樹莓派操控SG90舵機

目錄

1. 舵機接線
2. PWM介紹
3. 使用PWM控制舵機

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這里使用樹莓派來操作sg90的舵機。先看一下這個舵機的樣子：

這就是傳說中的SG90舵機啦，轉角是0～180.

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SG90舵機接線：

SG90舵機有三條線：黃線，紅線和灰（還是黑？）線。

　　這三條線的作用是：紅線VCC，灰線GND，黃線控制線。所以我們這里主要是操控黃線來控制舵機。

然后這里有個非常非常坑的地方，就是這個舵機是需要5V電壓輸入的。所以你在把VCC接到樹莓派上時你得接5V的引腳而不是3.3V的。這個情況我當時在stm32也遇到過：明明程序寫的是對的，但是舵機就是轉不起來。。。因為stm32的GPIO一般都是3.3V的，我也就沒能幸免🙃（誰讓我是硬件白痴呢😢）。所以一開始接線要接對了（或者買個繼電器轉成5V也行）。

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PWM介紹

　　我們如何通過一根操作線來操作舵機呢？答案就是使用PWM脈沖寬度調制技術。那么啥叫PWM呢？這里我簡單的說一下我的理解：

　　我們樹莓派或者是其他單片機一個引腳只能輸出兩個特定的電平——高電平和低電平。在樹莓派上大多的GPIO都是高電平3.3V，低電平0V。但是如果我想要輸出3.3~0V之間的電壓怎么辦呢？比如輸出一個2V？樹莓派（以及stm32，C51之類的）是沒有辦法直接設置引腳的電平來達到輸出2V的。因為通過樹莓派來說，你的GPIO.setup(channel,state)里的state只能是GPIO.HIGH和GPIO.LOW，沒有什么GPIO.twoV之類的東西。那么我們就要使用PWM來輸出介於低電平和高電平之間的電壓。

　　那么PWM是怎么做到的呢？很簡單：我們不能直接輸出2V，那我們換一種方式——通過給引腳一個周期脈沖，然后看這個脈沖的高電平部分占整個脈沖的比例，從而計算這個輸出的電平。舉個栗子🌰：比如我給出一個周期為20s的周期脈沖，然后讓其中的高電平為12s，這樣的話輸出的電平就是(12/20)*3.3V≈2V，那么2V就輸出了😀。

　　也就是說，PWM是根據周期脈沖中高電平所占的比例來確定GPIO輸出的電壓的。這里，高電平所占周期脈沖的周期的比例稱為占空比。這是個很重要的概念，要記住了。

　　下面這個GIF就說明了PWM產生的結果。代碼如下：

 

 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()

 這個本來是我做PWM呼吸燈的代碼，是循環輸出0~3.3V的程序，這里我用電表測量了35（PWM輸出）腳。通過電表的示數可明顯看到引腳輸出的電壓的確在變化。

接下來說說樹莓派里面如何實現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，這里的第7行先初始化35腳的GPIO為輸出
• 然后要說明哪個引腳使用PWM功能。第9行的GPIO.PWM(channel,frequency)指定channel腳使用PWM功能，這個PWM的頻率為frequency。所謂頻率就是周期的倒數嘛，也就是你的周期脈沖的周期的倒數啦。然后這個函數返回一個PWM對象，這里為p
• 然后開始PWM，第10行p.start(initdutycycle)說明現在開始PWM輸出啦，這里的initdutycycle是在開始時指定的占空比。這里為0也就是說0/frequency*5V為0V，暫時不輸出電平。由於是指定占空比，所以initdutycycle在[0,100]區間之內。超出這個區間Python會報錯。
• 那么如何更改占空比呢？使用第14行的p.ChangeDutyCycle(dutycycle)來改變占空比。
• 最后你用完PWM了需要將PWM停掉，也就是第21行的p.stop()

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如何使用PWM操控舵機？

我們查看SG90的文檔可以看見其占空比與轉動角度的關系：

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%

這里直接給出了占空比與角度的關系，我們就不用關系電壓的大小了。

這里SG90舵機的參考周期是20ms，也就是50KHZ。那么按照這個方法我們可以寫出如下代碼：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

In_Pin=35　　#操控線（黃線）
　　　　　　　　#VCC接在5V腳上，GND接在GND腳上


GPIO.setup(Vcc_Pin,GPIO.OUT,initial=GPIO.HIGH)
GPIO.setup(In_Pin,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)
p=GPIO.PWM(In_Pin,50)　　#設置頻率為50KHz
p.start(0)
str1="please input the degree(0<=a<=120)\nor press q to quit\n"
r=input(str1)
try:
    while not r=="q":
        if r.isdigit():　　#判斷輸入的字符串是不是數字
            r=int(r)　　　　#是數字轉換成數字
        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)　　#通過用戶輸入的角度來改變舵機的角度
        time.sleep(0.02)
        r=str(input(str1))
except KeyboardInterrupt:
    pass
p.stop()
GPIO.cleanup()

 

這個程序讓用戶輸入舵機轉動的角度，從而轉動舵機到相應的角度。

這里的p.ChangeDutyCycle(2.5+r/360*20)中的2.5+r/360*20是我推導的公式，用於轉動舵機到指定的角度。這個公式使用比例來推導，很簡單的。

最后的成果如下：