Урок 22. Сервопривод: плата двигает предметы

До сих пор плата умела показывать: светить, мигать, пищать. Сегодня она научится двигать — по-настоящему, с усилием. Это тот самый момент, ради которого многие и берутся за Arduino: устройство перестаёт быть картинкой на столе и начинает что-то делать руками.

Деталь называется сервопривод. Она умеет то, чего не умеет обычный мотор: повернуться ровно на заданный угол и удерживать его.

Что такое сервопривод

Сервопривод — это маленькая коробочка, из которой торчит пластиковая качалка. Скажешь ему «30 градусов» — качалка повернётся на 30 градусов и останется там. Скажешь «120» — доедет до 120 и снова замрёт. Диапазон у нашего сервопривода — от 0 до 180 градусов, то есть полукруг.

В пакетике вместе с сервоприводом лежат несколько насадок разной формы — крестовина, одиночная качалка, диск — и мелкие винты. Насадка просто надевается на вал сверху.

Почему он держит угол

Обычный мотор умеет только крутиться: подал ток — вертится, снял — остановился где попало. Сервопривод устроен хитрее. Внутри у него всё тот же мотор, но к нему добавлены шестерёнки, датчик угла и маленькая плата.

Отсюда и главное ощущение от сервопривода: если попробовать провернуть качалку пальцем, она упирается и возвращается назад. Это не «заклинило» — это работает та самая проверка внутри.

Как плата передаёт угол

Тут есть небольшой сюрприз. Плата не отправляет сервоприводу число «сорок пять градусов». Она отправляет короткий импульс — и вся команда прячется в его длине.

Считать эти микросекунды самому не придётся: за нас всё сделает готовая библиотека Servo. Она уже встроена в программу — устанавливать ничего не нужно, достаточно одной строчки в начале скетча.

Собираем схему

Схема на этот раз совсем короткая: у сервопривода всего три провода, и все три идут прямо в плату.

Шаг 1. Проверка: встань посередине

Самая первая программа ничего не двигает — она просто задаёт угол один раз. Но именно она показывает, что всё собрано верно: при включении качалка дёрнется и встанет в среднее положение.

#include <Servo.h>  // библиотека сервоприводов, она уже есть в программе

Servo arm;  // так мы назвали свой сервопривод

void setup() {
  arm.attach(9);  // оранжевый провод сервопривода идёт в вывод 9
  arm.write(90);  // встань ровно посередине
}

void loop() {
  // Здесь пусто: сервопривод сам держит заданный угол.
}

Разберём три новые строки. #include <Servo.h> подключает библиотеку — это как сказать программе «мне понадобятся команды для сервоприводов». Servo arm; создаёт сервопривод и даёт ему имя arm (можно любое другое). А arm.attach(9) сообщает, к какому выводу он подключён.

Дальше всё просто: arm.write(90) — «повернись на 90 градусов». Обратите внимание, что loop пустой, и это не ошибка: сервопривод сам держит угол, ему не нужно напоминать об этом каждую секунду.

Шаг 2. Три положения

Теперь заставим качалку ходить по трём точкам: край, середина, другой край.

#include <Servo.h>

Servo arm;

void setup() {
  arm.attach(9);
}

void loop() {
  arm.write(0);     // до упора влево
  delay(1000);      // даём время доехать

  arm.write(90);    // середина
  delay(1000);

  arm.write(180);   // до упора вправо
  delay(1000);

  arm.write(90);    // и обратно в середину
  delay(1000);
}

delay(1000) здесь обязателен. Команда write выполняется мгновенно, а вот качалке нужно время, чтобы доехать: примерно 0,1–0,2 секунды на каждые 60 градусов. Если убрать паузы, программа будет отдавать команды быстрее, чем сервопривод успевает поворачиваться, и он просто задрожит на месте.

Шаг 3. Плавный ход

Резкие броски от края до края смотрятся некрасиво. Чтобы движение стало плавным, будем поворачивать качалку по одному градусу — знакомым циклом for из шестого урока.

#include <Servo.h>

Servo arm;

void setup() {
  arm.attach(9);
}

void loop() {
  // Едем вперёд: угол растёт от 0 до 180.
  for (int angle = 0; angle <= 180; angle++) {
    arm.write(angle);
    delay(15);  // пауза даёт качалке успеть за командой
  }

  // И назад: угол убывает от 180 до 0.
  for (int angle = 180; angle >= 0; angle--) {
    arm.write(angle);
    delay(15);
  }
}

Меняя delay(15), вы меняете скорость: 5 — быстро, 30 — медленно и торжественно. Это и есть весь секрет плавных движений у роботов из видео.

Шаг 4. Углом управляет крутилка

Соединим сервопривод с потенциометром из четырнадцатого урока — и получится ручка, за которой качалка следует, как привязанная. Сюда же сразу поставим кнопку, она понадобится на пятом шаге.

#include <Servo.h>

Servo arm;
const int POT = A0;  // средняя ножка крутилки

int lastAngle = -1;  // какой угол отправили в прошлый раз

void setup() {
  arm.attach(9);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int value = analogRead(POT);              // 0...1023
  int angle = map(value, 0, 1023, 0, 180);  // переводим в градусы

  // Отправляем команду, только если угол реально изменился:
  // иначе сервопривод будет мелко дрожать на месте.
  if (angle != lastAngle) {
    arm.write(angle);
    lastAngle = angle;

    Serial.print("угол: ");
    Serial.println(angle);
  }

  delay(20);
}

Знакомая связка: analogRead даёт число от 0 до 1023, map переводит его в градусы от 0 до 180.

Новое здесь — проверка if (angle != lastAngle). Без неё программа отправляла бы команду по пятьдесят раз в секунду, даже когда крутилку никто не трогает, и сервопривод мелко дрожал бы от каждого случайного колебания. Приём простой и полезный: не повторяй команду, если ничего не изменилось.

Шаг 5. Кнопка: открыть и закрыть

Чаще всего от сервопривода нужны не все 180 градусов, а всего два положения — «закрыто» и «открыто». Заслонка, дверца, шлагбаум, кормушка для кота.

#include <Servo.h>

Servo arm;
const int BUTTON = 2;

bool opened = false;      // сейчас открыто?
bool wasPressed = false;  // была ли кнопка нажата в прошлый раз

void setup() {
  arm.attach(9);
  pinMode(BUTTON, INPUT_PULLUP);
  arm.write(10);  // стартуем в положении «закрыто»
}

void loop() {
  bool pressed = digitalRead(BUTTON) == LOW;

  // Ловим МОМЕНТ нажатия: раньше кнопка была отпущена, а теперь нажата.
  if (pressed && !wasPressed) {
    opened = !opened;  // меняем состояние на противоположное

    if (opened) {
      arm.write(100);  // подняли
    } else {
      arm.write(10);   // опустили
    }

    delay(50);  // короткая пауза от дребезга контактов
  }

  wasPressed = pressed;
}

Ловля момента нажатия — тот же приём, что и в одиннадцатом уроке: сравниваем, что было раньше и что стало сейчас. Без него сервопривод метался бы туда-обратно всё время, пока палец лежит на кнопке.

Осторожно с питанием

Сервопривод — первая деталь в курсе, которой нужен заметный ток. Светодиод берёт 10–20 миллиампер, а сервопривод в момент поворота — сотни. Плата, запитанная от USB, такое выдерживает, но на пределе.

И ещё одно важное следствие: пока подключена библиотека Servo, на выводах 9 и 10 перестаёт работать плавная яркость (analogWrite). Библиотека забирает себе внутренний счётчик, который отвечал за эти два вывода. Светодиод, которому нужна плавность, вешайте на 3, 5, 6 или 11.

Не работает? Разбираемся

• Сервопривод молчит, качалка не шевелится. Проверьте оранжевый провод: он должен идти в вывод 9, тот же номер стоит в attach(9). Затем питание — красный в 5V, коричневый в GND.
• Дёргается и гудит, но не поворачивается. Это почти всегда питание: плате не хватает тока. Отключите остальные детали и попробуйте только сервопривод.
• Едет до упора и упирается с треском. Угол вышел за пределы. Убедитесь, что в write попадают только числа от 0 до 180, а насадка при повороте ни во что не упирается.
• Мелко дрожит на месте. На шаге 4 — нет проверки if (angle != lastAngle). На остальных шагах — слабое питание или плохой контакт в разъёме.
• Плата перезагружается при каждом повороте. Просадка питания. Уберите нагрузку с качалки, а лучше дайте сервоприводу отдельный источник.
• Ошибка «Servo does not name a type». Забыта первая строка #include <Servo.h> — без неё программа не знает, что такое Servo.

Задания для тренировки

• РазминкаСделайте «метроном»: качалка ходит между 60 и 120 градусами с постоянным ритмом, а зуммер щёлкает в каждой крайней точке.
• ПосложнееСоедините сервопривод с датчиком света из пятнадцатого урока: чем темнее в комнате, тем сильнее поворачивается качалка. Получится стрелка-указатель освещённости.
• Со звёздочкой ⭐Сделайте так, чтобы по нажатию кнопки качалка ехала в другое положение плавно — и при этом программа продолжала слушать кнопку во время движения. Разбор ниже.

#include <Servo.h>

Servo arm;
const int BUTTON = 2;

const int CLOSED = 10;   // угол «закрыто»
const int OPENED = 100;  // угол «открыто»
const int STEP_MS = 12;  // пауза между градусами: больше — медленнее

int angle = CLOSED;   // где качалка сейчас
int target = CLOSED;  // куда она едет
unsigned long lastStep = 0;
bool wasPressed = false;

void setup() {
  arm.attach(9);
  pinMode(BUTTON, INPUT_PULLUP);
  arm.write(angle);
}

void loop() {
  // 1. Кнопка задаёт цель — и не ждёт, пока качалка доедет.
  bool pressed = digitalRead(BUTTON) == LOW;
  if (pressed && !wasPressed) {
    if (target == CLOSED) {
      target = OPENED;
    } else {
      target = CLOSED;
    }
  }
  wasPressed = pressed;

  // 2. Раз в STEP_MS миллисекунд двигаемся на один градус к цели.
  if (angle != target && millis() - lastStep >= STEP_MS) {
    lastStep = millis();

    if (angle < target) {
      angle++;
    } else {
      angle--;
    }

    arm.write(angle);
  }
}

Что мы узнали

• Сервопривод поворачивается на заданный угол и удерживает его: внутри мотор, шестерёнки, датчик угла и плата, которая всё время сверяет одно с другим.
• Угол передаётся длиной импульса, но считать её самому не нужно — этим занимается библиотека Servo.
• Три команды покрывают почти всё: #include <Servo.h>, attach(вывод) и write(градусы) от 0 до 180.
• После команды нужна пауза: качалке требуется время, чтобы доехать. Ход по одному градусу с маленькой паузой даёт плавное движение.
• Не повторяйте команду, если значение не изменилось, — иначе сервопривод дрожит.
• Сервопривод потребляет много тока, а библиотека Servo отбирает плавную яркость у выводов 9 и 10.

В следующем уроке возьмёмся за обычный мотор. Он проще сервопривода, но подключить его напрямую к выводу платы нельзя — понадобится транзистор.

Частые вопросы

← Все уроки курса