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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。
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.void T0Int() interrupt 1
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(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
#include〈reg52.h>
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);
}
舵机控制程序
8路舵机控制器
芯片:
AT89S52
晶振:
12MHz
===================================================================================*/
#include〈REG52。
h〉
#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*2。
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])%
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