物联网之ESP32控制舵机、通过网页设置舵机角度、Web服务、舵机原理、接线、Arduino、WiFi、Http

news2024/9/21 14:25:10

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    • LEDC输出PWM信号
    • 使用第三方库控制舵机
    • 网页控制舵机

前言

舵机在电子产品中非常常见，比如四足机器人、固定翼航模等都有应用，因此学习舵机对电子制作非常有意义。本文章使用Arguino的PWM对SG90舵机旋转角度控制。

原理

舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。舵机只是一种通俗的叫法，其本质是一个伺服电机。

舵机

舵机有很多规格，但所有的舵机都有外接三根线，分别用棕、红和橙三种颜色进行区分，由于舵机品牌不同，颜色也会有所差异，棕色为接地线，红色为电源正极线，橙色为信号线。只要通过信号线给予规定的控制信号即可实现舵机码盘的转动。

接线

SG90的主要电气参数
使用电压: 4.8V~6V
尺寸: 221.5mm x 11.8mm x 22.7mm
重量: 9g
角度范围: 0-180°

舵机的工作原理是由接收机或者单片机发出信号给舵机，其内部有一个基准电路，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回信号，判断是否已经到达定位。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。一般舵机旋转的角度范围是0度到180度，当然也有0度到360度。

没有必要了解舵机的内部结构，只需要知道如何通过PWM控制其转动即可。舵机的控制就是通过一个固定的频率，给其不同的占空比的，来控制舵机不同的转角。

舵机的转动的角度是通过调节PWM(脉冲宽度调制)信号的占空比来实现的，标准PWM(脉冲宽度调制)信号的周期固定为20ms(50Hz)，理论上脉宽分布应在1ms到2ms之间，但是，事实上脉宽可由0.5ms到2.5ms之间，脉宽和舵机的转角0°~180°相对应。有一点值得注意的地方，由于舵机牌子不同，对于同一信号，不同牌子的舵机旋转的角度也会有所不同。

角度与时间

0.5~2.5ms的PWM高电平部分对应控制180度舵机的0~180度，对应的控制关系。

对应关系

高电平占整个周期（20ms）的时间舵机旋转的角度对应的占空比
0.5ms0°0.5//20
1ms45°1//20
1.5ms90°1.5//20
2ms135°2//20
2.5ms180°2.5//20

硬件电路设计

材料名称数量
舵机1
杜邦线(跳线)3

线路图

注意接线顺序。

软件程序设计

LEDC输出PWM信号

首先，使用LEDC输出PWM信号，根据之前的实验原理，可以确定频率、最大脉宽与最小脉宽。

// 1/20秒，50Hz的频率，20ms的周期，这个变量用来存储时钟基准
#define FREQ 50
// 通道
// 高速通道(0~7)由80MHz时钟驱动
// 低速通道(8~15)由1MHz时钟驱动
#define CHANNEL 0
// 分辨率设置为8，就是2的8次方，用256的数值来映射角度
#define RESOLUTION 8
// 定义舵机PWM控制引脚
#define SERVO 13

// 定义函数用于输出PWM的占空比
int calculatePWM(int degree) {
  // 20ms周期内，高电平持续时长0.5-2.5ms，对应0-180度舵机角度
  // 对应0.5ms(0.5ms/(20ms/256))
  float min_width = 0.6 / 20 * pow(2, RESOLUTION);
  // 对应2.5ms(2.5ms/(20ms/256))
  float max_width = 2.5 / 20 * pow(2, RESOLUTION);
  if (degree < 0) degree = 0;
  if (degree > 180) degree = 180;
  // 返回度数对应的高电平的数值
  return (int)(((max_width - min_width) / 180) * degree + min_width);
}

void setup() {
  // 用于设置LEDC通道的频率和分辨率
  ledcSetup(CHANNEL, FREQ, RESOLUTION);
  // 将通道与对应的引脚连接
  ledcAttachPin(SERVO, CHANNEL);
}

void loop() {
  for (int i = 0; i <= 180; i += 10) {
    // 输出PWM，设置LEDC通道的占空比
    ledcWrite(CHANNEL, calculatePWM(i));
    delay(1000);
  }
}

使用第三方库控制舵机

如果想使用Arduino控制舵机就需要在ESP32Servo库，点击项目，选择加载库中的管理库。

管理库

然后输入ESP32Servo，点击安装即可。

安装

可以在VSCode的PlatformIO中，根据案例了解ESP32Servo库的使用方法。

VSCode

#include <ESP32Servo.h>

#define SERVO_PIN 13
#define MAX_WIDTH 2500
#define MIN_WIDTH 500

// 定义servo对象
Servo my_servo;

void setup() {
  // 分配硬件定时器
  ESP32PWM::allocateTimer(0);
  // 设置频率
  my_servo.setPeriodHertz(50);
  // 关联servo对象与GPIO引脚，设置脉宽范围
  my_servo.attach(SERVO_PIN, MIN_WIDTH, MAX_WIDTH);
}

void loop() {
  my_servo.write(180);
  delay(1000);

  my_servo.write(0);
  delay(1000);
}

网页控制舵机

代码

#include <WiFi.h>
#include <WebServer.h>
#include <math.h>

// Wi-Fi 网络名称和密码
const char* ssid = "ShiLai";
const char* password = "MJgn20240904$";

// Web服务器对象
WebServer server(80);

// 频率、通道、分辨率和舵机引脚定义
#define FREQ 50
#define CHANNEL 0
#define RESOLUTION 8
#define SERVO 13

// 定义函数用于输出PWM的占空比
int calculatePWM(int degree) {
  // 20ms周期内，高电平持续时长0.5-2.5ms，对应0-180度舵机角度。
  float min_width = 0.6 / 20 * pow(2, RESOLUTION);
  float max_width = 2.5 / 20 * pow(2, RESOLUTION);
  if (degree < 0) degree = 0;
  if (degree > 180) degree = 180;
  return (int)(((max_width - min_width) / 180) * degree + min_width);
}

void setup() {
  // 设置串口波特率
  Serial.begin(9600);
  // 连接到Wi-Fi
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print("加载中...");
  }
  Serial.print("\nIP地址：");
  Serial.println(WiFi.localIP());
  // 用于设置 LEDC 通道的频率和分辨率
  ledcSetup(CHANNEL, FREQ, RESOLUTION);
  // 将通道与对应的引脚连接
  ledcAttachPin(SERVO, CHANNEL);
  // 设置处理网页请求的函数
  server.on("/", handleRoot);
  server.on("/set", handleServo);

  // 启动Web服务器
  server.begin();
}

void loop() {
  // 处理网页请求
  server.handleClient();
}

// 处理根页面的请求
void handleRoot() {
  String html = "<!DOCTYPE html>";
  html += "<html lang='en'>";
  html += "<head>";
  html += "<meta charset='UTF-8'>";
  html += "<meta name='viewport' content='width=device-width, initial-scale=1.0'>";
  html += "<title>网页控制舵机</title>";
  html += "</head>";
  html += "<body>";
  html += "<h1>网页控制舵机</h1>";
  html += "<input id='idInpu' type='number' min='0' max='180' value='0' />";
  html += "<button style='margin-left: 8px;' οnclick='handleSetAngle()'>设置角度</button>";
  html += "<p id='idP'></p>";
  html += "<script>";
  html += "let idP = document.getElementById('idP');";
  html += "handleSetAngle();";
  html += "function handleSetAngle() {";
  html += "let idInpu = document.getElementById('idInpu').value;";
  html += "let xhttp = new XMLHttpRequest();";
  html += "idP.innerHTML = idInpu;";
  html += "xhttp.open('GET', '/set?angle=' + idInpu, true);";
  html += "xhttp.onreadystatechange = function() {";
  html += "let isCode = this.readyState === 4 && this.status === 200;";
  html += "if (isCode) idP.innerHTML = this.responseText;";
  html += "};";
  html += "xhttp.send();";
  html += "}";
  html += "</script>";
  html += "</body>";
  html += "</html>";
  server.send(200, "text/html", html);
}

// 处理舵机角度设置的请求
void handleServo() {
  String angleStr = server.arg("angle");
  int angle = angleStr.toInt();

  // 检查角度是否在0到180度之间
  if (angle >= 0 && angle <= 180) {
    ledcWrite(CHANNEL, calculatePWM(angle));
    server.send(200, "text/html", "Angle set to: " + angleStr);
  } else {
    server.send(200, "text/html", "Invalid angle. Please enter a value between 0 and 180.");
  }
}

解析
代码段使用ESP32通过Wi-Fi建立一个Web服务器，允许用户通过网页输入角度来控制舵机的旋转角度。

01、引入库和定义常量

#include <WiFi.h>
#include <WebServer.h>
#include <math.h>

WiFi.h用于连接Wi-Fi网络。
WebServer.h用于创建一个HTTP Web服务器。
math.h包含数学函数库，用于进行角度与PWM信号的计算。

02、Wi-Fi 网络名称和密码

const char* ssid = "ShiLai";
const char* password = "MJgn20240904$";

ssid和password定义需要连接的Wi-Fi网络的名称和密码。

03、Web服务器对象

WebServer server(80);

创建一个WebServer对象，端口号为80，表示HTTP服务器的默认端口。

04、舵机控制的定义

#define FREQ 50
#define CHANNEL 0
#define RESOLUTION 8
#define SERVO 13

FREQ: PWM信号的频率设置为50Hz(标准舵机的工作频率)。
CHANNEL: LEDC通道编号，ESP32上使用硬件PWM控制舵机。
RESOLUTION: PWM信号的分辨率设置为8位。
SERVO: 舵机信号线连接的引脚编号为13。

05、定义函数用于输出PWM的占空比

int calculatePWM(int degree) {
  float min_width = 0.6 / 20 * pow(2, RESOLUTION);
  float max_width = 2.5 / 20 * pow(2, RESOLUTION);
  if (degree < 0) degree = 0;
  if (degree > 180) degree = 180;
  return (int)(((max_width - min_width) / 180) * degree + min_width);
}

calculatePWM函数用于将舵机的角度(0~180度)转换为对应的PWM占空比。
min_width和max_width分别表示对应于0度和180度时的PWM占空比宽度。
通过线性插值计算出给定角度对应的PWM信号。

06、setup函数

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print("加载中...");
  }
  Serial.print("\nIP地址：");
  Serial.println(WiFi.localIP());
  ledcSetup(CHANNEL, FREQ, RESOLUTION);
  ledcAttachPin(SERVO, CHANNEL);
  server.on("/", handleRoot);
  server.on("/set", handleServo);
  server.begin();
}

Serial.begin(9600)初始化串口通信，波特率为9600，用于调试信息输出。
WiFi.begin(ssid, password)尝试连接Wi-Fi网络，等待连接成功。
ledcSetup(CHANNEL, FREQ, RESOLUTION)配置LEDC通道，设置PWM频率和分辨率。
ledcAttachPin(SERVO, CHANNEL)将LEDC通道与舵机信号引脚连接。
server.on("/", handleRoot)设置根路径的HTTP请求处理函数。
server.on("/set", handleServo)设置用于调整舵机角度的HTTP请求处理函数。
server.begin()启动Web服务器。

07、loop函数

void loop() {
  server.handleClient();
}

loop函数中调用server.handleClient()，用于不断处理来自客户端的HTTP请求。

08、处理根页面的请求

void handleRoot() {
  String html = "<!DOCTYPE html>...";
  server.send(200, "text/html", html);
}

handleRoot函数生成一个HTML页面，用户可以在该页面中输入舵机角度，并通过点击按钮发送请求以设置舵机角度。
server.send(200, “text/html”, html)向客户端发送HTML内容。

09、处理舵机角度设置的请求

void handleServo() {
  String angleStr = server.arg("angle");
  int angle = angleStr.toInt();

  if (angle >= 0 && angle <= 180) {
    ledcWrite(CHANNEL, calculatePWM(angle));
    server.send(200, "text/html", "Angle set to: " + angleStr);
  } else {
    server.send(200, "text/html", "Invalid angle. Please enter a value between 0 and 180.");
  }
}

handleServo函数接收HTTP请求中的angle参数，并将其转换为整数。
检查角度是否在0到180度之间，若在范围内则调用ledcWrite函数设置舵机的PWM信号，否则返回错误信息。

10、总结
代码段在ESP32上实现一个Web服务器，允许用户通过网页界面输入舵机的角度，服务器接收到请求后将角度转换为PWM信号以控制舵机旋转。

效果图

0度

0°

90度

90°

180度

180°

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