### 第05课 舵机控制
#### 5.1 项目介绍：
本教程将为您详细介绍舵机模块的使用方法和应用技巧。舵机是一种能够精确控制角度的电机，广泛应用于机器人、遥控模型和自动化设备中。教程内容包括舵机的工作原理、引脚功能、电路连接方法以及如何通过微控制器控制舵机的转动角度。
#### 5.2 元件知识：
**什么是舵机？**
舵机（Servo）是一种可以精确控制旋转角度的电机。它就像一个听话的机械手臂关节，你可以命令它转到特定的角度（比如 0°、90° 或 180°），并且它能稳稳地停在那里。
**舵机的内部构造：** 舵机主要由外壳、电路板、无核心马达、齿轮组和位置检测器组成。
**它的工作原理是：** 单片机（如 Arduino）发出信号给舵机，舵机内部的电路会将接收到的信号与当前位置进行比较，驱动马达转动，直到到达指定的角度为止。
**舵机的接线：** 虽然不同品牌的舵机颜色可能略有差异，但大多数标准舵机都有三根线，功能如下：
- 棕色线：接地线（GND），连接电源负极。
- 红色线：电源线（VCC），连接电源正极。
- 橙色线（或黄色）：信号线（Signal），连接单片机的数字引脚，用于接收控制指令。
**舵机是如何转动的？**
舵机的转动角度是通过调节 PWM（脉冲宽度调制） 信号的占空比来实现的。
例如（这里以180°舵机为例）：
- 标准信号周期：固定为 20ms（即频率为 50Hz）。
- 脉宽与角度的关系：
- 脉宽 0.5ms ~ 2.5ms 对应舵机转角 0° ~ 180°。
- 通常，1.5ms 的脉宽对应 90°（中间位置）。
具体的对应关系可以参考下表：
**舵机参数：**
- 工作电压：DC 4.8V〜6V
- 可操作角度范围：大约 0 - 180°(在 500→2500 μsec)
- 脉波宽度范围：500 → 2500 μsec
- 空载转速：0.12±0.01 sec/60（DC 4.8V）， 0.1±0.01 sec/60（DC 6V）
- 空载电流：200±20mA（DC 4.8V）， 220±20mA（DC 6V）
- 停止扭力：1.3±0.01kg·cm（DC 4.8V），1.5±0.1kg·cm（DC 6V）
- 停止电流：≦850mA（DC 4.8V）， ≦1000mA（DC 6V）
- 待机电流：3±1mA（DC 4.8V）， 4±1mA（DC 6V）
#### 5.3 项目组件
| 组装好的智能车(未插上蓝牙模块) *1 | USB线 *1 | 5号(1.5V)电池 *6（电池自备） |
| --- | --- | --- |
|  | |  |
#### 5.4 接线图：
⚠️ 特别注意：4WD智能车已经组装好了，这里不需要把舵机拆下来又重新组装和接线，这里再次提供接线图，是为了方便您编写代码！
| 舵机 | 电机驱动扩展板 |
| :--: | :--: |
| 棕色线 | G |
| 红色线 | 5V |
| 橙色线 | S（D10）|
⚠️ **特别注意：**
- 接线时请确保电源断开(拔掉Arduino主控板上的USB线或将电机驱动扩展板上的拨码开关拨到 “**OFF**” 端)，避免短路。
- 舵机在转动瞬间需要的电流较大（峰值可能接近 1A），而 Arduino 开发板提供的电流较小。如果直接用开发板供电，可能会导致开发板重启或损坏。因此，强烈建议使用外接电源。
- 电源连接：电池盒电源接到电机驱动扩展板的 BAT 接口（注意正负极不要接反），端口正反面，请勿反插，否则会损坏端口。
- 电池正负极切勿接反，否则可能烧毁电机驱动扩展板。
- 电机驱动扩展板上的拨码开关拨到 “**ON**” 端。
#### 5.5 示例代码1：手动编写 PWM 信号控制
为了让你理解舵机控制的底层原理，我们先不使用库文件，而是通过手动模拟 PWM 信号来控制舵机。
⚠️ **重要提示：**
- **上传示例代码前，请务必拔掉蓝牙模块！ 因为蓝牙模块也占用Arduino的串口通信（TX/RX），如果不拔掉，示例代码上传会失败。**
```cpp
/*
keyes 4WD 多功能智能车
课程 05.1
舵机控制
http://www.keyes-robot.com
*/
#define SERVO_PIN 10 // 舵机引脚
int pos; // 舵机角度变量
int pulseWidth; // 舵机脉宽变量
/* 功能：初始化设置 */
void setup() {
pinMode(SERVO_PIN, OUTPUT); // 设置舵机引脚为输出
setServoAngle(0); // 设置舵机角度为0度
}
/* 功能：主循环，舵机从0度转到180度再转回0度 */
void loop() {
for (pos = 0; pos <= 180; pos += 1) { // 从0度转到180度，步进1度
setServoAngle(pos); // 设置舵机角度
delay(15); // 控制舵机转动速度
}
for (pos = 180; pos >= 0; pos -= 1) { // 从180度转回0度，步进1度
setServoAngle(pos); // 设置舵机角度
delay(15); // 控制舵机转动速度
}
}
/* 功能：根据角度设置舵机脉宽信号 */
void setServoAngle(int angle) {
pulseWidth = angle * 11 + 500; // 计算脉宽值，单位微秒
digitalWrite(SERVO_PIN, HIGH); // 发送高电平
delayMicroseconds(pulseWidth); // 高电平持续时间即脉宽
digitalWrite(SERVO_PIN, LOW); // 发送低电平
delay(20 - pulseWidth / 1000); // 低电平持续时间，周期20ms
}
```
#### 5.6 项目结果1：
⚠️ **重要提示：**
- **上传示例代码前，请务必拔掉蓝牙模块！ 因为蓝牙模块也占用Arduino的串口通信（TX/RX），如果不拔掉，示例代码上传会失败。**
外接电源，将电机驱动扩展板上的拨码开关拨到 “**ON**” 端，上电后。选择好正确的开发板板型（Arduino Uno）和 适当的串口端口（COMxx），然后单击  按钮上传示例代码1至Arduino控制板。
代码上传成功后，可以看到舵机在0°到180°角度范围来回摆动。
#### 5.7 示例代码2：使用 Servo 库控制（推荐方法）
手动编写 PWM 信号比较麻烦且容易出错。Arduino 官方提供了一个专门的 Servo 库，可以极大地简化代码。这是我们在实际制作中最常用的方法。
**以下是使用了舵机库文件的程序，接线图保存不变：**
⚠️ **重要提示：**
- 1\. 你需要安装 `` 库才能编译此代码，如果已经安装过，直接跳过。
- 2\. **上传示例代码前，请务必拔掉蓝牙模块！ 因为蓝牙模块也占用Arduino的串口通信（TX/RX），如果不拔掉，示例代码上传会失败。**
```cpp
/*
keyes 4WD 多功能智能车
课程 05.2
舵机控制
http://www.keyes-robot.com
*/
#include
#define SERVO_PIN 10 // 舵机信号引脚
Servo myServo; // 创建舵机对象控制舵机
int pos = 0; // 舵机位置变量
/* 功能：初始化舵机 */
void setup() {
myServo.attach(SERVO_PIN); // 绑定舵机信号引脚
}
/* 功能：循环控制舵机从 0 度转到 180 度再回到 0 度 */
void loop() {
for (pos = 0; pos <= 180; pos += 1) { // 从 0 度转到 180 度，步进 1 度
myServo.write(pos); // 设置舵机位置
delay(15); // 等待舵机到达位置
}
for (pos = 180; pos >= 0; pos -= 1) { // 从 180 度转回 0 度，步进 1 度
myServo.write(pos); // 设置舵机位置
delay(15); // 等待舵机到达位置
}
}
```
#### 5.8 项目结果2：
⚠️ **重要提示：**
- **上传示例代码前，请务必拔掉蓝牙模块！ 因为蓝牙模块也占用Arduino的串口通信（TX/RX），如果不拔掉，示例代码上传会失败。**
外接电源，将电机驱动扩展板上的拨码开关拨到 “**ON**” 端，上电后。选择好正确的开发板板型（Arduino Uno）和 适当的串口端口（COMxx），然后单击  按钮上传示例代码2至Arduino控制板。
代码上传成功后，舵机也是在0°到180°角度范围来回摆动。
⚠️ **特别提醒：这两个项目的效果是一样的 ，通常我们使用库文件来控制的比较多。**
#### 5.9 代码说明:
```C
delayMicroseconds()
```
这个函数可以产生微秒级的延时，用来精确控制高电平的持续时间（脉宽）
```C
setServoAngle
```
这是核心部分，它根据输入的角度计算出需要的高电平时间，然后发送信号。
```C
delay(20 - pulsewidth / 1000)
```
PWM 信号的周期必须是 20ms。既然高电平已经占用了一部分时间，剩下的时间必须拉低电平，以凑够 20ms 的总周期。
```C
#include
```
这行代码告诉 Arduino 我们要使用舵机库。
```C
Servo myservo;
```
创建一个 “舵机” 对象，以后我们就通过`myservo`来控制舵机。
```C
myservo.write(pos);
```
这是最简单的指令，直接写入角度值（0-180），库文件会自动处理复杂的 PWM 信号生成。
#### 5.10 注意事项与常见问题
1\. 供电不足：如果发现舵机抖动、无力或 Arduino 频繁重启，请检查外接电池是否有电，以及接线是否牢固。切勿仅依靠 USB 供电驱动大扭矩舵机。
2\. 角度限制：大多数普通舵机（如 SG90）的物理旋转范围略小于 180°（通常在 0-180° 之间，但两端可能有几度的死区）。如果写入 0° 或 180° 时听到舵机发出“咯咯”的挣扎声，请尝试改为 5° 和 175°。