STC12单片机设置50Hz的PWM波驱动舵机

本文将使用STC12C5A60S2配置PWM波，驱动SG90舵机。采用的开发板包括了CH340芯片，因此下载程序只需要使用MicroUSB转USB连接线使用软件下载程序即可。

阳排

2302人浏览 · 2024-04-08 18:31:21

阳排 · 2024-04-08 18:31:21 发布

本文将使用STC12C5A60S2配置PWM波，驱动SG90舵机。

采用的开发板包括了CH340芯片，因此下载程序只需要使用MicroUSB转USB连接线使用STC-ISP.exe软件下载程序即可。

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1 芯片资源

芯片型号STC12C5A60S2，增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码兼容传统8051，工作电压5.5V-3.5V，工作频率范围0-35MHz，共有4个16位定时器（包括2个16位定时器T0和T1，2路PCA模块实现2个16为定时器），拥有2路PWM（PCA的PWM模式）。

2 舵机控制信号

舵机分为三根线，包括：VCC(5V)、GND和PWM。
在这里插入图片描述
PWM波的信号频率在50Hz左右，高电平占空比为2.5%-12.5%，也就是一个周期20ms，高电平占0.5-2.5ms。

2 STC12设置PCA的PWM模式

STC12C5A60S2系列单片机集成了两路可编程计数器阵列(PCA)模块，可用于软件定时器、外部脉冲的捕捉、高速输出以及脉宽调制(PWM)输出。
PCA可以控制2路PWM波。

寄存器名称	功能
CCON	PCA控制寄存器
CMOD	PCA模式寄存器
CCAPM0	PCA模块模式0寄存器
CCAPM1	PCA模块模式1寄存器
CL	CPA基位定时器低位（PCA Base Timer Low）
CH	CPA基位定时器高位（PCA Base Timer High）
CCAP0L	PCA模块0捕获寄存器低位
CCAP0H	PCA模块0捕获寄存器高位
CCAP1L	PCA模块1捕获寄存器低位
CCAP1H	PCA模块1捕获寄存器高位
PCA_PWM0	PCA PWM模式辅助寄存器0
PCA_PWM1	PCA PWM模式辅助寄存器1
AUXR1	辅助寄存器1（能够设置输出引脚）

2.1 CCON：PCA控制寄存器

功能：控制PCA溢出标志位、控制PCA运行状态。PCA模块0和1的中断标志。

寄存器名称	地址	B7	B6	B5	B4	B3	B2	B1	B0
CCON	0xD8	CF	CR	-	-	-	-	CCF1	CCF0

CF：PCA计数器阵列溢出标志位。PCA计数器溢出时，CF由硬件置位为1。如果CMOD.0=1（ECF=1），则CF可以用来产生中断。CF可由硬件或者软件置位（为1），但只可通过软件清零。
CR：PCA计数器阵列运行控制位。软件置位（为1），启动PCA计数。软件清零，关闭PCA计数。

2.2 CMOD：PCA工作模式寄存器

功能：控制空闲模式PCA计数状态、PCA计数脉冲源选项、PCA溢出中断使能。

寄存器名称	地址	B7	B6	B5	B4	B3	B2	B1	B0
CMOD	0xD9	CIDL	-	-	-	CPS2	CPS1	CPS0	ECF

CIDL和ECF在此不做介绍，主要介绍CPSn的PCA计数脉冲源选择控制位。

CPS2	CPS1	CPS0	选择PCA时钟源输入
0	0	0	0，SYSCLK/12
0	0	1	1，SYSCLK/2
0	1	0	2，定时器0的溢出脉冲。通过改变定时器0的分频率，能够实现SYSCLK的1-256分频。
0	1	1	3，ECI/P1.2（或P4.1）脚输入的外部时钟（最大速率为SYSCLK/2）
1	0	0	4，SYSCLK
1	0	1	5，SYSCLK/4
1	1	0	6，SYSCLK/6
1	1	1	7，SYSCLK/8

但PWM频率不等于PCA频率，PWM波由于要控制占空比，因此每256个PCA周期设置为1个PWM波周期，一部分高电平、一部分低电平。PWM频率=PCA频率/256。

本文主要关注定时器0溢出脉冲输入PCA。
在这里插入图片描述

2.3 CCAPM0：PCA比较/捕获寄存器

PCA模块0的比较/捕获寄存器。

寄存器名称	地址	B7	B6	B5	B4	B3	B2	B1	B0
CCAPM0	0xDA	-	ECOM0	CAPP0	CAPN0	MAT0	TOG0	PWM0	ECCF0

ECOM0允许比较器功能控制位。当ECOM0=1，允许比较器功能。
CAPP0：正捕获控制位。当CAPP0=1时，允许上升沿捕获。
CAPN0：负捕获控制位。当CAPN0=1时，允许下降沿捕获。
MAT0：匹配控制位。当MAT0=1时，PCA计数器与模块的比较/捕获寄存器的值的匹配将置位CCON寄存器的中断标志为CCF0。
TOG0：翻转控制位、当TOG0=1时，工作在PCA高速输出模式，PCA计数器的值与模块的比较/捕获寄存器的值的匹配将使CCP0脚翻转。
PWM0：脉宽调节模式。当PWM0=1时，允许，CEX0脚用作脉宽调节输出。
ECCF0：使能CCF0中断。使能寄存器CCON的比较/捕获标志CCF0，用来产生中断。

模式设置：
在这里插入图片描述
由于需要使用PWM模式输出，无需中断，所以CCAPM0=0x42。

在这里插入图片描述

2.4 CL、CH：PCA的16位计数器

CL为低8位计数器，CH为高8位计数器。
CL和CH用来保存PCA的装载值，复位值为0x00。

2.5 CCAP0L、CCAP0H：PCA捕获/比较寄存器

CCAP0L为低位字节、CCAP0H为高位字节。当PCA模块用于捕获或比较时，他们用于保存各个模块的16位捕捉计数值。当PCA模块用于PWM模式时，他们用来控制输出的占空比。 复位值均为0x00。

2.6 AUXR1：辅助寄存器引脚功能

辅助寄存器1将单片机的PCA/PWM功能从P1口设置到P4口。

寄存器名称	地址	B7	B6	B5	B4	B3	B2	B1	B0
AUXR1	0xA2	-	PCA_P4	SPI_P4	S2_P4	GF2	ADRJ	-	DPS

PCA_ P4：0，缺省PCA在P1口。1，PCA/PWM从P1口切换到P4口；ECI从P1.2切换到P4.1口；PCA0/PWM0从P1.3切换到P4.2口；PCA 1/PWM1从P1.4切换到P4.3口。
SPI_ P4：0，缺省SPI在P1口。1，SPI从P1口切换到P4口；SPICLK从P1.7切换到P4.3口；MISO从P1.6切换到P4.2口；MOSI从P1.5切换到P4. I口；SS从P1.4切换到P4.0口
S2_ P4：0，缺省UART2在P1口。1，UART2从P1口切换到P4口；TxD2从P1.3切换到P4.3口；RxD2从P1.2切换到P4.2口。
GF2：通用标志位
ADRJ：0，10位A/D转换结果的高8位放在ADC_RES寄存器，低2位放在ADC_RESL寄存器。1，10位A/D转换结果的最高2位放在ADC_RES寄存器的低2位，低8位放在ADC_RESL寄存器。
DPS：0，使用缺省数据指针DPTR0。1，使用另一个数据指针DPTR1。

3 STC12设置定时器0

3.1 TCON：定时器/计数器控制寄存器

TCON为定时器/计数器T0、T1的控制寄存器，同时也锁存T0、T1溢出中断源和外部请求中断源。本文内只需要T0。

寄存器名称	地址	B7	B6	B5	B4	B3	B2	B1	B0
TCON	0x88	TF1	TR1	TF0	TR0	IE1	IT1	IE0	IT0

TF0：定时器/计数器T0溢出中断标志。T0被允许计数以后，从初始开始加1计数，当最高位产生溢出时，由硬件置“1”TF0，向CPU请求中断，一直保持CPU响应该中断时，才由硬件清“0”TF0。
TR0：定时器T0的运行控制位。该位由软件置位和清零。当GATE（TMOD.3）=0，TR0=1时就运行T0开始计数，TR0=0时禁止T0计数。当GATE（TMOD.3）=1，TR1=0且INT0输入高电平时由硬件清“0”IE1。
IE0：外部中断0请求源（INT0/P3.2）标志。IE0=1外部中断0向CPU请求中断，当CPU响应外部中断时，由硬件清“0”IE0（边沿触发方式）。
IT0：外部中断0触发方式控制位。IT0=0时，外部中断0为低电平触发方式，当INT0输入低电平时，置位IE0。采用低电平触发方式时，外部中断源（输入到INT0）必须保持低电平有效，直到该中断被CPU响应，同时在该中断服务程序执行完之前，外部中断源必须被清除（P3.2要变高），否则将产生另一次中断。当IT0=1时，则外部中断0（INT0）端口由“1”->“0”下降沿跳变，激活中断请求标志位IE1，向主机请求中断处理。

3.2 TMOD：定时器/计数器工作模式寄存器

定时和计数功能由特殊功能寄存器TMOD的控制位C/T进行选择。

寄存器名称	地址	B7	B6	B5	B4	B3	B2	B1	B0
TMOD	0x89	GATE	C/T	M1	M0	GATE	C/T	M1	M0

B7-B4为定时器1的控制位，B3-B0为定时器0的控制位。

GATE：置1时只有在INT0脚为高电平及TR0控制位置1时才可打开定时器/计数器0。
C/T：定时器/计数器控制位，清零则用作定时器（从内部系统时钟输入），置1用作计数器（从T0/P3.4脚输入）。
M1、M0：定时器/计数器模式选择。

M1	M0	功能
0	0	13位定时器/计数器，兼容8048定时模式，TL0只用低5位参与分频，TH0整个8位全用。
0	1	16位定时器/计数器，TL0、TH0全用
1	0	8位自动重装载定时器，当溢出时将TH0存放的值自动重装入TL0
1	1	定时器0此时作为双8位定时器/计数器。TL0作为一个8位定时器/计数器，通过标准定时器0的控制位控制。YH0仅作为一个8位定时器，由定时器1的控制位控制。

3.3 TL0、TH0

此寄存器用于控制PWM的占空比。

3.4 AUXR：辅助寄存器

寄存器名称	地址	B7	B6	B5	B4	B3	B2	B1	B0
AUXR	0x8E	T0x12	T1x12	UART_M0x6	BRTR	S2SMOD	BRTx12	EXTRAM	S1BRS

3.5 WAKE_CLKO：时钟输出和掉电唤醒寄存器

寄存器名称	地址	B7	B6	B5	B4	B3	B2	B1	B0
WAKE_CLKO	0x8F	PCAWAKEUP	RXD_PIN_IE	T1_PIN_IE	T0_PIN_IE	LVD_WAKE	BRTCLKO	T1CLKO	T0CLKO

PCAWAKEUP：在掉电模式下，是否允许PCA上升沿/下降沿中断唤醒powerdown。0，禁止；1，允许。
RXD_PIN_IE：掉电模式下，允许P3.0（RXD）下降沿置RI，也能使RXD唤醒powerdown。0，禁止；1，允许。
T0_PIN_IE：掉电模式下，允许T0/P3.4脚下降沿置T0中断标志，也能使T0脚唤醒powerdown。0，禁止；1，允许。
LVD_WAKE：掉电模式下，是否允许EX_LVD/P4.6低压检测中断唤醒CPU。0，禁止；1，允许。
BRTCLKO：是否允许将P1.0脚配置为独立波特率发生器（BRT）的时钟输出CLKOUT2。1，允许；0，不允许。
T0CLKO：是否允许将P3.4/T0脚配置为定时器T0的时钟输出CLKOUT0。1，允许；0，不允许。

4 定时器T0与PWM配置思路

芯片晶振频率为11.0592MHz，输入芯片内得到SYSCLK=11059200Hz。

由于PWM波需要50Hz，PCA将一个周期时长固定划分为256个部分，因此PWM波频率=PCA输入频率/256。
所以PCA输入频率为50*256=12800Hz。

CMOD寄存器中可以设置PCA的输入模式，输入模式分为8种，可以对SYSCLK脉冲、T0溢出脉冲进行分频。

在这里插入图片描述

由于SYSCLK/12=11059200/12=921600Hz，远大于PCA输入频率12800Hz，输入模式：0、1、3、4、5、6、7都无法完成分频。因此需要采用输入模式2：定时器0计数溢出脉冲，在1T情况下，分频能够达到SYSCLK/num，num可以为1~256。

芯片有1T模式和12T模式，12T模式是12个周期执行一条指令，兼容8051。

定时器0如果设置为1T模式，采用最大的分频数256，能够输入到PCA的最小频率为SYSCLK/256=11059200/256=43200Hz，也无法满足12800Hz的要求。

因此必须采用12T模式，先将SYSCLK进行12分频，得到频率SYSCLK/12=11059200/12=92600Hz，然后再在定时器0中得到分频。

在这里插入图片描述

如图所示，定时器T0采用12T模式（T0x12=0或AUXR.7=0）、定时器（C/T-=0或TMOD.2=0）、模式2:8为自动重载定时器（M1/M0=1/0或TMOD.1/0=1/0）、关闭外部输入（GATE=0或TMOD.3=0）、打开定时器运行控制位（TR0=1或TCON.5=1）。

TL0和TH0都是8位寄存器，两个都通过软件设置相同的值，当TL0捕获到左侧传来的脉冲，从设置好的值到255逐渐递增，然后溢出，这就是定时器的分频过程。计时器T0的溢出脉冲为PCA提供输入信号，同时TH0也会将存储的值传递给TL0，以便进行下一次分频。

上文已经得出输入定时器频率为921600Hz，如果想通过分频得到PCA所需的12800Hz频率，需要分进行921600/12800=72分频。
因此设置定时器0的两个寄存器TL0和TH0为256-72=184。

小结：
1、晶振频率11059200Hz。
2、定时器0采用12T预先分频，得到11059200/12=921600Hz。
3、定时器0设置TL0=TH0=256-72=184，为72分频，得到定时器0溢出频率921600/72=12800Hz。
4、定时器0溢出频率输入到PCA内，PWM波频率为12800/256=50Hz。
5、修改PWM波占空比，设置CCP0L=CCP0H=n（0<n<256），n越大，占空比Duty越大，从0%-100%。

代码如下：

#include "reg51.h"
#include "intrins.h"

/*Declare SFR associated with the PCA */
sfr CCON        =   0xD8;           //PCA control register
sbit CCF0       =   CCON^0;         //PCA module-0 interrupt flag
sbit CCF1       =   CCON^1;         //PCA module-1 interrupt flag
sbit CR         =   CCON^6;         //PCA timer run control bit
sbit CF         =   CCON^7;         //PCA timer overflow flag
sfr CMOD        =   0xD9;           //PCA mode register
sfr CL          =   0xE9;           //PCA base timer LOW
sfr CH          =   0xF9;           //PCA base timer HIGH
sfr CCAPM0      =   0xDA;           //PCA module-0 mode register
sfr CCAP0L      =   0xEA;           //PCA module-0 capture register LOW
sfr CCAP0H      =   0xFA;           //PCA module-0 capture register HIGH
sfr CCAPM1      =   0xDB;           //PCA module-1 mode register
sfr CCAP1L      =   0xEB;           //PCA module-1 capture register LOW
sfr CCAP1H      =   0xFB;           //PCA module-1 capture register HIGH
sfr PCAPWM0     =   0xf2;
sfr PCAPWM1     =   0xf3;

sfr AUXR = 0x8E;
sfr WAKE_CLKO = 0x8F;

void Timer0_Init(int i);
void PWM_Init(int i ,int j);
void PWM_Config(float duty);
void delay_ms(int num);

void main()
{
	// 初始化定时器0，确定溢出频率
	Timer0_Init(50);
	// 初始化PWM外设
	PWM_Init(0x04,0x42);
	while(1)
	{
		// 设置占空比
		PWM_Config(12.5);
		delay_ms(256);
		// 设置占空比
		PWM_Config(10);
		delay_ms(256);
		// 设置占空比
		PWM_Config(7.5);
		delay_ms(256);
		// 设置占空比
		PWM_Config(5);
		delay_ms(256);
		// 设置占空比
		PWM_Config(2.5);
		delay_ms(256);
		
	}
}


// i为PWM波频率
void Timer0_Init(int i)
{
	int j = 0;
	// int k = 0;
	// k = i * 256; 	// 定时器0输出的溢出脉冲，输入到PCA的频率
	j = (int)(3600/i);	// 定时器0分频数(11059200/12 /i /256 = 3600/i)
	EA = 0;				// 禁止中断
	TMOD |= 0x02;		// 配置为八位自动重装载
	AUXR |= 0x00;		// 12T模式，SYSCLK/12=11059200/12=921600Hz
	TL0 = 256-j;
	TH0 = 256-j;		// 原来是256-j
	TR0 = 1;				// 启动计数器计数
	TF0 = 0;				// 清空溢出标志位
	
	WAKE_CLKO = 0x01;
}

void PWM_Init(int i,int j)
{
	CL = 0x00;
	CH = 0x00;
	CMOD = i;
	CCAPM0 = j;		// 使用比较功能，脉宽调节模式
	CR = 1;		// 启动PCA计数器
}

void PWM_Config(float duty) // 范围为2.5-12.5
{
	int width = 0;
	width = (int)(duty*2.56);//-1+0.5;
	// duty写的是12.5，实际是12.5%，需要duty/100*256
	CCAP0H = 256-width;
	CCAP0L = CCAP0H;
}

void delay_ms(int num)
{
	int i,j;
	for(i=0; i<num;i++){
		for(j=0; j<2560;j++);
	}
}