揭秘单片机舵机控制：原理、实现与应用，助你玩转舵机

# 1. 单片机舵机控制基础**

舵机是一种小型电机，可精确控制角度，广泛应用于机器人、智能家居等领域。单片机舵机控制涉及硬件连接和软件设计。

硬件连接包括舵机、单片机和驱动电路。舵机通常使用三线制连接，包括电源、地线和控制线。单片机负责生成控制信号，驱动电路放大信号，驱动舵机转动。

软件设计主要包括PWM信号生成和串口通信。PWM信号用于控制舵机转动角度，串口通信用于配置舵机参数和接收反馈信息。

# 2. 舵机控制原理

### 2.1 舵机的工作原理

舵机是一种带有内置控制电路的电动机，它可以根据接收到的控制信号将转轴转动到指定角度。舵机的内部结构主要包括电机、减速齿轮、位置传感器和控制电路。

**工作流程：**

1. 控制信号（PWM 信号或串口指令）输入舵机控制电路。
2. 控制电路根据信号解析目标角度。
3. 控制电路驱动电机，通过减速齿轮带动转轴转动。
4. 位置传感器实时检测转轴角度并反馈给控制电路。
5. 控制电路根据反馈角度与目标角度的偏差，调整电机转动方向和速度，直至转轴达到目标角度。

### 2.2 舵机控制协议

舵机控制协议定义了舵机与控制设备之间的通信方式，包括控制信号的格式、传输方式和响应机制。常见的舵机控制协议有 PWM 信号和串口通信。

#### 2.2.1 PWM 信号

PWM（Pulse Width Modulation）信号是一种数字信号，通过改变脉冲宽度来表示目标角度。PWM 信号的周期固定，而脉冲宽度与目标角度成正比。舵机控制电路通过测量 PWM 信号的脉冲宽度来确定目标角度。

**参数说明：**

- **周期：**PWM 信号的一个完整周期时长，单位为微秒（μs）。
- **脉冲宽度：**PWM 信号中高电平持续时间，单位为微秒（μs）。
- **占空比：**脉冲宽度与周期的比值，表示目标角度。

**代码块：**

import time

# 设置 PWM 信号参数
pwm_period = 20000  # 周期为 20ms
pwm_duty_cycle = 1500  # 占空比为 1500μs，对应 0°

# 生成 PWM 信号
while True:
    # 设置高电平
    GPIO.output(pwm_pin, GPIO.HIGH)
    time.sleep(pwm_duty_cycle / 1000000)  # 转换为秒

    # 设置低电平
    GPIO.output(pwm_pin, GPIO.LOW)
    time.sleep((pwm_period - pwm_duty_cycle) / 1000000)  # 转换为秒

**逻辑分析：**

该代码段通过设置 PWM 信号的周期和占空比来控制舵机转动到 0°。PWM 信号的周期固定为 20ms，占空比为 1500μs，对应 0°。代码使用 GPIO 库控制 PWM 引脚的输出，通过调整高电平和低电平的持续时间来生成 PWM 信号。

#### 2.2.2 串口通信

串口通信是一种通过串口发送和接收数据的通信方式。舵机控制通过串口发送指令，指令格式由舵机厂商定义。舵机收到指令后，根据指令解析目标角度并执行相应的动作。

**参数说明：**

- **波特率：**串口通信的传输速率，单位为比特/秒（bps）。
- **数据位：**每个字符传输的数据位数，通常为 8 位。
- **停止位：**字符传输结束后发送的停止位数，通常为 1 位或 2 位。
- **校验位：**用于校验数据传输正确性的位，通常为无校验、奇校验或偶校验。

**代码块：**

import serial

# 设置串口参数
serial_port = "/dev/ttyUSB0"
baudrate = 9600
timeout = 1

# 打开串口
ser = serial.Serial(serial_port, baudrate, timeout=timeout)

# 发送舵机控制指令
ser.write(b"\x01\x06\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00")  # 设置舵机 1 的角度为 0°

# 接收舵机响应
response = ser.read(10)

**逻辑分析：**

该代码段通过串口发送舵机控制指令，指令格式为：

- 0x01：舵机 ID
- 0x06：指令代码（设置角度）
- 0x00 0x00：目标角度低字节
- 0x00 0x00：目标角度高字节
- 0x00 0x00：保留位

代码发送指令后，等待接收舵机的响应。响应数据为 10 字节，其中包含舵机 ID、指令代码和执行结果等信息。

# 3.1 单片机舵机控制硬件连接

**舵机连接**

- **电源连接：**舵机通常使用 5V 或 6V 直流电源供电，连接单片机的 5V 或 6V 引脚。
- **地线连接：**舵机的地线与单片机的地线相连。
- **控制线连接：**舵机控制线通常为三根线，分别为电源线、地线和信号线。信号线连接单片机的 PWM 输出引脚或串口通信引脚。

**硬件电路**

**连接示例**

- **PWM 信号控制：**将舵机信号线连接到单片机的 PWM 输出引脚，如 STM32 的 TIM1_CH1。
- **串口通信控制：**将舵机信号线连接到单片机的串口通信引脚，如 STM32 的 USART1。

### 3.2 单片机舵机控制软件设计

**3.2.1 PWM 信号生成**

PWM 信号生成需要使用单片机的定时器外设。以 STM32 为例，可以使用 TIM1 定时器生成 PWM 信号：

// 初始化 TIM1 定时器
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_TIM1EN;
TIM1->PSC = 1000 - 1; // 分频系数，产生 1kHz PWM 信号
TIM1->ARR = 2000 - 1; // 自动重装载值，PWM 周期为 2ms
TIM1->CCR1 = 1000; // 通道 1 的比较值，控制舵机角度
TIM1->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // 启用通道 1 输出
TIM1->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 启动定时器

**代码逻辑分析：**

- 设置分频系数和自动重装载值，产生 1kHz PWM 信号。
- 设置通道 1 的比较值，控制舵机角度。
- 启用通道 1 输出和启动定时器。

**3.2.2 串口通信实现**

串口通信需要使用单片机的 USART 外设。以 STM32 为例，可以使用 USART1 进行串口通信：

// 初始化 USART1
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;
USART1->BRR = 9600; // 波特率为 9600
USART1->CR1 |= USART_CR1_UE; // 启用 USART

**代码逻辑分析：**

- 设置 USART1 的波特率。
- 启用 USART。

**舵机控制流程**

舵机控制流程通常包括以下步骤：

1. 初始化硬件连接和软件配置。
2. 根据需要发送 PWM 信号或串口命令控制舵机角度。
3. 接收舵机反馈信息（可选）。
4. 根据反馈信息调整控制策略（可选）。

# 4. 舵机控制应用

### 4.1 舵机控制在机器人中的应用

舵机在机器人领域有着广泛的应用，主要用于控制机器人的关节运动和平衡。

#### 4.1.1 机器人关节控制

舵机可以精确控制机器人的关节角度，实现机器人的灵活运动。例如，在人形机器人中，舵机可以控制机器人的手臂、腿部和头部等关节，使机器人能够完成各种动作，如行走、抓取和平衡。

#### 4.1.2 机器人平衡控制

舵机还可以用于控制机器人的平衡。通过调节舵机的角度，可以改变机器人的重心，从而保持机器人的平衡。例如，在双足机器人中，舵机可以控制机器人的脚部关节，使机器人能够在不平坦的地面上保持平衡，并进行行走和奔跑等动作。

### 4.2 舵机控制在智能家居中的应用

舵机在智能家居中也得到了广泛的应用，主要用于控制智能窗帘和智能门锁。

#### 4.2.1 智能窗帘控制

舵机可以控制智能窗帘的开合角度，实现智能窗帘的自动化控制。例如，用户可以通过手机APP或语音助手，控制舵机打开或关闭窗帘，实现智能窗帘的远程控制和定时控制。

#### 4.2.2 智能门锁控制

舵机还可以控制智能门锁的开锁动作。通过舵机的控制，智能门锁可以实现自动开锁和闭锁，无需用户手动操作。例如，当用户靠近门锁时，舵机可以自动打开门锁，当用户离开门锁时，舵机可以自动闭锁门锁，实现智能门锁的免触控操作。

**代码块：**

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 设置舵机引脚
servo_pin = 17

# 初始化舵机
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(servo_pin, GPIO.OUT)

# 设置舵机PWM频率
pwm = GPIO.PWM(servo_pin, 50)
pwm.start(0)

# 控制舵机旋转到指定角度
def set_angle(angle):
    duty = angle / 18 + 2
    pwm.ChangeDutyCycle(duty)

# 主程序
if __name__ == '__main__':
    while True:
        # 设置舵机旋转到0度
        set_angle(0)
        time.sleep(1)

        # 设置舵机旋转到90度
        set_angle(90)
        time.sleep(1)

        # 设置舵机旋转到180度
        set_angle(180)
        time.sleep(1)

**代码逻辑分析：**

* 导入必要的库。
* 设置舵机引脚。
* 初始化舵机。
* 设置舵机PWM频率。
* 定义一个函数`set_angle()`，用于控制舵机旋转到指定角度。
* 在主程序中，循环控制舵机旋转到0度、90度和180度。

**参数说明：**

* `servo_pin`：舵机引脚。
* `angle`：舵机旋转角度（0-180度）。
* `duty`：舵机PWM占空比（0-100%）。

# 5.1 舵机控制的PID调节

### 5.1.1 PID算法原理

PID（比例-积分-微分）算法是一种经典的控制算法，广泛应用于各种控制系统中，包括舵机控制。PID算法通过测量系统输出与期望输出之间的误差，并根据误差的比例、积分和微分值来调整系统输入，从而使系统输出尽可能接近期望输出。

PID算法的数学表达式为：

u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t)/dt

其中：

- `u(t)` 是系统输入
- `e(t)` 是系统输出与期望输出之间的误差
- `Kp` 是比例系数
- `Ki` 是积分系数
- `Kd` 是微分系数

### 5.1.2 舵机控制中的PID调节

在舵机控制中，PID算法可以用于调节舵机的角度。通过测量舵机当前角度与期望角度之间的误差，并根据误差的比例、积分和微分值来调整舵机的PWM信号，从而使舵机角度尽可能接近期望角度。

PID算法在舵机控制中的具体实现步骤如下：

1. **测量误差：**计算舵机当前角度与期望角度之间的误差。
2. **计算PID值：**根据误差的比例、积分和微分值计算PID值。
3. **调整PWM信号：**根据PID值调整舵机的PWM信号。
4. **重复步骤1-3：**不断重复上述步骤，直到舵机角度接近期望角度。

### 代码示例

以下代码示例展示了如何使用PID算法控制舵机角度：

import time
import RPi.GPIO as GPIO

# 设置GPIO引脚
pwm_pin = 12
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(pwm_pin, GPIO.OUT)

# 设置PWM频率和占空比
pwm = GPIO.PWM(pwm_pin, 50)
pwm.start(0)

# 设置PID参数
Kp = 0.5
Ki = 0.01
Kd = 0.001

# 设置期望角度
target_angle = 90

# 主循环
while True:
    # 测量舵机当前角度
    current_angle = get_current_angle()

    # 计算误差
    error = target_angle - current_angle

    # 计算PID值
    pid_value = Kp * error + Ki * error * time.dt + Kd * (error - last_error) / time.dt

    # 调整PWM占空比
    pwm.ChangeDutyCycle(pid_value)

    # 更新上一次误差
    last_error = error

### 逻辑分析

代码逻辑如下：

1. 设置GPIO引脚，并初始化PWM。
2. 设置PID参数和期望角度。
3. 在主循环中：
- 测量舵机当前角度。
- 计算误差。
- 计算PID值。
- 调整PWM占空比。
- 更新上一次误差。

通过不断重复上述步骤，舵机角度将逐渐接近期望角度。

# 6.1 基于单片机的舵机控制机器人

### 硬件连接

#### 材料清单

- 单片机（如 Arduino Uno）
- 舵机（如 SG90）
- 面包板
- 跳线

#### 连接步骤

1. 将舵机电源线（红色）连接到单片机的 5V 引脚。
2. 将舵机地线（黑色）连接到单片机的 GND 引脚。
3. 将舵机信号线（橙色）连接到单片机的数字输出引脚（如 D9）。

### 软件设计

#### PWM 信号生成

// 设置 PWM 频率为 50Hz
TCCR1A |= (1 << WGM10);
TCCR1B |= (1 << WGM12);
ICR1 = 40000; // 设置 PWM 周期为 20ms

// 设置 PWM 输出引脚
DDRD |= (1 << D9);

#### 舵机控制

// 设置舵机角度
void setServoAngle(int angle) {
  // 将角度转换为脉宽（0-180 度对应 500-2500 微秒）
  int pulseWidth = 500 + angle * 10;

  // 更新 PWM 比较值
  OCR1A = pulseWidth;
}

### 应用

#### 机器人关节控制

- 使用舵机控制机器人的关节，实现机器人的运动。
- 例如，可以通过控制舵机角度来控制机器人的手臂或腿部运动。

#### 机器人平衡控制

- 使用舵机控制机器人的平衡，防止机器人倾倒。
- 例如，可以通过控制舵机角度来调整机器人的重心，保持机器人的平衡。