：单片机舵机控制与设计模式：提升代码质量，降低复杂性，打造优雅代码

# 1. 单片机舵机控制基础

舵机是一种常见的执行器，广泛应用于机器人、无人机等领域。单片机控制舵机是实现舵机运动的关键技术。本章将介绍单片机舵机控制的基础知识，包括舵机的工作原理、控制模式和接口类型。

舵机的工作原理是利用直流电机驱动齿轮组，从而实现舵臂的旋转。单片机通过发送控制信号给舵机，控制舵机的旋转角度。舵机控制模式主要有直连模式、PWM模式和伺服模式，其中PWM模式最为常用。单片机与舵机之间的接口类型主要有TTL接口和RS232接口。

# 2. 舵机控制模式

### 2.1 直连模式

直连模式是最简单的舵机控制模式，它直接将单片机的数字输出引脚连接到舵机的控制引脚。当单片机输出高电平时，舵机旋转到一个特定的角度；当单片机输出低电平时，舵机旋转到另一个特定的角度。

**优点：**

- 简单易实现
- 成本低

**缺点：**

- 精度低
- 只能控制舵机到两个特定的角度

### 2.2 PWM模式

PWM（脉宽调制）模式通过改变单片机输出脉冲的宽度来控制舵机的角度。当脉冲宽度增加时，舵机旋转到更大的角度；当脉冲宽度减小时，舵机旋转到更小的角度。

**原理：**

舵机内部有一个伺服电机，伺服电机由一个PWM信号控制。PWM信号的脉冲宽度决定了伺服电机的转动角度。

**优点：**

- 精度更高
- 可以控制舵机到任意角度

**缺点：**

- 需要使用定时器生成PWM信号
- 编程复杂度更高

### 2.3 伺服模式

伺服模式是舵机控制模式中最复杂的，它需要使用单片机的串口或I2C接口与舵机通信。舵机收到单片机发送的指令后，会自动调整自己的角度。

**原理：**

舵机内部有一个微控制器，微控制器负责解析单片机发送的指令并控制舵机的转动。

**优点：**

- 精度最高
- 可以控制舵机到任意角度
- 可以设置舵机的速度和加速度

**缺点：**

- 需要使用串口或I2C接口
- 编程复杂度最高

**代码示例：**

#include <Servo.h>

Servo myservo;  // 创建一个舵机对象

void setup() {
  myservo.attach(9);  // 将舵机连接到数字引脚9
}

void loop() {
  myservo.write(90);  // 将舵机旋转到90度
  delay(1000);  // 等待1秒
  myservo.write(180);  // 将舵机旋转到180度
  delay(1000);  // 等待1秒
}

**代码逻辑分析：**

- `Servo myservo;`：创建一个舵机对象，用于控制舵机。
- `myservo.attach(9);`：将舵机连接到数字引脚9。
- `myservo.write(90);`：将舵机旋转到90度。
- `delay(1000);`：等待1秒。
- `myservo.write(180);`：将舵机旋转到180度。
- `delay(1000);`：等待1秒。

**参数说明：**

- `myservo.attach(9);`：`9`表示舵机连接的数字引脚号。
- `myservo.write(90);`：`90`表示舵机旋转到的角度。
- `delay(1000);`：`1000`表示等待的时间（单位：毫秒）。

**Mermaid流程图：**

sequenceDiagram
participant User
participant Servo
User->Servo: Send angle command
Servo: Rotate to specified angle
Servo->User: Return status

**流程图说明：**

- 用户发送角度命令给舵机。
- 舵机旋转到指定角度。
- 舵机返回状态给用户。

# 3. 单片机舵机控制设计模式

### 3.1 单例模式

单例模式是一种设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取该实例。在舵机控制中，单例模式可用于管理舵机对象，确保整个系统中只有一个舵机对象被创建和使用。

**优点：**

- **全局访问：**单例模式提供了全局访问点，允许系统中的任何部分访问舵机对象。
- **防止重复创建：**它确保只创建一个舵机对象，防止不必要的重复创建。
- **资源节省：**通过限制舵机对象的创建，单例模式可以节省资源，特别是在资源受限的嵌入式系统中。

**实现：**

class ServoSingleton {
private:
    static ServoSingleton* instance;  // 静态实例指针
    Servo* servo;  // 舵机对象

    ServoSingleton() {
        servo = new Servo();  // 创建舵机对象
    }

public:
    static ServoSingleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            instance = new ServoSingleton();  // 创建单例实例
        }
        return instance;  // 返回单例实例
    }

    Servo* getServo() {
        return servo;  // 返回舵机对象
    }
};

### 3.2 工厂模式

工厂模式是一种设计模式，它提供了一个创建对象的接口，而不指定创建对象的具体类。在舵机控制中，工厂模式可用于创建不同类型的舵机对象，例如标准舵机、连续旋转舵机或微型舵机。

**优点：**

- **解耦