树莓派操控SG90舵机

Posted 2020-12-31 learn-program

这里使用树莓派来操作sg90的舵机。先看一下这个舵机的样子：

这就是传说中的SG90舵机啦，转角是0～180.

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 SG90舵机接线：

　　SG90舵机有三条线：黄线，红线和灰（还是黑？）线。

　　这三条线的作用是：红线VCC，灰线GND，黄线控制线。所以我们这里主要是操控黄线来控制舵机。

然后这里有个非常非常坑的地方，就是这个舵机是需要5V电压输入的。所以你在把VCC接到树莓派上时你得接5V的引脚而不是3.3V的。这个情况我当时在stm32也遇到过：明明程序写的是对的，但是舵机就是转不起来。。。因为stm32的GPIO一般都是3.3V的，我也就没能幸免??（谁让我是硬件白痴呢??）。所以一开始接线要接对了。

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PWM介绍

　　我们如何通过一根操作线来操作舵机呢？答案就是使用PWM脉冲宽度调制技术。那么啥叫PWM呢？这里我简单的说一下我的理解：

　　我们树莓派或者是其他单片机一个引脚只能输出两个特定的电平——高电平和低电平。在树莓派上大多的GPIO都是高电平3.3V，低电平0V。但是如果我想要输出3.3~0V之间的电压怎么办呢？比如输出一个2V？树莓派（以及stm32，C51之类的）是没有办法直接设置引脚的电平来达到输出2V的。因为通过树莓派来说，你的GPIO.setup(channel,state)里的state只能是GPIO.HIGH和GPIO.LOW，没有什么GPIO.twoV之类的东西。那么我们就要使用PWM来输出介于低电平和高电平之间的电压。

　　那么PWM是怎么做到的呢？很简单：我们不能直接输出2V，那我们换一种方式——通过给引脚一个周期脉冲，然后看这个脉冲的高电平部分占整个脉冲的比例，从而计算这个输出的电平。举个栗子??：比如我给出一个周期为20s的周期脉冲，然后让其中的高电平为12s，这样的话输出的电平就是(12/20)*3.3V≈2V，那么2V就输出了??。

　　也就是说，PWM是根据周期脉冲中高电平所占的比例来确定GPIO输出的电压的。这里，高电平所占周期电平周期的比例称为占空比。这是个很重要的概念，要记住了。

　　下面这个GIF就说明了PWM产生的结果。代码如下（待会会说这个代码）：

 

 1 import RPi.GPIO as GPIO
 2 import time
 3 
 4 if __name__==‘__main__‘:
 5     GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
 6     GPIO.setup(33,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)
 7     GPIO.setup(35,GPIO.OUT)
 8     GPIO.setup(37,GPIO.OUT,initial=GPIO.HIGH)
 9     p=GPIO.PWM(35,150)
10     p.start(0)
11     try:
12          while True:
13             for dc in range(0,101,1): 
14                 p.ChangeDutyCycle(dc)
15                 time.sleep(0.1)
16             for dc in range(100,-1,-1):    
17                 p.ChangeDutyCycle(dc)
18                 time.sleep(0.1)
19     except KeyboardInterrupt:
20         pass
21     p.stop()
22     GPIO.cleanup()

 这个本来是我做PWM呼吸灯的代码，是循环输出0~3.3V的程序，这里我用电表测量了35（PWM输出）脚。通过电表的示数可明显看到引脚输出的电压的确在变化。

 

接下来说说树莓派里面如何实现PWM。主要就是在第9，10，14，21行：

• 首先只要想使用GPIO，就一定要初始化GPIO，这里的第7行先初始化35脚的GPIO为输出
• 然后要说明哪个引脚使用PWM功能。第9行的GPIO.PWM(channel,frequency)指定channel脚使用PWM功能，这个PWM的频率为frequency。所谓频率就是周期的倒数嘛，也就是你的周期脉冲的周期的倒数啦。然后这个函数返回一个PWM对象，这里为p
• 然后开始PWM，第10行p.start(initdutycycle)说明现在开始PWM输出啦，这里的initdutycycle是在开始时指定的占空比。这里为0也就是说0/frequency*5V为0V，暂时不输出电平。由于是指定占空比，所以initdutycycle在[0,100]区间之内。超出这个区间Python会报错。
• 那么如何更改占空比呢？使用第14行的p.ChangeDutyCycle(dutycycle)来改变占空比。
• 最后你用完PWM了需要将PWM释放掉，也就是第21行的p.stop()

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 如何使用PWM操控舵机？

我们查看SG90的文档可以看见其占空比与转动角度的关系：

在周期20ms下：

  角度　　　　　　　　　　　　占空比

  0.5ms-------------0度；   2.5% 
  1.0ms------------45度；   5.0% 
  1.5ms------------90度；   7.5%
  2.0ms-----------135度；  10.0%
  2.5ms-----------180度；  12.5%

这里直接给出了占空比与角度的关系，我们就不用关系电压的大小了。

这里SG90舵机的参考周期是20ms，也就是50KHZ。那么按照这个方法我们可以写出如下代码：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

Vcc_Pin=37
In_Pin=35　　#操控线（黄线）

GPIO.setup(Vcc_Pin,GPIO.OUT,initial=GPIO.HIGH)
GPIO.setup(In_Pin,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)
p=GPIO.PWM(In_Pin,50)　　#设置频率为50KHz
p.start(0)
str1="please input the degree(0<=a<=120)
or press q to quit
"
r=input(str1)
try:
    while not r=="q":
        if r.isdigit():　　#判断输入的字符串是不是数字
            r=int(r)　　　　#是数字转换成数字
        else:
            print("please input a number(0<=num<=120)")
            continue
        if r<0 or r>180:　　#越界提示
            print("a must be [0,120]")
            continue
        p.ChangeDutyCycle(2.5+r/360*20)　　#通过用户输入的角度来改变舵机的角度
        time.sleep(0.02)
        r=str(input(str1))
except KeyboardInterrupt:
    pass
p.stop()
GPIO.cleanup()

 

这个程序让用户输入舵机转动的角度，从而转动舵机到相应的角度。

这里的p.ChangeDutyCycle(2.5+r/360*20)中的2.5+r/360*20是我推导的公式，用于转动舵机到指定的角度。这个公式使用比例来推导，很简单的。

最后的成果如下：