51单片机教程 使用PWM对舵机进行控制

舵机的控制方式

舵机的种类有很多，下面我所展示的是非常常见的SG90舵机（下面简称“舵机”），也是我们这次实验室考核所使用的舵机。

篇幅有限，这里只简单介绍了SG90舵机，想深入研究的同学可以自己去查阅资料。

我们先来了解一下SG90舵机

SG90舵机有三根线：GND、VCC和信号线：

GND（负极）和VCC（正极）都是电源线，可以接在开发板相同标识的排针或与开发板相同的电源上，注意GND要与单片机共地（接在同一个负极上）。

信号线接在单片机的IO口上，我们使用IO口输出PWM来控制舵机。

在对舵机进行控制时，像控制LED灯直接对信号线输出1和0是不能够正常控制的，要使用PWM进行控制：

↑不正确的控制方法，可能是酱紫的

↑使用PWM控制，能随意改变角度

那么下面我们进入正题：使用PWM对舵机进行控制。

舵机能在其旋转范围内（0°~180°）旋转至任意角度，但注意，这不是指能够连续转圈圈，而是像一把量角器，假设设置了30°，那么舵机就会旋转至30°的位置并停下，而不是在原来的位置叠加上30°。

舵机的旋转角度是通过PWM的占空比来调节的，PWM的周期一般为20ms，它们的关系如下表所示：

可以发现，要舵机停在0°的位置并不能将IO口直接置0，180°也不能直接置1。

示例程序

舵机的控制程序其实和LED亮度调节、呼吸灯的程序基本一致，都是使用PWM控制，只不过占空比有范围而已。

下面的程序是在我之前发的PWM的程序上稍作修改得到的，PWM部分就不再解释了，只解释舵机的控制部分。

#include < reg52.h >


#define PWM_T 200                     //产生中断的时间，因为是24MHz，200即100微妙（0.1毫秒）


int PWM_count0 = 0;                    //进入中断的次数
int PWM_count1 = 0;                    //与上面的类似，用于计数
int PWM_F = 0;                        //一个用于计时的标志，作用类似定时器的TF0、TF1


sbit servo = P2^0;                    //舵机信号线所连接的IO口


void PWM_Start()                      //PWM初始化函数，打开了定时器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输出的子函数
{
  if(PWM_count0 <= PWM_value)
  {
    return 1;
  }
  else
  {
    return 0;
  }
}


void main()
{
  PWM_Start();                        //PWM开始运行


  while(1)
  {
    while(1)
    {
      servo = PWM(5);                  //旋转至0°
      if(PWM_F == 1)                  //判断标志是否为1，是则代表着过了1秒
      {
        PWM_F = 0;                    //将标志归零
        break;                        //过了1秒，退出循环
      }
    }


    while(1)
    {
      servo = PWM(10);                //旋转至45°
      if(PWM_F == 1)
      {
        PWM_F = 0;
        break;
      }
    }


    while(1)
    {
      servo = PWM(15);                //旋转至90°
      if(PWM_F == 1)
      {
        PWM_F = 0;
        break;
      }
    }


    while(1)
    {
      servo = PWM(20);                //旋转至135°
      if(PWM_F == 1)
      {
        PWM_F = 0;
        break;
      }
    }


    while(1)
    {
      servo = PWM(25);                //旋转至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)                //过了20ms，完成了一个PWM周期
  {
    PWM_count0 = 0;                    //清零，重新开始计数
    PWM_count1++;
    if(PWM_count1 == 50)              //PWM_count0清零了50次，也就是说过了20ms*50=1000ms=1s
    {
      PWM_count1 = 0;                  //清零，重新开始计数
      PWM_F = 1;                      //标志置1，说明已经过了2s
    }
  }
}

我在程序中并没有使用软件延时（delay()函数），这在PWM那篇文章中也说过了，软件延时期间无法改变IO口的高低电平输出，PWM也就失效了。

我的做法是设置一个标志PWM_F（也可以直接判断PWM_count1的值），当达到设定的时间就退出循环，否则就回到循环进行PWM输出。

如果你觉得这样做比较麻烦，也可以调用另一个定时器来计时，不过定时器的数量是有限的（51只有两个，52、STC15F2K60S2有三个）。

在写PWM的程序时，可以参考我上面的做法，每0.1ms进入一次中断，进入200次（20ms）就完成一次PWM中断，对应着舵机所要求的PWM周期长度，控制起来也会方便很多。

另外，头文件建议使用与单片机型号所匹配的，上面例程中包含reg52.h是为了有较高的兼容性，但这样就有一些资源无法调用。例如STC15F2K60S2，P4引脚（如P47）只有在包含STC15F2K60S2.h时才能被调用。

假如你的舵机不能正常运行，可能是下面的原因：

1.单片机晶振或定时器没有设置正确，例如上面例程对应的是24MHz的频率，下载时选择了默认的11.0592MHz；
2.电源供电不足，可以使用充电宝供电试试。

总结

学会PWM后，舵机的控制其实非常容易，稍作一下改动就行。对舵机感兴趣的同学可以去了解一下其他类型的舵机，使用PWM控制的只是其中一种。