使用8051单片机控制舵机

8051控制舵机

舵机在电子和嵌入式系统中非常有用，由于可以把它旋转到任何特定的角度，所以广泛应用于玩具、机器人、计算机、汽车、飞机等项目中。舵机的适用范围也很广泛，从高扭矩电机到低扭矩电机都有应用。

先简单了解一下舵机的工作原理，舵机主要告靠PWM（脉宽调制）控制，这意味着它的旋转角度是由控制脉冲的持续时间控制制的。舵机基本上由直流电动机组成，而直流电动机由可变电阻（电位器）和一些齿轮控制。直流电机的输出通过齿轮转换成扭矩。电位器连接到舵机的输出轴上，并计算角度，在到达需要的角度时停止直流电机。

舵机角度控制

舵机可旋转0到180度，可以通过1ms到2ms之间的脉冲持续时间来控制这种程度的旋转。1ms可以旋转0度，1.5ms可以旋转90度和2毫秒脉冲可旋转180度。1至2毫秒之间的持续时间可以旋转舵机到0至180度之间的任何角度。

电路原理图：

电路原理图

舵机有三根控制线，红色的VCC（电源），棕色的为GND，橙色是控制线。控制线连接到8051的引脚P2.0。当这个引脚输出高电平1ms，则舵机旋转到0度，输出高电平1.5ms，则舵机旋转到90度，输出高电平2ms，则舵机旋转到180度。函数“servo_delay”使用8051芯片的定时器生成50us延时。

由于使用8051的定时器0模式1，所以在TMOD寄存器中写入0x01。模式1是16位定时器模式,TH0是16位定时器的高字节，TL0是16位定时器的低字节。将0xff写入TH0,将0xd2写入TL0，在11.0592M的晶振下，值0xffd2将使定时器0产生50us延时。TR引脚用于启动定时器，TF是溢出标志，在溢出时由硬件设置标志，需要通过软件重新设置。

C语言代码：

#include<reg51.h>

sbit output=P2^0;

void msdelay(unsigned int time) // 毫秒级延时函数.

{

unsigned i,j ;

for(i=0;i<time;i++)

for(j=0;j<1275;j++);

}

void servo_delay(int times) // 50us整倍延时函数

{

int m;

for(m=0;m<times;m++)

{

TH0=0xFF;

TL0=0xD2;

TR0=1;

while(TF0==0);

TF0=0;

TR0=0;

}

}

void main()

{

int n;

TMOD=0x01; // 选择 Timer 0, Mode 1

output=0;

while(1)

{

for(n=13;n<28;n=n+2)

{

output=1;

servo_delay(n);

output=0;

servo_delay(260);

msdelay(200);

}

}

}

舵机直流电机控制原理

本文简单介绍在舵机中的直流电机控制原理和方法。下图是控制器原理图，单片机选择stm32f030，驱动选择fm116b，ldo为lp2992，这个可以任意选择兼容的芯片，电压反馈端用tl431进行分流稳压，确保反馈电阻器供电电压的稳定。

舵机的工作原理很简单，处理器实时获取电阻器的ADC值来计算获得当前的角度，如果与预期的角度一致，就不做任何操作，保持当前状态；如果与预期角度不同，就计算出当前角度与预期角度的差值，然后通过PID算法计算出控制量，根据控制量输出PWM控制电机旋转，随着电机旋转，实时角度会越来越接近预期值，控制输出也会越来越小，直到最后为0，就转到了预期的位置。

本方案通过I2C接口获取控制命令，可以实现比传统模拟方式更多的功能。

PWM1和PWM2控制电机转速和方向，当PWM1输出高电平而PWM2输出低电平就是正转，反之就是反转，如果二者都输出低电平就停止。

ADC值需要标定，确定舵机角度为0和180时的ADC采样值，这样才能通过比例计算出任意ADC值对应的角度。

PID这里，ADC得到的角度减去预期角度就是角度差，乘以比例系数构成比例项；角度差的和乘以积分系数构成积分项，积分项要设置上限，防止该值过大影响响应速度；本次角度差与上一次的角度差的差乘以微分系数构成微分项（这里用固定的时间采样，dt固定，故不需要计算变化率了）。三者之和就是预期的输出值，再根据输出限制得到最终的输出值，该值可正可负，注意变量选取要合适。

具体的代码可以查看：

https://github.com/gcrisis/ElectronBot/tree/trans_blocking/2.Firmware/ServoDrive-fw-ll

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