驱动舵机, STC8H8K64U高级PWM, STC驱动教程系列
驱动舵机:STC驱动教程系列——STC8H8K64U高级PWM驱动舵机一、前言
看到最近有朋友在群里问下图的这种舵机（SG90）怎么驱动，有小伙伴直接毫不犹豫脱口而出了一句定时器，当然早期的MCU用这个当然没问题，但是新款的MCU还有这个就显得有那么点过时了，这里我们分享一种新的思路——PWM驱动（当然驱动方式包括但不限于PWM，这里只提供一种比较常见的解决方案）。
二、舵机驱动原理及使用PWM驱动的意义
众所周知，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。在高档遥控玩具，如飞机、潜艇模型，遥控机器人中已经得到了普遍应用。他可以根据输入脉冲信号的高电平时间直接输出对应的角度，高电平时间和角度的关系如下图所示：
可以看到上图中每一个脉冲的周期是20ms（相邻两个上升沿信号之间的时间差为20ms）,即频率为50HZ，其次脉冲宽度为0.5ms舵机处于0度位置，脉冲宽度为2.5ms,舵机处于180度位置，脉冲宽度为1.5ms舵机处于90度位置，中间的角度就可以按照这个关系去映射咯。
当然上述的波形直接用软件的延时也是可以时间的对吧，例如我要转到0度，我也可以这样弄。现在ISP软件的软件延时计算器里生成如下两个延时：
然后假设使用P60端口那么将端口初始化为准双向口或者推挽输出口，随后写如下代码就可以将舵机保持在0度了对不。
P60=1;
Delay500us();
P60=0;
Delay500us();
Delay19ms();当然，用延时也能输出的波形，定时器当然也可以，但是用延时太浪费MCU的性能，尤其是多路舵机同时以不同的角度控制的话，简直生不如dead；这里强烈不建议，定时器的话虽然能解决CPU占用的问题，但是他会频繁的进入中断，对于我们做产品的人来说，如果能有最优解那么定时器的方法并不可取。这里直接使用硬件的PWM，我们只要配置好周期，往比较寄存器写入比较值就能直接输出PWM了，不需要进入中断，更不需要延时，只要MCU不断电，这个PWM能跑到地老天荒，毕竟这是硬件实现的，稳定性更高，精度更高。
三、代码的实现
这里直接贴上我们的测试代码再来分段讲解：
#include "reg51.h" //包含此头文件后，里面声明的寄存器不需要再手动输入，避免重复定义
#include "intrins.h"
#define MAIN_Fosc 24000000L //定义主时钟
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;
typedef unsigned long u32;
//手动输入声明"reg51.h"头文件里面没有定义的寄存器
sfr TH2= 0xD6;
sfr TL2= 0xD7;
sfr IE2 = 0xAF;
sfr INT_CLKO = 0x8F;
sfr AUXR = 0x8E;
sfr P_SW1 = 0xA2;
sfr P_SW2 = 0xBA;
sfr P4 = 0xC0;
sfr P5 = 0xC8;
sfr P6 = 0xE8;
sfr P7 = 0xF8;
sfr P1M1 = 0x91; //PxM1.n,PxM0.n =00--->Standard, 01--->push-pull
sfr P1M0 = 0x92; // =10--->pure input,11--->open drain
sfr P0M1 = 0x93;
sfr P0M0 = 0x94;
sfr P2M1 = 0x95;
sfr P2M0 = 0x96;
sfr P3M1 = 0xB1;
sfr P3M0 = 0xB2;
sfr P4M1 = 0xB3;
sfr P4M0 = 0xB4;
sfr P5M1 = 0xC9;
sfr P5M0 = 0xCA;
sfr P6M1 = 0xCB;
sfr P6M0 = 0xCC;
sfr P7M1 = 0xE1;
sfr P7M0 = 0xE2;
sbit P00 = P0^0;
sbit P01 = P0^1;
sbit P02 = P0^2;
sbit P03 = P0^3;
sbit P04 = P0^4;
sbit P05 = P0^5;
sbit P06 = P0^6;
sbit P07 = P0^7;
sbit P10 = P1^0;
sbit P11 = P1^1;
sbit P12 = P1^2;
sbit P13 = P1^3;
sbit P14 = P1^4;
sbit P15 = P1^5;
sbit P16 = P1^6;
sbit P17 = P1^7;
sbit P20 = P2^0;
sbit P21 = P2^1;
sbit P22 = P2^2;
sbit P23 = P2^3;
sbit P24 = P2^4;
sbit P25 = P2^5;
sbit P26 = P2^6;
sbit P27 = P2^7;
sbit P30 = P3^0;
sbit P31 = P3^1;
sbit P32 = P3^2;
sbit P33 = P3^3;
sbit P34 = P3^4;
sbit P35 = P3^5;
sbit P36 = P3^6;
sbit P37 = P3^7;
sbit P40 = P4^0;
sbit P41 = P4^1;
sbit P42 = P4^2;
sbit P43 = P4^3;
sbit P44 = P4^4;
sbit P45 = P4^5;
sbit P46 = P4^6;
sbit P47 = P4^7;
sbit P50 = P5^0;
sbit P51 = P5^1;
sbit P52 = P5^2;
sbit P53 = P5^3;
sbit P54 = P5^4;
sbit P55 = P5^5;
sbit P56 = P5^6;
sbit P57 = P5^7;
/****************************** 用户定义宏 ***********************************/
#define Timer0_Reload (65536UL -(MAIN_Fosc / 1000)) //Timer 0 中断频率, 1000次/秒
#define PWMA_ENO (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEB1)
#define PWMA_PS (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEB2)
#define PWMB_ENO (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEB5)
#define PWMB_PS (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEB6)
#define PWMA_CR1 (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEC0)
#define PWMA_CR2 (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEC1)
#define PWMA_SMCR (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEC2)
#define PWMA_ETR (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEC3)
#define PWMA_IER (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEC4)
#define PWMA_SR1 (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEC5)
#define PWMA_SR2 (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEC6)
#define PWMA_EGR (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEC7)
#define PWMA_CCMR1 (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEC8)
#define PWMA_CCMR2 (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEC9)
#define PWMA_CCMR3 (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFECA)
#define PWMA_CCMR4 (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFECB)
#define PWMA_CCER1 (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFECC)
#define PWMA_CCER2 (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFECD)
#define PWMA_CNTRH (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFECE)
#define PWMA_CNTRL (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFECF)
#define PWMA_PSCRH (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFED0)
#define PWMA_PSCRL (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFED1)
#define PWMA_ARRH (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFED2)
#define PWMA_ARRL (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFED3)
#define PWMA_RCR (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFED4)
#define PWMA_CCR1H (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFED5)
#define PWMA_CCR1L (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFED6)
#define PWMA_CCR2H (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFED7)
#define PWMA_CCR2L (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFED8)
#define PWMA_CCR3H (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFED9)
#define PWMA_CCR3L (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEDA)
#define PWMA_CCR4H (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEDB)
#define PWMA_CCR4L (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEDC)
#define PWMA_BKR (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEDD)
#define PWMA_DTR (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEDE)
#define PWMA_OISR (*(unsigned charvolatile xdata *)0xFEDF)
/*****************************************************************************/
#define PWM1_1 0x00 //P:P1.0N:P1.1
#define PWM1_2 0x01 //P:P2.0N:P2.1
#define PWM1_3 0x02 //P:P6.0N:P6.1
#define PWM2_1 0x00 //P:P1.2/P5.4N:P1.3
#define PWM2_2 0x04 //P:P2.2N:P2.3
#define PWM2_3 0x08 //P:P6.2N:P6.3
#define PWM3_1 0x00 //P:P1.4N:P1.5
#define PWM3_2 0x10 //P:P2.4N:P2.5
#define PWM3_3 0x20 //P:P6.4N:P6.5
#define PWM4_1 0x00 //P:P1.6N:P1.7
#define PWM4_2 0x40 //P:P2.6N:P2.7
#define PWM4_3 0x80 //P:P6.6N:P6.7
#define PWM4_4 0xC0 //P:P3.4N:P3.3
#define ENO1P 0x01
#define ENO1N 0x02
#define ENO2P 0x04
#define ENO2N 0x08
#define ENO3P 0x10
#define ENO3N 0x20
#define ENO4P 0x40
#define ENO4N 0x80
#define PWM_PSCR 99 //设置分频
#define PWM_PERIOD4799 //设置周期值
#define PWM_Min 120
#define PWM_Max 600
/*************本地变量声明 **************/
bit B_1ms; //1ms标志
u16 PWM1_Duty = PWM_Min;
u16 PWM2_Duty = PWM_Min;
u16 PWM3_Duty = PWM_Min;
u16 PWM4_Duty = PWM_Min;
bit PWM1_Flag;
bit PWM2_Flag;
bit PWM3_Flag;
bit PWM4_Flag;
void UpdatePwm(void);
/******************** 主函数 **************************/
void main(void)
{
P_SW2 |= 0x80; //扩展寄存器(XFR)访问使能
P0M1 = 0x00; P0M0 = 0x00; //设置为准双向口
P1M1 = 0x00; P1M0 = 0x00; //设置为准双向口
P2M1 = 0x00; P2M0 = 0x00; //设置为准双向口
P3M1 = 0x00; P3M0 = 0x00; //设置为准双向口
P4M1 = 0x00; P4M0 = 0x00; //设置为准双向口
P5M1 = 0x00; P5M0 = 0x00; //设置为准双向口
P6M1 = 0x00; P6M0 = 0x00; //设置为准双向口
P7M1 = 0x00; P7M0 = 0x00; //设置为准双向口
PWM1_Flag = 0;
PWM2_Flag = 0;
PWM3_Flag = 0;
PWM4_Flag = 0;
PWM1_Duty = 0;
PWM2_Duty = 256;
PWM3_Duty = 512;
PWM4_Duty = 1024;
//Timer0初始化
AUXR = 0x80; //Timer0 set as 1T, 16 bits timer auto-reload,
TH0 = (u8)(Timer0_Reload / 256);
TL0 = (u8)(Timer0_Reload % 256);
ET0 = 1; //Timer0 interrupt enable
TR0 = 1; //Tiner0 run
PWMA_CCER1 = 0x00; //写 CCMRx 前必须先清零 CCxE 关闭通道
PWMA_CCER2 = 0x00;
PWMA_CCMR1 = 0x68; //通道模式配置
PWMA_CCMR2 = 0x68;
PWMA_CCMR3 = 0x68;
PWMA_CCMR4 = 0x68;
PWMA_CCER1 = 0x55; //配置通道输出使能和极性
PWMA_CCER2 = 0x55;
PWMA_PSCRH = (u8)(PWM_PSCR>>8); //设置分频
PWMA_PSCRL = (u8)(PWM_PSCR);
PWMA_ARRH = (u8)(PWM_PERIOD >> 8);//设置周期时间
PWMA_ARRL = (u8)PWM_PERIOD;
PWMA_ENO = 0x00;
PWMA_ENO |= ENO1P; //使能输出
PWMA_ENO |= ENO1N; //使能输出
PWMA_ENO |= ENO2P; //使能输出
PWMA_ENO |= ENO2N; //使能输出
PWMA_ENO |= ENO3P; //使能输出
PWMA_ENO |= ENO3N; //使能输出
PWMA_ENO |= ENO4P; //使能输出
PWMA_ENO |= ENO4N; //使能输出
PWMA_PS = 0x00;//高级 PWM 通道输出脚选择位
PWMA_PS |= PWM1_3; //选择 PWM1_3 通道
PWMA_PS |= PWM2_3; //选择 PWM2_3 通道
PWMA_PS |= PWM3_3; //选择 PWM3_3 通道
PWMA_PS |= PWM4_3; //选择 PWM4_3 通道
PWMA_BKR = 0x80; //使能主输出
PWMA_CR1 |= 0x01; //开始计时
P40 = 0; //给LED供电
EA = 1; //打开总中断
while (1)
{
}
}
/********************** Timer0 1ms中断函数 ************************/
void timer0(void) interrupt 1
{
static u8 count=0;
count++;
if( count>=50 )
{
count = 0;
if(!PWM1_Flag)
{
PWM1_Duty+=10;
if(PWM1_Duty >PWM_Max) PWM1_Flag = 1;
}
else
{
PWM1_Duty-=10;
if(PWM1_Duty <= PWM_Min) PWM1_Flag = 0;
}
if(!PWM2_Flag)
{
PWM2_Duty+=10;
if(PWM2_Duty > PWM_Max) PWM2_Flag = 1;
}
else
{
PWM2_Duty-=10;
if(PWM2_Duty <= PWM_Min) PWM2_Flag = 0;
}
if(!PWM3_Flag)
{
PWM3_Duty+=10;
if(PWM3_Duty > PWM_Max) PWM3_Flag = 1;
}
else
{
PWM3_Duty-=10;
if(PWM3_Duty <= PWM_Min) PWM3_Flag = 0;
}
if(!PWM4_Flag)
{
PWM4_Duty+=10;
if(PWM4_Duty > PWM_Max) PWM4_Flag = 1;
}
else
{
PWM4_Duty-=10;
if(PWM4_Duty <= PWM_Min) PWM4_Flag = 0;
}
UpdatePwm();
}
}
//========================================================================
// 函数: UpdatePwm(void)
// 描述: 更新PWM占空比.
// 参数: none.
// 返回: none.
// 版本: V1.0, 2012-11-22
//========================================================================
void UpdatePwm(void)
{
PWMA_CCR1H = (u8)(PWM1_Duty >> 8); //设置占空比时间
PWMA_CCR1L = (u8)(PWM1_Duty);
PWMA_CCR2H = (u8)(PWM2_Duty >> 8); //设置占空比时间
PWMA_CCR2L = (u8)(PWM2_Duty);
PWMA_CCR3H = (u8)(PWM3_Duty >> 8); //设置占空比时间
PWMA_CCR3L = (u8)(PWM3_Duty);
PWMA_CCR4H = (u8)(PWM4_Duty >> 8); //设置占空比时间
PWMA_CCR4L = (u8)(PWM4_Duty);
}注：以上代码基于开天斧的试验箱程序“25-高级PWM1-PWM2-PWM3-PWM4，驱动P6口呼吸灯实验程序”改编。
上述代码：
1.main函数之前就是头文件应用，寄存器定义，变量定义等，具体的可以查阅手册对照哈，这里暂时先不赘述了。
2.main函数开始先将打开这个P_SW2的寄存器的最高位，因为手册说过要用一些特殊寄存器必须打开这，我们的PWM的寄存器都在这里面。
3.然后就是PWMx_Flag和PWMx_Duty（x取值0-3）这两个变量的初始化了，PWMx_Flag是用来设定当前PWM的高电平时间是越来越大还是越来越小的，PWMx_Duty就是当前PWM的高电平计数值。PWMx_Flag为0，PWMx_Duty会往上计数，数值越来越大，角度也越来越大，反之亦然。
4.然后是定时器的初始化，我们想要他每隔一定的时间转动一定的角度，那么这个“一定的时间”怎么来的，我们就用定时器来实现咯，定时器初始化如上，这里初始化为1ms一次，当然自己不会使用定时器代码的话，我们依旧可以借助工具——ISP软件
5.然后开始是PWM的初始化部分，
5.1 先是PWMA_CCER1 = 0x00;PWMA_CCER2 = 0x00;这里先把捕获/比较寄存器的数值全部清空，在写模式
5.2 然后PWMA_CCMR1 = 0x68; 这一步主要是为了将PWM设置为“PWM模式1”
上图看起来可能不太清晰，这里直接上图，如下图，运行的时候有一个计数器PWM_CNT，如果是向上计数他会从0开始计数到我们设定的PWM_ARR的值，到了设定值会变成0重新开始计数，这个计数值我们称之为PWM_CNT，然后我们设定一个比较值PWM_CCR，只要CNT小于CCR，就输出高电平，反之输出低电平，那么我们只要设置好ARR就可以调节输出的频率，调节CCR就可以改变输出的高电平时间对不对。（一个PWM有4组通道，4组占用一个ARR也就是四组PWM频率相同，每组通道有独立的CCR，也就是每组通道的占空比都可以自由设定，且每组通道都有PWMA_CCMR寄存器，也就是每组PWM都可以设置独立的工作模式）
5.3这里PWMA_CCER1 = 0x55; 这里主要是为了开启捕获/比较的通道和开启比较输出。
5.4 这里四行是为了设定我们的频率，和上图的5.2图中所讲的一样，设定ARR的值。
PWMA_PSCRH = (u8)(PWM_PSCR>>8); //设置分频
PWMA_PSCRL = (u8)(PWM_PSCR);
PWMA_ARRH = (u8)(PWM_PERIOD >> 8);//设置周期时间
PWMA_ARRL = (u8)PWM_PERIOD;
计算的频率公式如上所示，这里PWM_PSCR = 99，PWM_PERIOD = 4799，主频24M，这里我们设置为边沿对齐模式（后面讲）所以输出频率= 24000000/(99+1)/(4799+1)=50hz刚刚好:lol。
5.5下面几行代码就是控制哪几个通道输出。我们之前提过一个PWM有四组通道，一组有2个输出通道，这里把八个都打开了，其实我们驱动一舵机只要一个就够了，这里我们就先不去动他（我懒！）
PWMA_ENO = 0x00;
PWMA_ENO |= ENO1P; //使能输出
PWMA_ENO |= ENO1N; //使能输出
PWMA_ENO |= ENO2P; //使能输出
PWMA_ENO |= ENO2N; //使能输出
PWMA_ENO |= ENO3P; //使能输出
PWMA_ENO |= ENO3N; //使能输出
PWMA_ENO |= ENO4P; //使能输出
PWMA_ENO |= ENO4N; //使能输出
5.6 下面几行代码就是选择输出的通道，因为我们有好多组通道可以选择，如果这时候刚巧某个通道的某一个IO口被占用了，我们就可以换一个，具体可以如图
PWMA_PS = 0x00;//高级 PWM 通道输出脚选择位
PWMA_PS |= PWM1_3; //选择 PWM1_3 通道
PWMA_PS |= PWM2_3; //选择 PWM2_3 通道
PWMA_PS |= PWM3_3; //选择 PWM3_3 通道
PWMA_PS |= PWM4_3; //选择 PWM4_3 通道
可以看下图，我们这个程序里配置的就是P6端口的输出，当然你也可以指定你要的端口，只要这表里有就可输出。
5.7 PWMA_BKR = 0x80; 因为之前我们已经开启了CC1E位，我们这里遵循手册只要打开MOEn这个位就可以开启OC和OCn的输出了。
5.8 PWMA_CR1 |= 0x01; 这里设置了边沿模式，并且开启了向上计数的模式
至此PWM的地方就配置完成了。当然我们自己写代码可以不需要从头到尾深究每一个寄存器，我们可以参考手册的案例，参考试验箱例程，基于这个修改自己想要的模式或者功能就好了，非常的方便。
最后，我们在定时器中断里，如果PWM1_Flag是0，就是向上计数，每隔50ms让PWM1_Duty增加10，让角度越来越大到了最大数值就把PWM1_Flag变成1，每隔50ms让PWM1_Duty减少10，角度越来越小，记得这个变量更新了以后，把我们最后的数值写入CCR的比较值寄存器，是不是初始化完了输出PWM就非常的方便了，修改这一个寄存器就可以输出我们想要的任意波形。我们这个程序最终就是4路舵机（P60,P62,P64,P66四个端口）角度在0-180度之间不断的来回运动。这里需要注意舵机不要突然给他一个瞬态变化的值，不然瞬态电流会非常大，比如你上一秒还是0度的数值，下一秒就输出180度，我们要给他缓缓的变换角度，0先到45，再到90，再到135，再到180，千万别一下就给他那啥了~另外我们这个试验用的小舵机，大功率的舵机请单独供电，不然MCU容易掉电重启。
还有这个最大值和最小值是怎么来的，因为计数的PWM_ARR是不是4799，从0-4799总共4800个数字。已知4800数值对应的是20ms的周期，我们想要高电平时间时间是10ms，那么这个CCR的数值就是2400对不对，我们想要高电平时间是5ms，那么这个CCR的数值就是1200对不对，所以这里我们最小的高电平时间是0.5ms，最大是2.5ms，然后你们也会计算了吧~
四、测试结果
先用示波器观察我们的输出波形是不是我们写的这个样子，示波器的表笔接P60,地线接上，然后观察是波形。
attach://3355.mp4
可以看到示波器自动测量的参数，在屏幕下方有显示，频率，周期和正脉宽的信息，频率基本稳定在50，周期约为20ms，正脉宽在500us-2.5ms之间变化，这就是我们的代码要实现的效果
最后的最后，我们直接上机测试。
好吧，没有这个舵机，只能到这里就全剧终了！附上代码！留给小伙伴们自行测试。
不错，支持一下 大佬又出神作了 好资料，讲解很到位，谢谢大神 感谢大佬的方案，但大佬你有什么方案可以解决因启动产生的电流。并且SG90在运动时又会产生感生电流，相当于一个小发电机，如何预防。使用在单片机IO接口与舵机之间的电路如何设计 默默无铭 发表于 2023-2-21 00:01
感谢大佬的方案，但大佬你有什么方案可以解决因启动产生的电流。并且SG90在运动时又会产生感生电流，相当于 ...
最常见的方案如下：
1.电源部分：舵机和MCU两部分使用独立电源供电，或者MCU部分使用隔离电源+续流电路
2.控制部分：IO输出端口可以加光耦等隔离电路保护IO，做前后隔离
3.程序控制上尽量不要做瞬间变换角度，初始位置是0，一下输出个180度的脉冲出去的话那电流还是很恐怖的。 电子DIY小家 发表于 2023-2-21 01:37
最常见的方案如下：
1.电源部分：舵机和MCU两部分使用独立电源供电，或者MCU部分使用隔离电源+续流电路
2 ...
感谢大佬的回复 本帖最后由 梁工 于 2023-3-20 14:31 编辑
舵机使用PPM信号控制的，一般比较标准的PPM信号是1.0~2.0ms，大部分应用，步进1us就足够了，有1000步。
PPM信号最好使用PWM产生，硬件产生的波形稳定，不受程序影响，不要用软件循坏输出PPM信号，占用CPU带宽，波形受中断影响。
PPM信号周期大部分是4~20ms的，响应速度快就用短周期，比如高速比例遥控车（速度30km/h以上）、四轴飞行器等等，要求操作响应非常快，则一般用5~10ms的周期。固定翼飞机模型、动作缓慢的机械手等等，则可以用到20ms周期。 https://www.stcaimcu.com/data/attachment/forum/202302/03/112321wn12v2psvt02p145.png
想问下能不能做到图片上低电平时间长，高电平时间短，再到高电平时间长，低电平时间短，就是这个波形倒过来一样，就是调节范围要宽，从最低从是0到最高全是Ｆ的变化范围可以做做到吗？我现在用例程都达不到这样的效果，请问程序要怎样处理？ 我都想用定时器来写了，如果PWM能做到就太好了