Arduino周边模块：执行部件(舵机、直流电机、步进电机)

Arduino周边模块：执行部件

嵌入式系统的构成

如今已经有各种各样的基于Arduino的嵌入式系统，

比如：智能小车、3D打印机、机器人，甚至还有基于Arduino的开源人造卫星

但是光有Arduino，就像一个人只有大脑，没有四肢也是什么也做不到的

因此，

控制代码+Arduino+执行部件=改变世界的力量

常用的执行部件：

1.舵机-------->机器人
2.直流电机----->智能小车
3.步进电机----->3D打印机

使用Arduino输出PWM方波

PWM有什么作用？

控制电机的转速
控制舵机的角度
控制喇叭的音量
输出真正的模拟电压

什么是PWM？

PWM：脉宽调制

脉宽就是高电平持续的时间长度

而脉宽调制就是改变数字方波中高电平的持续时间，来对外部模块进行控制的一种方式。

优点：精确而简单

PWM波的频率越高模拟的效果越好。一般来说，PWM波要高于20Hz才能保证基本的模拟效果

总结来说，就是通过改变方波的脉冲宽度，或者说是占空比来进行模拟信号的仿真

如何通过Arduino进行PWM波的输出？

硬件控制

在前面的控制三色LED中说过，在Arduino的数字端口前带有～号的，就是能够输出PWM波的

控制语句：

1.analogWrite(pin,value)//value范围0~255

软件控制

当我们要控制多路的PWM波输出，比如说多自由度机器人(需要17路PWM输出)，那么就需要使用软件输出PWM波

关键：使用软件来模拟硬件执行过程

软件输出PWM波代码：

1.loop()
2.{
3.    int compareReg1=pulseWidth1;
4.    int compareReg2=pulseWidth2;
5.    int currentCount=0;
6.    digitalWrite(5,HIGH);
7.    digitalWrite(6,HIGH);
8.
9.    for(int i=0;i<255;i)
10.    {
11.        current ++;
12.        if(currentCount >= compareReg1)
13.        {
14.            digitalWrite(5,LOW);
15.        }
16.        if(currentCount>=compareReg2)
17.        {
18.            digitalWrite(6,LOW);
19.        }
20.        delayMicroseconds(2);
21.    }
22.}

通过软件进行模拟，我们就可以得到一个超级timer，它包含任意多个比较寄存器

两种输出方式比较

优缺点	硬件输出	软件输出
优点	1.不占用CPU	1.灵活性高
优点	2.控制简单	2.能够输出多路PWM
优点	3.控制精确
缺点	1.受硬件限制，路数少	1.占用CPU计算时间
缺点		2.脉宽不精确，存在误差

使用Arduino控制舵机

舵机又称伺服电机，能够根据给出的控制信号旋转特定的角度

电位器(potentiometer)：充当位置传感器，从而获得舵机的转动角度信息

舵机的原理

舵机的控制

舵机的硬件连接

一般的舵机会引出三根线，分别是地线、电源线以及信号线

类型	颜色
地线	棕色
电源线	红色
信号线	橙色

舵机与Arduino的连接

舵机的控制代码

1.#include <Servo.h>
2.Servo myservo;//命名为myservo
3.
4.void setup()
5.{
6.    myservo.attach(9);//设置引脚编号
7.}
8.void loop()
9.{
10.    int pos=0;//定义一个变量，来控制旋转角度
11.    for(pos=0;pos<180;pos++)
12.    {
13.        myservo.write(pos);
14.        delay(15);
15.    }//从0转到180度
16.    for(pos=180;pos>0;pos--)
17.    {
18.        myservo.write(pos);
19.        delay(15);
20.    }//从108度再转回来
21.}

使用Arduino控制直流电机

直流电机：实现将直流电能转化为机械能，或者将机械能转化为直流电能的元件。

直流电机的特点：

转动速度快
调速容易
转速随负载变化

但是利用Arduino控制直流电机却不是一件简单的事情：

直流电机转动时需要的电流较大，直接通过数字端口连接可能会烧坏主板
在转动直流电机时会产生逆电流，会对Arduino产生不利影响
通过Arduino直接连接直流电机无法进行方向的控制

因此，我们得到一个结论：千万不要将Arduino与直流电机直接相连

双H桥电路控制直流电机

给A、D这两个引脚接高电平，那么与这两个引脚相连的三极管处导通状态。给B、C这两个引脚接低电平，那么与这两个引脚相连的三极管处于截止状态

等效电路：

给B、C这两个引脚接高电平，那么与这两个引脚相连的三极管处导通状态。给A、D这两个引脚接低电平，那么与这两个引脚相连的三极管处于截止状态

等效电路：

这样就解决了等效的问题

那么又如何解决电机转动的速度呢？

这个也比较好办

在VCC与H桥之间再加一个三极管，引脚E接Arduino输出的PWM波，这样就能够控制转速

电路连接图

(具体参考控制芯片的参考手册)

控制代码

1.int pwmPin=9;
2.int dir_1=8;
3.int dir_2=7;
4.void setup()
5.{
6.    pinMode(pwmPin,OUTPUT);
7.    pinMode(dir_1,OUTPUT);
8.    pinMode(dir_2,OUTPUT);
9.}
10.void loop()
11.{
12.    digitalWrite(dir_1,HIGH);
13.    digitalWrite(dir_2,LOW);
14.    analogWrite(pwmPin,100);
15.}

如果要改变电机的转速，只需要把analogWrite(pwmPin,100);中的100改为更大的值；而如果想改变转向，只需要把dir_1和dir_2对调

使用Arduino控制步进电机

步进电机

定义：将电脉冲信号转变为角位移或者线位移的开环控制元件。

简单来说，步进电机每接收一个电脉冲向前走一步。

步距角：步进电机每一步旋转的角度。控制方式不同，步距角就不同。

优点：控制简单、进度高、误差不累积

步进电机驱动原理

上图中，有A、B、C、D相，所以我们称之为四相步进电机

当A相断电，B相通电，此时转子会转过90°，S极指向B相。同理的，当B相断电，C相通电，此时转子会转过90°，S极指向C相。由此类推，即可转动360°。

脉冲时序A—>B—>C—>D

可以得到步距角为1.8°

称为整步驱动

半步驱动

当A相与B相同时保持通电状态，此时转子会处在两相之间

脉冲时序：A—>AB—>B—>BC—>C—>CD—->D—>DA

步距角：0.9°

步进电机与舵机的对比

项目	步进电机	舵机
控制方式	脉冲控制	PWM控制
旋转角度范围	无限制	0~180°(或0~360°)
用途	位移距离控制(3D打印机、电脑鼠、智能车)	方向角度控制(机械臂、智能小车转向机构、人形机器人、云台)

Arduino与步进电机的硬件连接

控制代码

1.#include <Steper.h>
2.Stepper myStepper(200,8,9,10,11);//200是旋转一圈所需要的步数，8~11是Arduino与步进电机四相相连的编号
3.
4.void setup()
5.{
6.    myStepper.setSpeed(60);//每分钟旋转60圈
7.}
8.void loop()
9.{
10.    myStepper.step(200);//步进电机需要前进的步数200
11.}

如需把速度降低，只需要把myStepper.setSpeed(60);中的60改为更小值。