利用 51 定時(shí)器生成 PWM

1 PWM 簡介

PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）是按一定規(guī)律改變脈沖序列的脈沖寬度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的一種調(diào)制方式。

在控制系統(tǒng)中最常用的是矩形波 PWM 信號，在控制時(shí)需要調(diào)節(jié) PWM 波占空比。如下圖所示，占空比是指高電平持續(xù)時(shí)間在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)的百分比。控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，占空比越大，速度越快，如果全為高電平，占空比為 100% 時(shí)，速度達(dá)到最快。

當(dāng)用單片機(jī) I/O 輸出 PWM 信號時(shí)，可采用以下三種方法：

• 利用軟件延時(shí)。當(dāng)高電平延時(shí)時(shí)間到時(shí)，對 I/O 口電平取反變成低電平，再延時(shí)；當(dāng)?shù)碗娖窖訒r(shí)時(shí)間到時(shí)，對該 I/O 口電平取反；如此循環(huán)，就可得到 PWM 信號。
• 利用定時(shí)器。控制方法同上，只是利用單片機(jī)的定時(shí)器來定時(shí)進(jìn)行高、低電平的翻轉(zhuǎn)，而不用軟件延時(shí)。
• 利用單片機(jī)自帶的 PWM 控制器。

2 定時(shí)器的應(yīng)用

單片機(jī)的周期

• 時(shí)鐘周期，也成為振蕩周期，定義為時(shí)鐘頻率的倒數(shù)（單片機(jī)外接晶振的倒數(shù)，如 12MHz 晶振的時(shí)鐘周期就是 1/12 us）。它是單片機(jī)中最基本、最小的時(shí)間單位。在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，CPU 僅完成一個(gè)最基本的動(dòng)作。
• 狀態(tài)周期：時(shí)鐘周期的 2 倍。
• 機(jī)器周期 $T_{cy}$：單片機(jī)的基本操作周期，在一個(gè)操作周期內(nèi)，單片機(jī)完成一項(xiàng)基本操作。如取指令、存儲器讀/寫等。機(jī)器周期由 12 個(gè)時(shí)鐘周期（ 6 個(gè)狀態(tài)周期）組成。
• 指令周期：指 CPU 執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間。指令周期一般包含 1 ~ 4 個(gè)機(jī)器周期。

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器本質(zhì)

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的本質(zhì)是加 1 計(jì)數(shù)器（16 位），有高 8 位和低 8 位 2 個(gè)寄存器組成。TMOD 是定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作模式寄存器，確定工作方式和功能，TCON 是控制寄存器，控制 T0、T1 的啟動(dòng)和停止及設(shè)置溢出標(biāo)志。

加 1 計(jì)數(shù)器輸入的計(jì)數(shù)脈沖的來源：

• 一個(gè)由系統(tǒng)的時(shí)鐘振蕩器輸出脈沖經(jīng) 12 分頻后送來
• 一個(gè)由 T0 或 T1 引腳輸入的外部脈沖源，每來一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器加 1。

當(dāng)加到計(jì)數(shù)器全為 1 時(shí)，在輸入一個(gè)脈沖就使計(jì)數(shù)器回零，且計(jì)數(shù)器的溢出使 TCON 寄存器中 TF0 或 TF1 置 1，向 CPU 發(fā)出中斷請求。如果定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作于定時(shí)模式，則表示定時(shí)時(shí)間已到；如果工作于計(jì)數(shù)模式，則表示計(jì)數(shù)值已滿。

定時(shí)器定時(shí)時(shí)間：計(jì)數(shù)值 $N$ × 機(jī)器周期 $T_{cy}$。

定時(shí)器初值

溢出時(shí)計(jì)數(shù)器的值減去計(jì)數(shù)初值才是加 1 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。

定時(shí)器一旦啟動(dòng)，它便在原來的數(shù)值上開始加 1 計(jì)數(shù)，若在程序開始時(shí)，沒有設(shè)置 TH0 和 TL0，則默認(rèn)是 0，假設(shè)時(shí)鐘頻率為 12MHz，12 個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期，那么此時(shí)機(jī)器周期就是 1 us，計(jì)滿 TH0 和 TL0 就需要 $2^{16}?1$ 個(gè)數(shù)，再來一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器溢出，隨即向 CPU 申請中斷，因此溢出一次共需 65536us，約 65.5ms。

如果想要定時(shí) 50 ms，那么就需先給 TH0 和 TL0 裝入一個(gè)初值，在這個(gè)初值的基礎(chǔ)上計(jì) 5000 個(gè)數(shù)后，定時(shí)器溢出，此時(shí)剛好就是 50ms 中斷一次。當(dāng)需要定時(shí) 1s 時(shí)，我們可以產(chǎn)生 20 次 50ms 的定時(shí)器中斷后，便認(rèn)為是 1s。

定時(shí)器初值計(jì)算方法

當(dāng)用定時(shí)器的方式 1 時(shí)，設(shè)機(jī)器周期為 $T_{cy}$，定時(shí)器產(chǎn)生一次中斷的時(shí)間為 $t$，那么需要計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)為 $N=t/T_{cy}$，裝入 THX 和 TLX 中的數(shù)分別為：

$$THX=(65536?N)/256$$
$$TLX=(65536?N)\%256$$

3 示例-舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)

舵機(jī)的原理

舵機(jī)的控制信號，一般是脈寬調(diào)制（PWM）信號，如下圖，反映了 PWM 信號和舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系，可以簡單的理解為，通過給舵機(jī)通電的時(shí)間控制，結(jié)合角度傳感器的反饋信號檢測和控制，實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)的精確角度控制。

舵機(jī)的控制信號周期為 20ms 的脈寬調(diào)制信號（PWM），其中脈寬從 0.5ms ~ 2.5ms，相應(yīng)的舵盤位置從 0 ~ 180度，呈線型變化。也就是說，給舵機(jī)提供一定的脈寬，輸出軸就會(huì)保持一定的對應(yīng)角度，無論外接轉(zhuǎn)矩怎么改變，直到提供另外一個(gè)脈沖信號，才會(huì)改變輸出角度到新的對應(yīng)的位置上。

舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為 20ms，寬度為 1.5ms 的脈沖信號，有一個(gè)比較器，將外加信號與基準(zhǔn)信號相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號。

伺服電動(dòng)機(jī)的周期通常為 20ms，希望以 50Hz 的頻率產(chǎn)生脈沖。

180 度電機(jī)與 360 度電機(jī)

360 度舵機(jī)與一般舵機(jī)的區(qū)別是：給一般舵機(jī)一個(gè) PWM 信號，舵機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)到一個(gè)特定角度，而給 360 度舵機(jī)一個(gè) PWM 信號，舵機(jī)會(huì)以一個(gè)特定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，類似與電機(jī)。但與電機(jī)不同的是，360 舵機(jī)是閉環(huán)控制，速度控制穩(wěn)定。

PWM 信號與 360° 舵機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

• 0.5ms ———— 正向最大轉(zhuǎn)速
• 1.5ms ———— 速度為 0
• 2.5ms ———— 反向最大轉(zhuǎn)速

利用 51 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)

通過上述分析，可以得出 1ms 對應(yīng) 90°，那么 0.1ms 對應(yīng) 9°。由于驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的控制信號周期為 20ms，可以將 20ms 的周期信號分為 200 份，那么 1 份代表 0.1ms，相對應(yīng)舵機(jī)的轉(zhuǎn)角為 9°。

因此，將定時(shí)器中斷一次的時(shí)間設(shè)定為 0.1 ms，即定時(shí)時(shí)間為 0.1ms。采用定時(shí)器 1 工作方式 2（8 位初值自動(dòng)重載）。

• 計(jì)算定時(shí)器初值
• 機(jī)器周期 $T_{cy}=12\times 1/(11.0592\times 10^6)s$ 約等于 $1.0851us$
• 定時(shí)時(shí)間 $t=0.1ms$
• 計(jì)數(shù)值 $N=t/T_{cy}=0.1ms/1.0851us=92$
• 裝入 THX 和 TLX 的數(shù)為：$THX=TLX=256?92=164$
• 代碼

void T1_Init(void) {TMOD &= 0x0F; //設(shè)置定時(shí)器模式TMOD |= 0x20; //設(shè)置定時(shí)器模式 TH1 = 164; //設(shè)置定時(shí)初始值TL1 = 164; //設(shè)置定時(shí)重載值TF1 = 0; //清除TF1標(biāo)志TR1 = 1; //定時(shí)器1開始計(jì)時(shí) }

總結(jié)

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