AVR学习笔记十六、舵机控制实验

1、AVR学习笔记十六、舵机控制实验基于 LT_Mini_M1616.1舵机控制实验舵机的英文名称是 Servo，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。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（角度）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。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经 使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。下面是一种舵机的实物图：图1舵机实物图本实

2、例利用AVR单片机ATmega16来实现单片机对舵机的简单控制。本实例有3个功能模块，分别是：单片机系统：使用ATmega16单片机输岀脉冲信号到舵机的信号接收端，通过脉冲信号实现对舵机的转动控制。外围电路：舵机控制电路。程序设计：编写程序实现对舵机的控制。通过本实例，掌握以下知识点：单片机如何实现对舵机的控制。舵机的工作原理和控制方法。编写软件，实现对舵机的控制。16.2器件和原理16.2.1舵机的结构和工作原理舵机是伺服控制系统里最常用的执行机构，其内实际上也是下个闭环的控制系统.舵机只在一根信号线就可以实现机械角度的控制.1 、舵机的结构和连线图2示岀舵机的结构和连线图，标准的舵机有三条

3、控制线，分别为：电源、地及控制。电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源，电压通常介于4V-6V之间,该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）。甚至小伺服马达在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。C Mill 01 （控制线）SERVO Fower I SERVO 电源娃）GND地疑）图2舵机的结构和连线图控制线输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms-2ms之间。而低电平时间应在 5ms到20ms间，并不很严格。图3表示出一个典型的 20ms 周期性脉冲的正脉冲宽度与舵机的输出臂位置的关系：f牡

4、90.-11 一 1 nau 、）*4卉 1斤*f 1 1 Mmtl；、4 w 45.rL 口 JT *艸图3舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系注：如果一直以固定占空比的脉冲控制舵机， 则舵机的角度一直保持不变 （即角度保持） 。 16.2.2 、舵机的控制原理舵机的工作原理是：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

5、转动。 当然我们可以不用去了解它的具体工作原理， 知道它的控制原理就够了。 就 象我们使用晶体管一样， 知道可以拿它来做开关管或放大管就行了， 至于管内的电子具体怎 么流动是可以完全不用去考虑的。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。舵机的控制一般需要一个 20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分的脉宽一般在 0.5ms2.5ms范围内，其实是利用调节固定周期内的占空比（高电平占整个周期的百分 比）来控制角度的变化。以 180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：0.5ms0度；1.0ms45度；1.5ms90度；2.0ms135度；2.5ms180度；注：这只

6、是一种参考数值，具体的参数，请参见舵机的技术参数。小型舵机的工作电压一般为 4.8V或6V，转速也不是很快，一般为 0.22/s度或0.18/s 度，所以假如你更改角度控制脉冲的宽度太快时， 舵机可能反应不过来。 如果需要更快速的 反应，就需要更高的转速了。要精确的控制舵机，其实没有那么容易，很多舵机的位置等级有1024个，那么，如果舵机的有效角度范围为 180度的话，其控制的角度精度是可以达到 180/1024度约 0.18度了， 从时间上看其实要求的脉宽控制精度为2000/1024US约2us。如果你拿了个舵机，连控制精度为 1 度都达不到的话， 而且还看到舵机在发抖。 在这种情况下， 只

7、要舵机的电压没有抖动， 那抖动的就是你的控制脉冲了。 而这个脉冲为什么会抖动呢？当然和你选用的脉冲发生器有 关了。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

8、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。16.2.3 、用单片机实现对舵机的控制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

9、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。2ms，则负脉冲为2ms后发生中断，18ms,再过18ms进具体的设计过程：例如想让舵机转向左极限的角度，它的正脉冲为 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 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 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

10、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。16.3电路和连接本实例主要包含 2部分电路：按键检测电路和舵机控制电路。按键检测用到了实验板上的4各独立按键，分别按下不同的按键，舵机转动不同的角度。按键检测电路前面实例中已经介绍过，在此不再重复。从前面的叙述我们已经知道：舵机控制需要3条线：电源，地，控制线。图 4画岀了单片机与舵机的连接图FBI (Tl)PAa(ADCO)PAI (ADC1

11、)P拓PT3(AlWlCCn)PA3(ADC3)PB4 0S)PA4 (ADC4)FE5(MOS1)PA5(aDC3)PAttAPCS)PA7(AIX：7)PDO (RXD)PCO(SCLPDl(TZD)PCJ (EDA)PE2(iNT0)PC2 (TCK)PKJQNTJFC3 (TMS)FU4(QCl6)PG (TDQ)PB5(OC1A)PC5(TDIJPD (TCP)PCC (TCSC1) |PP7 (OG2)PC?(C3)RESETvccA7CCXT AUGNDXTAL1GNDMCEJJ1213ATitwCilSL-PITi图4单片机与舵机的连接图1、舵机与单片机的连接实际上，单片机只是

12、通过一根线与舵机相连，单片机通过控制该端口输岀不同占空比的方 波信号就可以控制舵机转动不同的角度。2、舵机的电源控制舵机转动时需要消耗比较大的电流，所以舵机的电源最好单独提供，不要和单片机使用同一 路电源。当然，本实例只是演示单片机如何控制舵机转动的，并没有大功率负载，所以可以直接 连接单片机实验板的电源。8.4 程序设计1、程序功能程序的功能是使用输出不同占空比的 PWM 信号控制舵机转动不同的角度。2 函数说明 本程序调用了按键模块程序。关于按键的判断前面已经做过介绍。按键处理程序在此 不再详述 。主程序主要有两个任务： 1、设置定时 /计数器 0 的 0.5ms 中断； 2、在定时中断中

13、根据 中断的发生次数来判断什么时候向舵机发送高低电平信号。由于 WINA VR 自带函数库中的延时函数使用起来很不方便，并且晶振频率不同，延时 时间也有区别，所以本实例中自己写了两个延时函数。3、使用WINAVR开发环境，使用的是外部 12M的晶振，所以需要将 makefile文件中 的时钟频率修改为12M。另外在程序烧录到单片机的时候，熔丝位也要选择为外部12M晶振（注意是晶振， 不是外部振荡器 ，一定不要选择错了， 否则会导致单片机不能再烧写程序） 。4、程序说明略5、程序代码/*AVR 利用 T/C0 定时中断控制舵机转动角度范例* MCU: ATmega16kkkkkk* 作者： ma

14、weili* 编译器： WINAVR2009.3.2*主程序：#include #include #include /中断函数头文件 volatile unsigned char Counter500us;#include key.h/包含按键定义头文件/计时变量，如果在中断中调用全局变量，必须加volatile 来定义，否则变量不会变化unsigned char jiaodu;int main(void)/没有用到的管脚全部设置为输入脚，使能内部上拉电阻DDRB = 0x01;PORTB = 0xfe;DDRC = 0x00;PORTC = 0xff;DDRA = 0x00;PORTA =

15、0xff;/T/C0 定时中断设置TIMSK |= (1 TOIE0); /T/C0 溢出中断允许1024 分频TCCR0 |= (1 CS02) | (1 CS00); / T/C0 工作于普通模式，TCNT0 = 0xfa;(256-250)/12M*1024=500us/定时初值设置，定时时间/ 500us 计时变量清零Counter500us = 0; jiaodu = 1;sei();/使能全局中断while(1)/根据键值设置角度值 switch(KeyValue()case 1: jiaodu = 2; break;case 2: jiaodu = 3; break;case 3

16、: jiaodu = 4; break;case 4: jiaodu = 5; break;case 0:/PORTB = 0x00;break; default:break;/T/C0 定时中断服务程序 ISR(TIMER0_OVF_vect ) /重装计数初值TCNT0 = 0xfa;if(Counter500us jiaodu) PORTB = 0x01;elsePORTB = 0x00;/判断 0.5ms 的次数是否小于角度标识/小于，则继续发送高电平/大于，则输出低电平Counter500us+; /0.5ms 次数加 1Counter500us = Counter500us % 4

17、0;/0.5ms 次数始终为 40，既保持脉冲周期为20ms按键模块程序： /* key.h 按键声明头文件 管脚定义 函数声明 * #ifndef _KEY_H_ #define _KEY_H_/条件编译指令/头文件调用#include #include /按键定义#define key1 (1 PORTD2)#define key2 (1 PORTD3)#define key3 (1 PORTD6)#define key4 (1 PORTD7)/函数声明extern void keyPort_init(void);/按键端口初始化unsigned char keyScan(void);/

18、按键检测extern unsigned char KeyValue(void); / 获取按键值 extern void Delayus(unsigned int lus);/us 延时函数extern void Delayms(unsigned int lms);/ms 延时函数#endif/*key.c*/#include key.h/按键端口初始化void keyPort_init(void)/DDRD = 0x33;/PD2367 定义为输入口/PORTD |= key2 | key3 | key4;/按键 key123 内部上拉电阻使能DDRD = 0x00;/PD 口全部为输入脚PORTD = 0xfb;/按键 key1 内部上拉电阻不使能，其余使能/按键检测unsigned char keyScan(void)if(!(PIND & key4) | (!(PIND & key3) |(!(PIND & key2) | (PIND & key1)/是否有按键按下Delay