N=28-1=255，则精度为1／（255+1）=1／255；若采用16位
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