arduino扩展：Arduino Mega 控制 32 个舵机（参考表情机器人）

参考：表情机器人中使用22个舵机的案例

引言

在电子制作与自动化控制领域，Arduino 凭借其易用性和强大的扩展性备受青睐。Arduino Mega 作为其中功能较为强大的一款开发板，具备丰富的引脚资源，能够实现复杂的控制任务。舵机作为常见的执行机构，可精确控制角度，广泛应用于机器人、模型制作等场景。本文将深入探讨如何使用 Arduino Mega 控制 32 个舵机，详细分析硬件连接、代码实现，并对项目进行拓展思考。

硬件连接

材料准备

  • Arduino Mega 开发板：它拥有 54 个数字输入输出引脚，其中 15 个可提供 PWM 输出，这为同时控制多个舵机提供了硬件基础。
  • 32 个舵机：舵机通常有三根线，分别是电源线（VCC，一般为红色）、地线（GND，一般为黑色或棕色）和信号线（PWM，一般为橙色或黄色）。
  • 杜邦线：用于连接 Arduino Mega 和舵机，保证信号和电源的传输。
  • 电源模块：由于 32 个舵机同时工作时功耗较大，Arduino Mega 的板载电源可能无法满足需求，因此需要一个外部电源模块为舵机供电。

连接方式

  • 电源连接：将所有舵机的电源线（VCC）连接到外部电源的正极，所有舵机的地线（GND）连接到外部电源的负极和 Arduino Mega 的 GND 引脚，确保共地。这样可以避免电源干扰，保证系统的稳定性。
  • 信号连接：从 Arduino Mega 的 22 号引脚开始，依次将 32 个舵机的信号线（PWM）连接到 22 - 53 号引脚。在代码中，会将这些引脚与对应的舵机对象进行关联，从而实现对每个舵机的精确控制。
    在这里插入图片描述

硬件连接注意事项

  • 电源供应：确保外部电源能够提供足够的电流，以满足 32 个舵机同时工作的需求。否则，可能会出现舵机转动无力、抖动等问题。
  • 引脚使用：避免将其他设备连接到 22 - 53 号引脚，以免与舵机控制产生冲突。
  • 线路布局：合理规划杜邦线的布局，避免线路交叉和缠绕，减少信号干扰。

代码实现

代码整体功能概述

这段代码实现了使用 Arduino Mega 控制 32 个舵机，并让它们按照预设的四个不同序列进行运动，展示出多样化的动作效果。

代码详细分析

库的引入和变量定义
#include <Servo.h>
#define NUM_SERVOS 32
Servo myServo[NUM_SERVOS];
  • #include <Servo.h>：引入 Servo 库，该库提供了控制舵机的基本函数和方法。
  • #define NUM_SERVOS 32：定义常量 NUM_SERVOS 为 32，表示要控制的舵机数量。
  • Servo myServo[NUM_SERVOS];：创建一个包含 32 个 Servo 对象的数组 myServo，用于管理每个舵机。
setup() 函数
void setup() 
{for( int i=0; i<NUM_SERVOS; i++){myServo[i].attach( i + 22);     }
}
  • 在 setup() 函数中，通过 for 循环将每个 Servo 对象与 Arduino Mega 开发板上从 22 到 53 的引脚依次连接起来。attach() 函数用于将舵机对象与特定的引脚关联，以便后续向该引脚发送 PWM 信号来控制舵机的角度。
loop() 函数

loop() 函数会不断循环执行，其中包含了四个不同的舵机运动序列。

序列一：随机角度运动
for( int a=0; a<15; a++)
{for( int i=0; i<NUM_SERVOS; i++){myServo[i].write( random( 0, 181));delay( 2);}delay( 150);
}
  • 该序列会循环 15 次。每次循环中，使用 random(0, 181) 函数为每个舵机生成一个 0 到 180 之间的随机角度，并通过 write() 函数将该角度发送给对应的舵机。delay(2) 用于在设置每个舵机角度后稍微延迟一下，让舵机有时间响应。delay(150) 用于在完成一次所有舵机角度设置后，暂停 150 毫秒，方便观察效果。
序列二：同步角度运动
for( int i=0; i<NUM_SERVOS; i++)
{myServo[i].write( 0);            
}
delay( 1000);                      
for( int a=0; a<3; a++)
{for( int r=0; r<=180; r++)       {for( int i=0; i<NUM_SERVOS; i++){myServo[i].write( r);}delay( 6);}for( int r=180; r>=0; r--){for( int i=0; i<NUM_SERVOS; i++)  {myServo[i].write( r);}delay( 6);}
}
  • 首先，将所有舵机的角度设置为 0 度，即初始位置（舵机臂向左旋转），并延迟 1000 毫秒，让观察者适应这个状态。
  • 然后，循环 3 次，每次先将所有舵机从 0 度逐步旋转到 180 度（向右旋转），再从 180 度逐步旋转回 0 度（向左旋转）。delay(6) 用于控制舵机旋转的速度，让舵机有足够的时间转动到指定角度。
序列三：旋转波运动
for( int a=0; a<6; a++)
{for( int i=0; i<NUM_SERVOS; i++){for( int j=0; j<NUM_SERVOS; j++){int d = j - i;if( d < 0)d = -d;if( d > (NUM_SERVOS / 2))d = NUM_SERVOS - d;int angle = 90 - (10 * d);if( angle < 0)angle = 0;myServo[j].write( angle);}delay(40);}
}
  • 该序列会循环 6 次。对于每个舵机 i，会计算其他舵机 j 与它的距离 d，并根据距离计算出对应的角度 angle。距离越近，角度越接近 90 度；距离越远，角度越小。通过不断改变 i 的值，形成一个旋转的波状运动效果。delay(40) 用于控制波的传播速度。
序列四：“罗盘”运动
int pointer = NUM_SERVOS * 3 / 4;
showPointer( pointer);
delay( 1000);                       
for( int i=0; i<5; i++)
{showPointer( --pointer);delay( 150);
}
delay( 200);
// 后续还有多个类似的循环，省略部分代码
  • 首先，将指针 pointer 初始化为 NUM_SERVOS * 3 / 4，并调用 showPointer() 函数显示初始状态，延迟 1000 毫秒让观察者适应。
  • 然后，通过多次调用 showPointer() 函数，让指针按照一定的规律左右移动，模拟罗盘指针的转动效果。每次移动后延迟 150 毫秒，控制转动速度。
showPointer() 函数
void showPointer( int s)
{int pointerA = s % NUM_SERVOS;        int pointerB = (s + 1) % NUM_SERVOS;  int tailA = (s + 16) % NUM_SERVOS;int tailB = (s + 17) % NUM_SERVOS;myServo[pointerA].write(180-56);myServo[pointerB].write(56);myServo[tailA].write(95);myServo[tailB].write(85);int n = (NUM_SERVOS / 2) - 2;int start = pointerB + 1;for( int i=0; i<n; i++){int j = (start + i) % NUM_SERVOS;myServo[j].write( 2);}start = tailB + 1;for( int i=0; i<n; i++){int j = (start + i) % NUM_SERVOS;myServo[j].write( 178);}
}
  • 该函数用于创建“罗盘”效果。通过计算指针、尾部以及左右两侧舵机的索引，将它们设置为不同的角度，形成一个类似指针的形状。左右两侧的舵机分别设置为 2 度和 178 度，突出指针的效果。
GenerateDiagram() 函数
void GenerateDiagram()
{Serial.begin(115200);// 后续是生成 JSON 格式文本的代码，省略部分代码
}
  • 这个函数用于生成 Wokwi 模拟器所需的 diagram.json 文件。通过串口输出 JSON 格式的文本，包含了 Arduino Mega 和 32 个舵机的位置、连接等信息。

全部代码

// ServoOverdone.ino
//
// Example for multiple Servo objects in a array.
//
// Version 1, 28 July 2021, by Koepel.
// Version 2, 15 August 2021, by Koepel.
//   changed timing, a little slower
//   diagram.json has servos in reverse order (I think it is visually better)
//   Added fourth sequence: "compass"
//
// Public Domain
//#include <Servo.h>#define NUM_SERVOS 32
Servo myServo[NUM_SERVOS];void setup() 
{// Attach pins from the Arduino Mega board to the Servo objects.// Starting from pin 22, there happen to be exactly 32 pins on the double row pins.for( int i=0; i<NUM_SERVOS; i++){myServo[i].attach( i + 22);      // pin 22 up to 53 is 32 pins}
}void loop() 
{// Sequence one.// All servo motor are set to a random angle.for( int a=0; a<15; a++){for( int i=0; i<NUM_SERVOS; i++){myServo[i].write( random( 0, 181));delay( 2);}delay( 150);}// Sequence two.// All servo motors move with the same angle.for( int i=0; i<NUM_SERVOS; i++){myServo[i].write( 0);            // set to begin position (horn is rotated left)}delay( 1000);                      // wait to let the viewer get used to itfor( int a=0; a<3; a++){for( int r=0; r<=180; r++)       // move horns to the right{for( int i=0; i<NUM_SERVOS; i++){myServo[i].write( r);}delay( 6);}for( int r=180; r>=0; r--){for( int i=0; i<NUM_SERVOS; i++)  // move horns to the left{myServo[i].write( r);}delay( 6);}}// Sequence three.// A rotating wave.for( int a=0; a<6; a++){for( int i=0; i<NUM_SERVOS; i++){for( int j=0; j<NUM_SERVOS; j++){// Calculate distance to active servoint d = j - i;if( d < 0)d = -d;if( d > (NUM_SERVOS / 2))d = NUM_SERVOS - d;int angle = 90 - (10 * d);if( angle < 0)angle = 0;myServo[j].write( angle);}delay(40);}}// Sequence four.// A "compass"// Start by pointing upwardsint pointer = NUM_SERVOS * 3 / 4;showPointer( pointer);delay( 1000);                       // let the viewer get used to new patternfor( int i=0; i<5; i++){showPointer( --pointer);delay( 150);}delay( 200);for( int i=0; i<9; i++){showPointer( ++pointer);delay( 150);}delay( 200);for( int i=0; i<5; i++){showPointer( --pointer);delay( 150);}delay( 200);for( int i=0; i<4; i++){showPointer( ++pointer);delay( 150);}delay( 160);for( int i=0; i<2; i++){showPointer( --pointer);delay( 150);}delay( 80);for( int i=0; i<1; i++){showPointer( ++pointer);delay( 150);}delay( 2000);
}// This function makes a "pointer" with the servos.
// It is used to create the "compass".
// The parameter 's' is the servo motor that has the pointer.
// It is allowed that 's' is below zero or larger than the numbers of servo motors.
void showPointer( int s)
{int pointerA = s % NUM_SERVOS;        // Using the '%' (remainder) for valid numberint pointerB = (s + 1) % NUM_SERVOS;  // pointer is made with the next servo motorint tailA = (s + 16) % NUM_SERVOS;int tailB = (s + 17) % NUM_SERVOS;// make pointer with servo motor s and s+1.myServo[pointerA].write(180-56);myServo[pointerB].write(56);// make tail with servo motor s+16 and s+17.myServo[tailA].write(95);myServo[tailB].write(85);// Set servos right of pointerint n = (NUM_SERVOS / 2) - 2;int start = pointerB + 1;for( int i=0; i<n; i++){int j = (start + i) % NUM_SERVOS;myServo[j].write( 2);}// Set servos left of pointerstart = tailB + 1;for( int i=0; i<n; i++){int j = (start + i) % NUM_SERVOS;myServo[j].write( 178);}
}// The function GenerateDiagram() can be used to generate
// the diagram.json file for Wokwi.
// To use it, call it from the setup() function, and the
// serial output can be copied into the diagram.json file.
void GenerateDiagram()
{Serial.begin(115200);Serial.print( "{\n");Serial.print( "  \"version\": 1,\n");Serial.print( "  \"author\": \"Generated\",\n");Serial.print( "  \"editor\": \"wokwi\",\n");Serial.print( "  \"parts\": [\n");Serial.print( "    {\n");Serial.print( "      \"type\": \"wokwi-arduino-mega\",\n");Serial.print( "      \"id\": \"mega\",\n");Serial.print( "      \"top\": 270,\n");Serial.print( "      \"left\": 185,\n");Serial.print( "      \"attrs\": {}\n");Serial.print( "    },\n");// Put the servo motor in reverse order in the diagram.json// I think that is visually better.// The horn now overlaps the next servo when the horn moves to the right.for( int i=NUM_SERVOS-1; i>=0; i--){float rotate = float( i) * (360.0 / float( NUM_SERVOS));float rad = rotate / 360.0 * 2.0 * M_PI;float top = (300.0 * sin( rad)) + 300.0;float left = (300.0 * cos( rad)) + 300.0;Serial.print( "    {\n");Serial.print( "      \"type\": \"wokwi-servo\",\n");Serial.print( "      \"id\": \"servo");Serial.print( i);Serial.print( "\",\n");Serial.print( "      \"top\": ");Serial.print( top);Serial.print( ",\n");Serial.print( "      \"left\": ");Serial.print( left);Serial.print( ",\n");Serial.print( "      \"rotate\": ");Serial.print( rotate);Serial.print( ",\n");Serial.print( "      \"attrs\": { \"hornColor\": \"Red\" }\n");Serial.print( "    }");if( i != 0)Serial.print( ",");Serial.print( "\n");} Serial.print( "  ],\n");Serial.print( "  \"connections\": [\n");for( int i=0; i<NUM_SERVOS; i++){int j = i + 1;if( j == NUM_SERVOS)j = 0;Serial.print( "    [ \"servo");Serial.print( i);Serial.print( ":V+\", \"servo");Serial.print( j);Serial.print( ":V+\", \"Red\", [] ],\n");Serial.print( "    [ \"servo");Serial.print( i);Serial.print( ":GND\", \"servo");Serial.print( j);Serial.print( ":GND\", \"Black\", [] ],\n");Serial.print( "    [ \"mega:");Serial.print( i + 22);Serial.print( "\", \"servo");Serial.print( i);Serial.print( ":PWM\", \"Green\", [ ] ],\n");}Serial.print( "    [ \"mega:GND.2\", \"servo9:GND\", \"Black\", [ ] ],\n");Serial.print( "    [ \"mega:5V\", \"servo9:V+\", \"Red\", [ ] ]\n");Serial.print( "  ]\n");Serial.print( "}\n");
}

拓展与思考

功能拓展

  • 传感器结合：可以添加各类传感器，如超声波传感器、红外传感器等，根据传感器的数据动态调整舵机的运动。例如，当超声波传感器检测到前方有障碍物时，舵机可以控制机器人改变方向。
  • 远程控制：通过无线通信模块（如蓝牙、Wi-Fi）实现对舵机的远程控制。用户可以使用手机应用或电脑程序发送指令，让舵机执行特定的动作。
  • 增加舵机数量：虽然 Arduino Mega 有 54 个数字引脚，但受限于电源和处理能力，同时控制更多舵机可能会遇到挑战。可以考虑使用舵机驱动板（如 PCA9685）来扩展舵机控制数量。

代码优化

  • 减少延迟：代码中使用了大量的 delay() 函数，这会阻塞程序的执行，影响系统的实时性。可以使用定时器或状态机的方式来替代 delay() 函数，提高代码的效率。
  • 模块化设计：将不同的舵机运动序列封装成独立的函数，提高代码的可读性和可维护性。同时，方便添加新的运动序列。

总结

通过本文的介绍，我们详细了解了如何使用 Arduino Mega 控制 32 个舵机。从硬件连接的注意事项到代码实现的各个细节，都进行了深入分析。同时，对项目的拓展和代码优化也提出了一些思路。这个项目不仅展示了 Arduino Mega 的强大功能，也为我们在电子制作和自动化控制领域的进一步探索提供了基础。在实际应用中，我们可以根据具体需求对硬件和代码进行调整和扩展，创造出更加复杂和有趣的项目。

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