本文介绍使用如何51单片机控制舵机转动、加减速。

背景

这边文章是2016年上大学的时候写的，当时还不太懂做一个自己的网站，这篇文章写在了新浪博客上，排版阅读体验极差，重新把他整理处理出来，我的网站SEO还行，希望帮助更多人吧。

关于舵机，网络和书本上，很难找到详细的资料，我在2015年准备中国工程机器人暨国际公开赛的时候，做了一个采用舵机驱动的车型搬运机器人。由于当时知识有限，使用90系列51单片机，无法生成满足舵机精度要求的PWM，导致一个舵机的控制问题花费了近半年时间，并没有按照预期参加比赛（这个也真的不怪谁，不走个弯路）。

关于舵机的控制，我查询过一些资料，也请教过实验室的老师，但是结果都很不满意。舵机乱转，转速控制不精确，出现过各种问题。最终，硬是通过砸钱和砸时间（20块一个的PWM调制器不知道烧了多少- -！这个反正烧的不是我的，不心疼，但是90块一个舵机，加上60块一个的航模PWM舵机调制器还是砸了几百块进去的），和小伙伴通过实验，反复测试得到的结果，在这里分享出来，希望能帮助到感兴趣的铁子们。

舵机VS减速电机

我们知道，普通的减速电机也能转，舵机也能转，那这两个玩意儿有什么区别？

舵机，按照转动的方式，可以分为180°和360°连续旋转舵机。

• 180°舵机，顾名思义，就是只能旋转180°的舵机，我们可以通过PWM，精确的控制舵机旋转的角度。舵机从0°转到180°就不能继续转了，只能往回去转。另外，180°舵机无法调速，就是说，他始终会以最快速度，朝着你设定的角度旋转，直到旋转到目标角度刹停。因此，180°舵机在航模（控制飞机机翼）、双足机器人等很多场景中都有使用。

• 360°连续旋转舵机，顾名思义，就是可以朝着顺时针或者逆时针的方向，按照一定的速度一直转。可以通过PWM，控制舵机的旋转方向和速度，因此，也常常用于车型机器人的驱动上。360°舵机是无法控制旋转的角度的，只可以控制转和停、正转和反转以及转速。

  
  
  360°舵机
  
  

减速电机，其实类似于360°连续旋转舵机，也常用小车的动力，就通电就一直转呗，断电就停呗。一般在某宝上面买的什么寻迹机器人，都是使用的减速电机。

减速电机

减速电机和舵机的区别是：

• 硬件上：由于舵机内置有电路，因此我们做机器人设计电路的时候，仅需要设计好阴阳极和PWM信号输入的接口，非常简单。而普通的减速电机在设计电路的时候，则需要考虑到驱动芯片，就比较复杂了。淘宝上有现成的l298n驱动模块，买回来可以直接用了。
• 控制难度上，舵机对于PWM的精度要求非常高，而电机相对就不高。
• 价格方面：通常来说，舵机的价格是普通减速电机的很多倍，就记得之前带一个中学的学生参加机器人比赛，结果土豪学校用的舵机是300块一个的磁传感舵机。一个机器人，四个轮子就1200出去了，真的有钱。
• 转动效果上：减速电机转速高，扭矩小（说人话，如果车轻，跑的飞快，车重就跑不动）。舵机通常转速一般，扭矩大（说人话，车重车轻影响不大，始终能以一个固定的最大速度跑）。
• 个人认为最核心的差别：舵机是带刹停的。什么意思？如果减速电机需要停止转动，那就断电呗。但是假如一个小车在斜坡上，那减速电机就很难让小车刹住，断电就滑下去了嘛。反观舵机就比较容易实现了，只需要给一个固定的PWM就能刹住了。因为舵机的停，实际上是通电的，舵机本身是有力量保持住停止的这个状态的。快速响应的拖刹，给定高电平1.5ms的pwm，舵机会立刻刹住以及其充沛的动力这一点是减速电机做不到的。

PWM

上一段中，我提到可以通过PWM，控制舵机转动。咱不做百度百科的搬运工，复制一堆看不懂的东西去解释概念。这里，只要知道，控制舵机，输出一个周期为20ms-30ms（最好20ms），高电平为0.5ms-2.5ms的信号即可，这个信号具体控制舵机的范围如下：

• 对于180°舵机而言，PWM高电平0.5-2.5ms每一个值对应一个角度，比如0.5ms对应转动到0°的位置，那1.5ms就对应转动到90°的位置，那2.5ms就对应转动到180°的位置。
• 对于360°舵机而言，PWM高电平0.5-1.5ms为正转区间，1.5-2.5ms为反转区间，1.5ms为舵机刹车点，调速的区间通常在1.5ms左右0.1ms宽度的范围内。举个例子，我使用的舵机，高电平0.5ms-1.37ms为以最大速度正转，正转的调速高电平区间为1.37ms-1.47ms（高电平越靠近1.5ms，舵机转速越慢），高电平1.53ms-2.5ms为以最大速度反转，反转调速高电平区间为：1.53-1.63ms（高电平越靠近1.5ms，舵机转速越慢），刹车高电平区间为：1.47-1.53ms。

PWM示意图

关于硬件上的设计，无非是保证供电的稳定和预留出PWM的接口，这里就不详细说明了，这里附上一张原理图，感兴趣的小伙伴可以研究一下。如果舵机反向电流很大，建议加上光耦隔离。

舵机控制原理图

STC90系列能控制360°舵机吗？

这里对360°舵机如果通过51单片机的程序进行控制做详细的说明。如何使用51单片机产生我们需要的PWM？用定时器嘛！当然，我一开始也是这么想的，看看下面这段程序：

#include <reg51.h>

unsigned int i=1;
int n;

void ste360(n){
  TMOD=0X01;
  TL0=0XF6; // 0.01ms
  TH0=0XFF;
  TR0=1;
  EA=1;
  ET0=1;
  P1=0X00; 
	while(1);
}

void _pwm() interrupt 1 {
  TH0=0xff; // 0.01ms
  TL0=0xF6;
	i++;

	if(i<=n){
		P1=0XFF; // 1.37<<1.47-1.54<<1.63
	} else P1=0x00;

	if(i>=2000){
		i=1;
	}

}

看起来程序好像没有什么问题，ste360(n)这个函数，n就可以控制pwm高电平的时间，我设定定时器为每0.01ms进入一次中断，所以，要想得到1.5ms高电平，是不是n填写150就行了？答案是否定的，虽然程序逻辑是没有问题的，计算出来确实是1.5ms，但是现实中，很有可能是高电平为3ms+，为什么？这个问题困惑了我挺久，我和一位学长也讨论过，他认为：编译过程中，会将我们写的c文件，编译成汇编文件，然后转成机器语言，这个过程中可能会有误差。而我觉得，主要是晶振本身是有误差，其次，这样反复的进入中断，细小的误差会被无限的放大。最后，可能STC90系列的单片机设计有缺陷？我也不确定。因为同样是使用c，stm32上pwm的精度高的离谱。所以，使用STC90系列单片机（所有只有8位定时器的51单片机）来控制舵机，在我看来，是完全不可行的（我在很长一段时间里，极力优化代码，尝试过各种思路，但是结果只能说有提升，但是远远达不到控制舵机的要求）。当然了，还是要有点朋克精神，铁子们也可以自己写点小程序，打在示波器上看看，STC90系列的单片机能不能生成满足精度要求的PWM。

STC12系列能控制360°舵机吗？

不能用定时器，那怎么办？stc12系列的51单片机是自带8位pwm波形发生器，是不是可以用12系列的单片机实现？看程序：

#include <reg51.h>

sfr CCON=0xD8;
//CF CR - - | - - CCF1 CCF0
//-----------------------------
//CF:PCA计数阵列溢出标志.计数值翻转时由硬件置位。
//CR:PCA计数阵列运行控制位。
//CCF1:PCA模块1中断标志。当出现匹配或者捕获时由硬件置位。
//CCF0:PCA模块0中断标志。当出现匹配或者捕获时由硬件置位。
           /
sfr CCAP0L=0xEA;//PCA模块0的捕捉/比较寄存器低8位
sfr CCAP0H=0xFA;//PCA模块0的捕捉/比较寄存器高8位

sfr CCAPM0=0xDA;//PCA模块0的工作模式寄存器
//---------------------------------------
//7   6   5     4     3   2    1    0
//- ECMn CAPPn CAPNn MATn T0Gn PWMn ECCFn
//----------------------------------------
//ECOMn:使能比较器，1时使能比较器功能
//CAPPn：正捕获，1时使能上升沿捕获
//CAPNn：负捕获，1时使能下降沿捕获
//MATn:匹配:1时，PCA计数器的值与模块的比较/捕获寄存器的值匹配将置位CCON寄存器中断标志位CCFn
//T0Gn:翻转，1时，工作在PCA告诉输出模式，PCA计数器的值与模块的比较/捕获寄存器的值匹配将是CEXn脚翻转
//PWMn:脉宽调节输出模式，1时，使能CEXn脚用做PWM输出
//EECFn:使能CCFn中断，使能寄存器CCON中的捕获/比较标志CCFn，用来产生中断
sfr PCA_PWM0=0xF2;//PCA模块0,PWM寄存器
//-----------------------------------
//        7 6 5 4   3 2   1    0   
//PCA_PWMn:- - - - | - - EPCnH EPCnL
//-----------------------------------
sfr CCAP1L=0xEB;
sfr CCAP1H=0xFB;
sfr CCAPM1=0xDB;
sfr PCA_PWM1=0xF3;//
sbit CR=0xDE;//因为只有能和8整除的才能位寻址，所以能些0xDE，看起来有冲突，实际上不会。
sfr AUXR1=0xA2;//PWM引脚位置 串口2位置 双DPTR选择 AD转换结果存放方式调整 SPI位置调整

void ini_T0(void)
{
    TMOD=0x02;//T0方式2
    TH0=0xb2; //12MH时
    TL0=0xb2;
    TR0=1;
}

//频率为50HZ 周期的1/50=0.02s,将0.02S分成256分：0.02/256=0.000078125S=0.078125ms
//0.078125为一份的时间 一共256份
//CCAP0L=223;CCAP0H=223;为2.5ms //243时约为1ms (0.9375)
//CCAP0L=249;CCAP0H=248;为0.5ms //236时为1.5ms (1.484375)
                                //230为2ms (2.03125)

void main(void)
{
   ini_T0();  //方式2，0.078125ms溢出，每溢出一次CL加1
    CMOD=0x04;//定时器0溢出率作为时钟输入
    //CIDL - - -  CPS2 CPS1 CPS0 ECF
    //--------------------------------
    //CIDL:计数阵列空闲控制，0时，空闲模式下PCA计数器继续工作；1时空闲模式PCA停止工作。
    //----------------------------------------------
    //CPS2 CPS1 CPS0: PCA计数脉冲选择
    //000:系统时钟，FOSC/12
    //001:系统时钟，FOSC/2
    //010:定时器0的溢出，可实现可调频率PWM输出
    //011:ECI/P3.4脚的外部时钟输入(最大速率FOSC/2)
    //100:系统时钟,FOSC
    //101:系统时钟/4,FOSC/4
    //110:系统时钟/6,FOSC/6
    //111:系统时钟/8,FOSC/8
    //-----------------------------------------------
    //ECF:PCA计数溢出中断使能:1时，使能寄存器CCON CF位的中断。0时禁止该功能。
    CL=0x00;//清零自由递增计数的16位定时器的值
    CH=0x00;//CH0为00  看结构图，CL前面是永远是0
  
    //CCAP0L=223;//装入比较初值
    //CCAP0H=223;
    PCA_PWM0=0x00; //EPC0H=0,EPC0L=0
    CCAPM0=0x42;//设置ECOM1=1,PWM1=1.
  
    //CCAP1L=223;
    //CCAP1H=223;
    PCA_PWM1=0x00;//EPC1H=0,EPC1L=0
    CCAPM1=0x42;//设置ECOM1=1,PWM1=1.
    CR=1;//CR=1,启动PCA阵列计数。  看151页，其中和CMOD的CIDL位有关，又和IDLE有关，看183页。
  
  
    //AUXR1=0xc0;//PWM0从P1.3切换到P4.2
       //PWM1从P1.4切换到P4.3
    while(1)
    {
    		//========================两舵机停止，中位调节用
        CCAP0L=236;//装入比较初值
        CCAP0H=236;
        CCAP1L=230;//装入比较初值
        CCAP1H=230;
        while(1);
    }
}

至于怎么调整pwm的高电平，修改上面CCAPXL和CCAPXH就可以了。是不是大功告成了呢？并没有！测试中我在示波器上发现，CCAPXH和CCAPXL的值每改变1，PWM高电平改变0.07ms左右。那么问题来了，在前面我提到过，360°舵机调速的区间，只有0.1ms(1.47-1.37=0.1），这个0.07，是可以让舵机实现正转反转，以及停止，但是没办法调速，循迹小车是需要控制车子两侧的轮子产生转速差来控制方向的，没法调速，就没法实现循迹。造成这个问题的原因是什么？8位的pwm模块，8位的pwm，上面程序中的注释中有这样一段:

//频率为50HZ 周期的1/50=0.02s,将0.02S分成256分：0.02/256=0.000078125S=0.078125ms

//0.078125为一份的时间 一共256份

很清楚了吧！频率50HZ就是周期为20ms的PWM，8位的计数器，最大值是256，精度只能到0.07ms左右。

51单片机还能控制360°舵机吗？

那么是不是51单片机控制不了360°舵机呢？当然还是可以控制的，关键要选择一款好芯片。我最终发现了STC15W4K32S4系列单片机，这个系列的芯片带6路15位的PWM波形发生器，也有16位的定时器，自动重装模式能够实现8~16位的PWM。真的挺服STC的产品线的，他还有一个STC15系列单片机，不带PWM波形发生器。我真以为它15打头的全系都不带PWM波形发生器。

具体的程序在这里我就不列出来了，STC15W4K32S4自带pwm波形发生器的示例代码在官方文档的1056页，自动重装模式实现8~16位PWM的示例代码在官方文档的991页。

//对于15位PWM波形发生器而言，频率为50HZ 周期的1/50=0.02s,将20ms分成32768份：20/32768≈0.0006ms

//0.0006为一份的时间 一共32768份

所以，15位的PWM波形发生器，精度足够生成能够控制舵机的PWM了。

舵机供电很重要

前面所述，360°舵机的控制基本上能通过STC15W4K32S4系列单片机或者其他带15、16位PWM波形生成器的单片机解决，其实180°舵机相似，程序都是一样的。但是，尤其需要注意一下供电的问题，舵机要求的电压为6v-7.2v，你也许会发现5v其实舵机也能转，但是，低电压会带来很多未知的问题，比如舵机乱转，曾经有一段时间，我陷入舵机乱转的怪圈，我以为是我程序的问题，但是示波器显示没问题，以至于我以为是舵机坏了。实际上，是电池的问题，电池用的时间长了，电压不足，让舵机乱转。所以，建议使用航模sss电池，这个电池是11.2V的，使用降压模块，降成7.2v，给舵机供电，降成5v给单片机和传感器供电就行了。

尾巴（听我一句劝环节）

其实，舵机的控制，很简单，保证硬件上供电的稳定，保证软件上，能输出稳定、精度够高的PWM就足够了。个人觉得，这里面最大的坑，莫过于我们学习单片机的过程中，资料太过老旧。我学习51单片机那会儿，教程中使用的STC89、90系列的单片机，速度慢、外设少、价格高。也许当你抱着学习的心态去对待，没有太大的问题。但我相信，能看到这里的我相信，大概率是都对机器人制作感兴趣，刚学单片机（51），然后舵机控制遇到了问题；大概率都是希望通过单片机这样一个工具，去实现自己的一些创意，去做一些小玩意儿出来的。这种情况下，一款老旧的芯片，会给你带来很多不必要的麻烦。

PWM这一个场景为例，就像文本所述，从STC90系列单片机到STC12系列单片机，单片机本身外设太差导致PWM的精度始终达不到要求。当我使用STC15W4K32S4让舵机稳定转起来的时候，心里面真的长舒一口气。当我学习STM32F103时，在示波器上看到无比精准的PWM时，除了吃惊，还有一点想笑，自己要是不学51单片机，直接用STM32，哪有这么多事？

但，听我一句劝吧：作为电子设计的初学者，选择一个性能合适的芯片真的很重要。注意，我这里说的是合适。比如本文提到的舵机控制的场景：

• 我们可以使用51单片机（STC15W4K32S4）实现，前提是，你真的吃透51单片机，看得懂数据手册上不同寄存器是啥意思，STC15W4K32S4能输出精度够用的PWM。
• 我们可以使用arduino实现，那我们就不需要懂寄存器什么的，我们照着各种教程的程序，改一改就能实现，arduino能输出精度很够用的PWM。
• 我们可以使用STM32库开发实现，前提是，我们起码知道怎么调库函数，各种库函数是在干什么，STM32能输出精度完美的PWM。
• 我们可以使用STM32 HAL开发实现，配置一下功能，自动生成工程，稍微改动代码，就能实现，STM32能输出精度完美的PWM。
• 我们可以使用Mbed开发实现，前提是你英文水平还行，起码看得懂英文文档，Mbed支持的ARM芯片能输出精度完美的PWM。
• 我们可以使用树莓派实现。前提是你稍微掌握一点linux的基本知识，学一点python，甚至用C语言都能实现，树莓派能输出精度完美的PWM。

跳出舒适圈，是一件很不容易的事儿，特别是抛弃自己学会的东西，去学一个新的东西。我自己在最初的学习过程中，十分畏惧新的东西，所以想在这里把自己的经验分享出来：

• arduino上手真的比51单片机容易，做个简单的项目真的比51单片机好用。
• STM32也没有想象中那么复杂，51单片机学习需要10天，STM32一个月也就会用了吧。
• 树莓派没有什么上来就linux，听起来的那么复杂，linux和windows一样，就是个操作系统，我们在上面写程序跑就行了，python写代码比C语言简单多了。