舵机——让 Arduino 动起来

前面我们学了光敏电阻，让 Arduino 能感知光线强弱。现在给它装上"肌肉"------舵机，让它能转动、摆动、做动作！

学完这篇，你会完成：

• 认识舵机：了解舵机的工作原理和类型
• 控制舵机角度 ：掌握 Servo 库的使用
• 综合项目：自动感应垃圾桶：手靠近自动开盖

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一、舵机是什么？

舵机（Servo Motor）是一种可以精确控制转动角度 的电机。普通舵机的转动范围是 0° ~ 180°，连续旋转舵机可以 360° 不停转。

核心原理

舵机内部有一个电位器 （可变电阻）和一个控制电路：

• 控制电路接收 PWM 信号
• 电位器反馈当前角度
• 控制电路比较目标角度和实际角度，驱动电机转动到目标位置

舵机有三根线：红（VCC） 、棕/黑（GND） 、橙/黄（信号）

常见类型

类型	特点	适用场景
SG90（9g 舵机）	小巧、便宜、扭矩小	小型机器人、云台
MG90S（金属齿轮）	扭矩大、耐用	机械臂、小车转向
MG996R（大扭矩）	扭矩 15kg·cm	大型机械臂、四足机器人
连续旋转舵机	可 360° 旋转	小车驱动、卷线器

SG90 参数

参数	数值
工作电压	4.8V ~ 6V
扭矩	1.8 kg·cm（4.8V）
转动范围	0° ~ 180°
响应速度	0.12 秒/60°
重量	9g

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二、PWM 信号

舵机通过 PWM（脉冲宽度调制） 信号控制角度。

PWM 原理

• 周期：20ms（50Hz）
• 高电平持续时间决定角度：

高电平时间	对应角度
0.5ms	0°
1.0ms	45°
1.5ms	90°
2.0ms	135°
2.5ms	180°

Arduino 的 Servo 库会自动处理 PWM 信号，你只需要调用 write(angle) 即可。

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三、接线方式

舵机线色	接法
红（VCC）	5V（大扭矩舵机建议外接电源）
棕/黑（GND）	GND（必须与 Arduino 共地）
橙/黄（信号）	任意数字引脚（推荐 D9）

️ 重要提示 ：SG90 可以直接用 Arduino 5V 供电，但 MG996R 等大扭矩舵机启动电流可达 1A 以上，Arduino 的 5V 引脚最大只能提供 500mA，必须外接电源，否则会导致 Arduino 重启或损坏。

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四、实验一：基础控制

让舵机从 0° 转到 180°，再转回来。

#include <Servo.h>

Servo myservo;  // 创建舵机对象
#define SERVO_PIN 9

void setup() {
  myservo.attach(SERVO_PIN);  // 绑定引脚
}

void loop() {
  // 从 0° 转到 180°
  for (int angle = 0; angle <= 180; angle++) {
    myservo.write(angle);
    delay(15);  // 等待舵机转动到位
  }
  
  // 从 180° 转回 0°
  for (int angle = 180; angle >= 0; angle--) {
    myservo.write(angle);
    delay(15);
  }
}

代码解读

• #include <Servo.h>：引入舵机库
• Servo myservo：创建舵机对象
• myservo.attach(pin)：绑定信号引脚
• myservo.write(angle)：设置目标角度（0~180）
• delay(15)：SG90 转 60° 需要 0.12 秒，转 1° 约 2ms，15ms 足够到位

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五、实验二：串口控制

通过串口输入角度，控制舵机转动到指定位置。

#include <Servo.h>

Servo myservo;
#define SERVO_PIN 9

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  myservo.attach(SERVO_PIN);
  Serial.println("Servo Ready! Enter angle (0-180):");
}

void loop() {
  if (Serial.available()) {
    int angle = Serial.parseInt();  // 读取串口输入的角度
    
    if (angle >= 0 && angle <= 180) {
      myservo.write(angle);
      Serial.print("Angle set to: ");
      Serial.println(angle);
    } else {
      Serial.println("Invalid angle! Enter 0-180.");
    }
  }
}

测试方法

1. 上传代码后打开串口监视器
2. 输入角度值（如 90），按回车
3. 舵机转动到指定角度

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六、实验三：电位器控制

用旋钮（电位器）控制舵机角度，实现"指哪打哪"。

所需元件

• Arduino Uno
• SG90 舵机
• 10kΩ 电位器
• 面包板 + 杜邦线

接线

元件	接法
舵机信号	D9
舵机 VCC	5V
舵机 GND	GND
电位器两端	5V + GND
电位器中间	A0

代码

#include <Servo.h>

Servo myservo;
#define SERVO_PIN 9
#define POT_PIN A0

void setup() {
  myservo.attach(SERVO_PIN);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // 读取电位器值（0~1023）
  int potValue = analogRead(POT_PIN);
  
  // 映射到舵机角度（0~180）
  int angle = map(potValue, 0, 1023, 0, 180);
  
  // 设置舵机角度
  myservo.write(angle);
  
  Serial.print("Pot: ");
  Serial.print(potValue);
  Serial.print(" -> Angle: ");
  Serial.println(angle);
  
  delay(15);
}

效果

旋转电位器，舵机跟随转动，角度完全同步。

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七、综合项目：自动感应垃圾桶

手靠近时自动开盖，离开后自动关盖。

所需元件

• Arduino Uno
• SG90 舵机
• HC-SR04 超声波传感器
• 面包板 + 杜邦线

接线

元件	接法
舵机信号	D9
舵机 VCC	5V
舵机 GND	GND
超声波 Trig	D2
超声波 Echo	D3
超声波 VCC	5V
超声波 GND	GND

代码

#include <Servo.h>

Servo myservo;
#define SERVO_PIN 9
#define TRIG_PIN 2
#define ECHO_PIN 3
#define OPEN_ANGLE 120    // 开盖角度
#define CLOSE_ANGLE 0     // 关盖角度
#define DISTANCE_THRESHOLD 10  // 触发距离（cm）

void setup() {
  myservo.attach(SERVO_PIN);
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
  Serial.begin(9600);
  myservo.write(CLOSE_ANGLE);  // 初始状态：关盖
  delay(500);
}

// 测量距离（cm）
float getDistance() {
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  
  long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH);
  return duration * 0.034 / 2;
}

void loop() {
  float distance = getDistance();
  Serial.print("Distance: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.println(" cm");
  
  if (distance < DISTANCE_THRESHOLD && distance > 0) {
    // 手靠近，开盖
    myservo.write(OPEN_ANGLE);
    Serial.println("Open!");
  } else {
    // 手离开，关盖
    myservo.write(CLOSE_ANGLE);
    Serial.println("Close!");
  }
  
  delay(100);
}

效果

• 手靠近超声波传感器（10cm 以内）→ 舵机转动到 120°，开盖
• 手离开 → 舵机转回 0°，关盖

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八、进阶：平滑转动

直接 write() 会让舵机"瞬间"转到目标角度，看起来比较生硬。可以用插值实现平滑转动。

#include <Servo.h>

Servo myservo;
#define SERVO_PIN 9

int currentAngle = 0;
int targetAngle = 0;

void setup() {
  myservo.attach(SERVO_PIN);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  if (Serial.available()) {
    targetAngle = Serial.parseInt();
    if (targetAngle < 0) targetAngle = 0;
    if (targetAngle > 180) targetAngle = 180;
  }
  
  // 平滑插值：每次向目标角度靠近 5°
  if (currentAngle != targetAngle) {
    if (currentAngle < targetAngle) {
      currentAngle += 5;
      if (currentAngle > targetAngle) currentAngle = targetAngle;
    } else {
      currentAngle -= 5;
      if (currentAngle < targetAngle) currentAngle = targetAngle;
    }
    myservo.write(currentAngle);
    delay(20);
  }
}

效果

舵机不再"瞬移"，而是匀速平滑地转动到目标角度，看起来更自然。

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九、常见问题

问题	解决方法
舵机抖动/不动	检查供电是否足够，大扭矩舵机必须外接电源
舵机转动时有异响	检查是否被机械结构卡住，或角度超出范围
Arduino 重启	舵机启动电流过大，Arduino 供电不足，必须外接电源
舵机角度不准	不同舵机的 PWM 脉宽有差异，可用 attach(pin, min, max) 校准
舵机一直转不停	可能是连续旋转舵机，或信号线接触不良

舵机角度校准

// 校准 PWM 脉宽范围（单位：微秒）
myservo.attach(SERVO_PIN, 500, 2500);
// 500 = 0° 对应的高电平时间
// 2500 = 180° 对应的高电平时间

不同品牌舵机的脉宽范围不同，SG90 通常是 500~2500μs，MG996R 可能是 500~2400μs。

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十、舵机供电方案

方案一：Arduino 5V 直接供电（仅 SG90）

• 适合 1~2 个 SG90 舵机
• 简单方便，但电流有限

方案二：外接 5V 电源（推荐）

• 适合多个舵机或大扭矩舵机

• 必须共地：外接电源的 GND 与 Arduino 的 GND 连接

  外接 5V 电源
  +5V ──→ 舵机 VCC
  GND ──→ 舵机 GND ──→ Arduino GND（共地！）

方案三：电池供电

• 4 节 AA 电池（6V）或锂电池（7.4V）+ 降压模块
• 适合移动机器人项目

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十一、本篇小结

回顾一下今天学到的核心知识：

• 舵机原理：通过 PWM 信号控制转动角度，内部电位器反馈位置
• PWM 信号：周期 20ms，高电平 0.5~2.5ms 对应 0°~180°
• Servo 库 ：attach() 绑定引脚，write() 设置角度
• 供电注意：SG90 可用 Arduino 供电，大扭矩舵机必须外接电源
• 共地原则：外接电源的 GND 必须与 Arduino 的 GND 连接
• 综合项目：串口控制 + 电位器控制 + 自动感应垃圾桶
• 平滑转动：用插值实现匀速转动，避免"瞬移"

舵机是机器人项目的核心执行元件，广泛应用于机械臂、云台、小车转向等场景。下一篇，我们学习直流电机 + L298N 驱动模块------让 Arduino 驱动小车跑起来！