舵机在机器人技术中的应用及编程方法
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摘要： 本文以自动投球机器人为例，介绍了采用宏晶STC12C5A60S2单片机控制舵机的原理和编程方法。
Abstract： Based on automatic pitching robot as an example， this paper introduces the principle and programming method of using STC12C5A60S2 MCU to control steering gear.
关键词： 舵机；机器人；单片机；编程方法
Key words： steering gear；robot；single chip microcomputer；programming method
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）32-0062-02
基金项目：宁夏工商职业技术学院院级教改项目《设备控制编程规划与实施》一体化教学改革探索（GS2012-35）。
作者简介：秦萍（1967-），女，河南渑池人，宁夏工商职业技术学院教师，高级工程师、维修电工技师，主要从事电气自动化技术专业教学与研究工作。
1 舵机结构及工作原理
舵机主要由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位器、直流电机、控制电路板组成，其工作原理（图1所示）：控制电路接收信号源的控制脉冲，并驱动电机转动；齿轮组将电机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度；电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。
2 舵机的控制方法
舵机的控制信号为周期为20ms的脉宽调制信号，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms～2.5ms，对应的舵机转动角度为0～180°，理想情况下脉冲高电平宽度与舵机转动角度成正比。即舵机转动角度=180°×（脉冲高电平宽度-0.5）/2。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，整个系统工作可靠。单片机控制系统对舵机输出转角的控制，分为两个步骤。第一步是产生基本的周期为20ms的PWM信号，第二步是PWM信号脉宽的确定，调整占空比。控制系统中实现一个舵机的控制，通常采用使用单片机的一个定时器来实现。根据PWM信号占空比，分别设定定时器中断的初值，将20ms分为两次中断执行，一次短时间中断和一次较长时间中断，控制输出信号的电平变换，产生要求的PWM信号。
3 应用举例及编程方法
我们采用宏晶STC12C5A60S2单片机，它是宏晶科技生产的高速、低功耗、超强抗干扰的新一代单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快近十倍。制作的自动投球机器人，机器人每次携带6个小球，通过单片机控制两个舵机制作两个挡板，挡板配合动作，将小球投到指定位置。两个挡板初始位置为：下面的挡板1在“挡”位置、上面的挡板2在“缩”位置，开始向投球机器人装入小球。启动投球机器人后，挡板2运动到“挡”位置，按照规定的路线循迹运动，运动到指定位置后，投球机器人开始投球。具体动作为：挡板1“缩”，投下一个小球，然后挡板1“挡”，挡板2“缩”，第二个小球落到最下面的位置，然后挡板2“挡”，等待投球；依次类推，投入六个小球后，工作结束。
单片机晶振频率为12MHz，P36输出舵机1的PWM控制信号，P37作为输出舵机2的PWM控制信号，分别采用16位定时器T0、T1产生两路PWM信号P36、P37。
以舵机1控制为例，通过设定定时器T0工作在定时模式，定时时间到产生中断来产生PWM信号。特殊功能寄存器AUXR中的T0x12、T1x12位分别设定T0、T1对系统时钟进行12分频还是不分频计数定时，我们设定T0x12、T1x12为“0”，选择对系统时钟12分频计数定时，则定时器计一个数时间为1us，产生2ms时间需计数2000个。初始时舵机1带动挡板1运动到“挡”位置，根据挡板运动位置（舵机转动角度）确定脉宽的初始值a，即a=（2000/180）*舵机转动角度+500。然后设定定时器T0的初值TH0=-（65536-a）/256、TL0=-（65536-a）%256；并置输出P36为高电平，启动定时器T0，T0开始定时。当定时器计数溢出时，触发计数器溢出中断函数void timer0（） interrupt 1 using 1，在子函数中，改变输出P36为反相（此时变为低电平），计算ci =20000-a，并重新设定定时器T0的初值，直到定时器再次产生溢出中断，重复上一过程。
参考程序（部分）：
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit dj1=P3^6；
sbit dj2=P3^7；
uint a，bi，ci，d；
void timer0（ ） interrupt 1 using 1
{
dj1=！dj1；
ci=20000-a；
TH0=（65536-ci）/256；
TL0=（65536-ci）%256；
TF0=0；
}
void djdang1（）/*挡板1挡位置函数*/
{
dj1=1；
a=（2000/180）*130+500；
TH0=-（a/256）；
TL0=-（a%256）；
EA=1；
ET0=1；TR0=1；
}
void djsuo1（）/*挡板1缩位置函数*/
{
dj1=1；
a=（2000/180）*70+500；
TH0=-（a/256）；
TL0=-（a%256）；
EA=1；
ET0=1；TR0=1；
}
void S_T（） /*程序初始化*/
{
TMOD=0X11；
P3M1=0x00；
P3M0=0xff；
AUXR=0X00；
start_=1；
while（start_==1） //等待按键
{；}
}
void main（） /*主函数*/
{
S_T（）；
djdang1（）；
djsuo2（）；
delay_ms（10000）； /装入小球
djdang2（）；
delay_ms（900）；
……… ；//运行到指定位置
djsuo1（）；
delay_ms（800）；
djdang1（）；
delay_ms（850）；
djsuo2（）；
delay_ms（800）；
djdang2（）；//投入一个小球
……………
}
参考文献：
[1]STC12C5A60S2系列单片机器件手册.
[2]刘歌群.用单片机产生7路舵机控制PWM波的方法[J].机械与电子，2004.
[3]郭旭原.控制系统及其指令设定方法[P].中国专利：CN102819229A，2012-12-12.