???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1.5ms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0.6mV，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±0.3%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。?
?
//关键程序及注释：??
//定时器T0中断，向8253发送控制字和数据??
void?T0Int()?interrupt?1??
{??
????TH0?=?0xB1;??
????TL0?=?0xE0;?//20ms的时钟基准??
????//先写入控制字，再写入计数值??
????SERVO0?=?0x30;?//选择计数器0，写入控制字??
????PWM0?=?BUF0L;?//先写低，后写高??
????PWM0?=?BUF0H;??
????SERVO1?=?0x70;?//选择计数器1，写入控制字??
????PWM1?=?BUF1L;??
????PWM1?=?BUF1H;??
????SERVO2?=?0xB0;?//选择计数器2，写入控制字??
????PWM2?=?BUF2L;??
????PWM2?=?BUF2H;??
}??
?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(0.5～2.5ms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0.5~2.5ms。晶振12M#includeunsignedintpwm;unsignedcharflag;sbitp10=P1^0;voidtimer0()interrupt1using1{p10=!p10;pwm=20000-pwm;TH0=pwm/256;T0=pwm%256;flag++;if(flag<10)flag++;if(flag==10&&p10==0){pwm=1250;flag=11;}//保证回到90度左转15；}voidtimer1()interrupt3using1{ET1=0//2ms到关闭定时器1ET0=0;TR0=0;pwm=1750TH0=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2msTR1=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);}
舵机控制程序
8路舵机控制器
芯片：AT89S52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?=82.5ms=====================================================================================/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#defineuintunsignedintuinta,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;elsec=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:4800??fosc=11.0592MHz??IE??|=0x93;????//EnableSerialInterrupt??TR1??=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=b10;}}
舵机控制程序（改变a值可控制任意角度）
#include#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintuinta,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;elsec=20000-a;}voiddelay(longj)????{for(j;j>0;j--);}voidmain(void){TMOD=0x01;//16位定时器工作方式1p10=1;p11=1;a=2500;//180//c=a;TH0=-(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BA66881。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BA6688的3脚输出。该输出送人电机驱动集成电路BA6686，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AT89C2051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AT89C2051的P1．0～Pl.7(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CD40106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。MAX232为电平转换器，将上位机的RS232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AT89C2051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
???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位整型变量，最大值N=216-1=65535，则精度为1／65536。文中计数变量SawVal采用8位整型变量，因此N=255。对于一般应用，其精度已足够。就舵机而言，要求TPWM=20ms，则可算得外部时钟周期为：
??????因此，设计555振荡电路时，其输出脉冲的频率应为：
???当有多个变量与SawVal比较，将比较结果输出到多个端口时。就形成了多路PWM波形。各个变量的值可以独立变化，因此各路PWM波形的占空比也可以独立调节，互不相干。多路PWM波形的产生如图6所示。图中以3路PWM波形为例。
4舵机控制器软件的设计舵机控制器的控制核心为单片机AT89C2051。文中，程序用C5l编写，工作方式为前后台工作方式。单片机程序包括系统初始化程序、串口通信程序、上位机命令解释与PWM脉宽生成程序和多路PWM波形输出程序。串行通信程序和多路PWM波形输出程序采用中断方式。串口通信格式为渡特率9600bps、8位数据位、1位停止位、无校验、ASCII码字符通信。串口通信程序用于接收上位机发送过来的控制命令。控制命令采用自定义文本协议，即协议内容全部为ASCII码字符。通信协议格式如图7所示。
例如，要控制通道1的PWM脉宽，脉宽系数为25，则通信协议内容为“#”“1”“0”“2”“5”“!”这6个字符。这时通道l的PWM占空比为25／256=O．098。一个通道号对应一个PWM脉冲输出端口。本设计为8个通道，号码为l～8，对应单片机的P1．o～P1．7。起始符和终止符起到帧同步的作用。串口通信程序流程如图8所示。
图8中，CHNo存放的是PWM通道号ASCII码，Dutyl00、DutylO、Duoyl分别存放的是脉宽系数的百位数、十位数和个位数的ASCII码(注意，若高位数为O，则该位的字符应为“0”，不能省略。如25，完整字符应为“O”“2”“5”。CharNo为信号量，用于对串口接收的字符顺序以及串口中断与上位机命令解释程序之间进行同步。
5舵机控制器实验图9为舵机控制板输出的其中一路PWM波形(带舵机负载)。从图9中可看出，舵机控制器输出的PWM波形稳定、干净，符合设计要求。
6结论本文提出的多路舵机控制器设计方法，以单片机AT89C2051为核心，由外部振荡电路提供PWM脉冲的定时基准，控制部分与舵机驱动部分由两个电源供电，两者电气隔离。这种设计方案的优点是：PWM波形由外部振荡电路提供定时基准，与单片机内部振荡器的频率无关，不影响串口通信、定时器等参数的配置。PWM波形的调整精度可任意确定。本没计思路可应用于任意多路的PWM输出，只要单片机能提供足够多的输出端口，例如将AT89C2051换成AT89S5l，就可以提供至少24路的PWM输出(P0、Pl、P2)。控制参数由SCI串口输入，适应面广，上位机可以是PC机、单片机或是PLC。本方法具有一般性，任何单片机只要能提供SCI中断、外部中断就可以应用本方法。
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