Arduino—舵机控制

舵机是一种位置伺服的驱动器，主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。
工作原理是由接收机或者单片机发出信号给舵机，其内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms 的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。经由电路板上的IC 判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回信号，判断是否已经到达定位。适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。一般舵机旋转的角度范围是0 度到180 度。


舵机的转动的角度是通过调节PWM（脉冲宽度调制）信号的占空比来实现的，标准PWM（脉冲宽度调制）信号的周期固定为20ms（50Hz），理论上脉宽分布应在1ms到2ms 之间，但是，事实上脉宽可由0.5ms 到2.5ms 之间，脉宽和舵机的转角0°～180°相对应。
有一点值得注意的地方，由于舵机牌子不同，对于同一信号，不同牌子的舵机旋转的角度也会有所不同。

Arduino 控制舵机的方法有两种：

• 第一种是通过Arduino 的普通数字传感器接口产生占空比不同的方波，模拟产生PWM 信号进行舵机定位，
• 第二种是直接利用Arduino 自带的Servo 函数进行舵机的控制，这种控制方法的优点在于程序编写，缺点是只能控制2 路舵机，因为Arduino 自带函数只能利用数字9、10 接口。Arduino 的驱动能力有限，所以当需要控制1 个以上的舵机时需要外接电源。
  编写程序：
• 转动舵机到用户输入数字所对应的角度数的位置，并将角度打印显示到屏幕上。

int servopin=11;//定义数字接口9 连接伺服舵机信号线
int myangle;//定义角度变量0-180
int pulsewidth;//定义脉宽变量
int val; //0-9

void servopulse(int servopin,int myangle)//定义一个脉冲函数
{
pulsewidth=(myangle*11)+500;//将角度转化为500-2480 的脉宽值

digitalWrite(servopin,HIGH);//将舵机接口电平至高

delayMicroseconds(pulsewidth);//延时脉宽值的微秒数weimiao

digitalWrite(servopin,LOW);//将舵机接口电平至低

delay(20-pulsewidth/1000);
}

void setup()
{
pinMode(servopin,OUTPUT);//设定舵机接口为输出接口

Serial.begin(9600);//连接到串行端口，波特率为9600

Serial.println("servo=o_seral_simple ready" ) ;
}

void loop()//将0 到9 的数转化为0 到180 角度，并让LED 闪烁相应数的次数
{
val=Serial.read();//读取串行端口的值

if(val>'0'&&val<='9')
{
val=val-'0';//将特征量转化为数值变量
val=val*(180/9);//将数字转化为角度
Serial.print("moving servo to ");
//DEC:十进制形式输出 b 的 ASCII 编码值，并同时跟随一个回车和换行符
Serial.print(val,DEC);
Serial.println();
for(int i=0;i<=50;i++) //给予舵机足够的时间让它转到指定角度
{
servopulse(servopin,val);//引用脉冲函数
}
}
}

• Arduino自带舵机类库文件Servo.h：

#include  

Servo myservo;  // create servo object to control a servo 
                // a maximum of eight servo objects can be created 

int pos = 0;    // variable to store the servo position 

void setup() 
{ 
  myservo.attach(9);  // attaches the servo on pin 9 to the servo object 
} 


void loop() 
{ 
  for(pos = 0; pos < 180; pos += 1)  // goes from 0 degrees to 180 degrees 
  {                                  // in steps of 1 degree 
    myservo.write(pos);              // tell servo to go to position in variable 'pos' 
    delay(15);                       // waits 15ms for the servo to reach the position 
  } 
  for(pos = 180; pos>=1; pos-=1)     // goes from 180 degrees to 0 degrees 
  {                                
    myservo.write(pos);              // tell servo to go to position in variable 'pos' 
    delay(15);                       // waits 15ms for the servo to reach the position 
  } 
} 

servo.cpp源码：

uint8_t Servo::attach(int pin)
{
  return this->attach(pin, MIN_PULSE_WIDTH, MAX_PULSE_WIDTH);
}

uint8_t Servo::attach(int pin, int min, int max)
{
  if(this->servoIndex < MAX_SERVOS ) {
    pinMode( pin, OUTPUT) ;                                   // set servo pin to output
    servos[this->servoIndex].Pin.nbr = pin;  
    // todo min/max check: abs(min - MIN_PULSE_WIDTH) /4 < 128 
    this->min  = (MIN_PULSE_WIDTH - min)/4; //resolution of min/max is 4 uS
    this->max  = (MAX_PULSE_WIDTH - max)/4; 
    // initialize the timer if it has not already been initialized 
    timer16_Sequence_t timer = SERVO_INDEX_TO_TIMER(servoIndex);
    if(isTimerActive(timer) == false)
      initISR(timer);    
    servos[this->servoIndex].Pin.isActive = true;  // this must be set after the check for isTimerActive
  } 
  return this->servoIndex ;
}

void Servo::detach()  
{
  servos[this->servoIndex].Pin.isActive = false;  
  timer16_Sequence_t timer = SERVO_INDEX_TO_TIMER(servoIndex);
  if(isTimerActive(timer) == false) {
    finISR(timer);
  }
}

void Servo::write(int value)
{  
  if(value < MIN_PULSE_WIDTH)
  {  // treat values less than 544 as angles in degrees (valid values in microseconds are handled as microseconds)
    if(value < 0) value = 0;
    if(value > 180) value = 180;
    value = map(value, 0, 180, SERVO_MIN(),  SERVO_MAX());      
  }
  this->writeMicroseconds(value);
}

void Servo::writeMicroseconds(int value)
{
  // calculate and store the values for the given channel
  byte channel = this->servoIndex;
  if( (channel < MAX_SERVOS) )   // ensure channel is valid
  {  
    if( value < SERVO_MIN() )          // ensure pulse width is valid
      value = SERVO_MIN();
    else if( value > SERVO_MAX() )
      value = SERVO_MAX();   

    value = value - TRIM_DURATION;
    value = usToTicks(value);  // convert to ticks after compensating for interrupt overhead - 12 Aug 2009

    uint8_t oldSREG = SREG;
    cli();
    servos[channel].ticks = value;  
    SREG = oldSREG;   
  } 
}

int Servo::read() // return the value as degrees
{
  return  map( this->readMicroseconds()+1, SERVO_MIN(), SERVO_MAX(), 0, 180);     
}

int Servo::readMicroseconds()
{
  unsigned int pulsewidth;
  if( this->servoIndex != INVALID_SERVO )
    pulsewidth = ticksToUs(servos[this->servoIndex].ticks)  + TRIM_DURATION ;   // 12 aug 2009
  else 
    pulsewidth  = 0;

  return pulsewidth;   
}

bool Servo::attached()
{
  return servos[this->servoIndex].Pin.isActive ;
}