如何利用單片機調(diào)PWM波完美教程

舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)其工作原理是：控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓它內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出最后，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)當電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電0位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機停止轉(zhuǎn)動舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置一般舵機的控制要求如圖1所示圖1舵機的控制要求單片機實現(xiàn)舵機轉(zhuǎn)角控制可以使用FPGA、模擬電路、單片機來產(chǎn)生舵機的控制信號，但FPGA成本高且電路復雜對于脈寬調(diào)制信號的脈寬變換，常用的一種方法是采用調(diào)制信號獲取有源濾波后的直流電壓，但是需要50Hz(周期是20ms)的信號，這對運放器件的選擇有較高要求，從電路體積和功耗考慮也不易采用。5mV以上的控制電壓的變化就會引起舵機的抖動，對于機載的測控系統(tǒng)而言，電源和其他器件的信號噪聲都遠大于5mV，所以濾波電路的精度難以達到舵機的控制精度要求也可以用單片機作為舵機的控制單元，使PWM信號的脈沖寬度實現(xiàn)微秒級的變化，從而提高舵機的轉(zhuǎn)角精度單片機完成控制算法，再將計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號輸出到舵機，由于單片機系統(tǒng)是一個數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號的變化完全依靠硬件計數(shù)，所以受外界干擾較小，整個系統(tǒng)工作可靠單片機系統(tǒng)實現(xiàn)對舵機輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個任務：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號，本設計是產(chǎn)生20ms的周期信號；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機模擬PWM信號的輸出，并且調(diào)整占空比當系統(tǒng)中只需要實現(xiàn)一個舵機的控制，采用的控制方式是改變單片機的一個定時器中斷的初值，將20ms分為兩次中斷執(zhí)行，一次短定時中斷和一次長定時中斷這樣既節(jié)省了硬件電路，也減少了軟件開銷，控制系統(tǒng)工作效率和控制精度都很高具體的設計過程：例如想讓舵機轉(zhuǎn)向左極限的角度，它的正脈沖為2ms，則負脈沖為20ms-2ms=18ms，所以開始時在控制口發(fā)送高電平，然后設置定時器在2ms后發(fā)生中斷，中斷發(fā)生后，在中斷程序里將控制口改為低電平，并將中斷時間改為18ms，再過18ms進入下一次定時中斷，再將控制口改為高電平，并將定時器初值改為2ms，等待下次中斷到來，如此往復實現(xiàn)PWM信號輸出到舵機用修改定時器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號，調(diào)整時間段的寬度便可使伺服機靈活運動為保證軟件在定時中斷里采集其他信號，并且使發(fā)生PWM信號的程序不影響中斷程序的運行(如果這些程序所占用時間過長，有可能會發(fā)生中斷程序還未結(jié)束，下次中斷又到來的后果)，所以需要將采集信號的函數(shù)放在長定時中斷過程中執(zhí)行，也就是說每經(jīng)過兩次中斷執(zhí)行一次這些程序，執(zhí)行的周期還是20ms軟件流程如圖2所示圖2產(chǎn)生PWM信號的軟件流程如果系統(tǒng)中需要控制幾個舵機的準確轉(zhuǎn)動，可以用單片機和計數(shù)器進行脈沖計數(shù)產(chǎn)生PWM信號脈沖計數(shù)可以利用51單片機的內(nèi)部計數(shù)器來實現(xiàn)，但是從軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和程序結(jié)構(gòu)的合適性看，宜使用外部的計數(shù)器，還可以提高CPU的工作效率實驗后從精度上考慮，對于FUTABA系列的接收機，當采用1MHz的外部晶振時，其控制電壓幅值的變化為0.6mV，而且不會出現(xiàn)誤差積累，可以滿足控制舵機的要求最后考慮數(shù)字系統(tǒng)的離散誤差，經(jīng)估算誤差的范圍在±0.3%內(nèi)，所以采用單片機和8253、8254這樣的計數(shù)器芯片的PWM信號產(chǎn)生電路是可靠的圖3是硬件連接圖

圖3PWA信號的計數(shù)和輸出電路(點擊放大)基于8253產(chǎn)生PWM信號的程序主要包括三方面內(nèi)容：一是定義8253寄存器的地址，二是控制字的寫入，三是數(shù)據(jù)的寫入軟件流程如圖4所示，具體代碼如下//定時器T0中斷，向8253發(fā)送控制字和數(shù)據(jù)

voidT0Int()interrupt1

{

TH0=0xB1;

TL0=0xE0;//20ms的時鐘基準

//先寫入控制字，再寫入計數(shù)值

SERVO0=0x30;//選擇計數(shù)器0，寫入控制字

PWM0=BUF0L;//先寫低，后寫高

PWM0=BUF0H;

SERVO1=0x70;//選擇計數(shù)器1，寫入控制字

PWM1=BUF1L;

PWM1=BUF1H;

SERVO2=0xB0;//選擇計數(shù)器2，寫入控制字

PWM2=BUF2L;

PWM2=BUF2H;

}

圖4基于8253產(chǎn)生PWA信號的軟件流程當系統(tǒng)的主要工作任務就是控制多舵機的工作，并且使用的舵機工作周期均為20ms時，要求硬件產(chǎn)生的多路PWM波的周期也相同使用51單片機的內(nèi)部定時器產(chǎn)生脈沖計數(shù)，一般工作正脈沖寬度小于周期的1/8，這樣可以在1個周期內(nèi)分時啟動各路PWM波的上升沿，再利用定時器中斷T0確定各路PWM波的輸出寬度，定時器中斷T1控制20ms的基準時間第1次定時器中斷T0按20ms的1/8設置初值，并設置輸出I/O口，第1次T0定時中斷響應后，將當前輸出I/O口對應的引腳輸出置高電平，設置該路輸出正脈沖寬度，并啟動第2次定時器中斷，輸出I/O口指向下一個輸出口第2次定時器定時時間結(jié)束后，將當前輸出引腳置低電平，設置此中斷周期為20ms的1/8減去正脈沖的時間，此路PWM信號在該周期中輸出完畢，往復輸出在每次循環(huán)的第16次(2×8=16)中斷實行關定時中斷T0的操作，最后就可以實現(xiàn)8路舵機控制信號的輸出也可以采用外部計數(shù)器進行多路舵機的控制，但是因為常見的8253、8254芯片都只有3個計數(shù)器，所以當系統(tǒng)需要產(chǎn)生多路PWM信號時，使用上述方法可以減少電路，降低成本，也可以達到較高的精度調(diào)試時注意到由于程序中脈沖寬度的調(diào)整是靠調(diào)整定時器的初值，中斷程序也被分成了8個狀態(tài)周期，并且需要嚴格的周期循環(huán)，而且運行其他中斷程序代碼的時間需要嚴格把握在實際應用中，采用51單片機簡單方便地實現(xiàn)了舵機控制需要的PWM信號對機器人舵機控制的測試表明，舵機控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，PWM占空比(0.5～2.5ms的正脈沖寬度)和舵機的轉(zhuǎn)角(-90°～90°)線性度較好/***************************************************************************/

/*杭州電子&計算機工作室*/

/**/

/*步進電機演示程序*/

/*目標器件：AT89S51*/

/*晶振:11.0592MHZ*/

/*編譯環(huán)境：Keil7.50A*/

/***************************************************************************/

/*********************************包含頭文件********************************/

#include<reg51.h>

/*********************************端口定義**********************************/

sbitkey=P1^4;

/****************************************************************************

函數(shù)功能:延時子程序

入口參數(shù):

出口參數(shù):

****************************************************************************/

voiddelay(void)

{

intk;

for(k=0;k<2000;k++);

}

/****************************************************************************

函數(shù)功能:主程序

入口參數(shù):

出口參數(shù):

****************************************************************************/

voidmain()

{

P0=0x00;//輸出全高

key=1;//按鍵置輸入狀態(tài)

while(1)//主循環(huán)

{

if(key==1)//無鍵按下正轉(zhuǎn)

{

P0=0xFC;//1100

delay();

P0=0xF6;//0110

delay();

P0=0xF3;//0011

delay();

P0=0xF9;//1001

delay();

}

else//有鍵按下反轉(zhuǎn)

{

P0=0xFC;//1100

delay();

P0=0xF9;//1001

delay();

P0=0xF3;//0011

delay();

P0=0xF6;//0110

delay();

}

}

}利用定時/計數(shù)器T0從P1.0輸出周期為1s的方波，

讓發(fā)光二極管以1HZ閃爍，

#include<reg52.h>//52單片機頭文件

#include<intrins.h>//包含有左右循環(huán)移位子函數(shù)的庫

#defineuintunsignedint//宏定義

#defineucharunsignedchar//宏定義

sbitP1_0=P1^0;

uchartt;

voidmain()//主函數(shù)

{

TMOD=0x01;//設置定時器0為工作方式1

TH0=(65536-50000)/256;

TL0=(65536-50000)%256;

EA=1;//開總中斷

ET0=1;//開定時器0中斷

TR0=1;//啟動定時器0

while(1);//等待中斷產(chǎn)生

}

voidtimer0()interrupt1

{

TH0=(65536-50000)/256;

TL0=(65536-50000)%256;

tt++;

if(tt==20)

{

tt=0;

P1_0=~P1_0;

}

}//12MHz

#include<reg51.h>

voidInitTimer0(void)

{

TMOD=0x01;

TH0=0x0B1;

TL0=0x0E0;

EA=1;

ET0=1;

TR0=1;

}

voiddelay(void)//誤差0us延時1ms此處可以修改高電平周期

//修改此處的延時可以更改舵機轉(zhuǎn)的角度，45度具體是多少你可以試試

{

unsignedchara,b,c