基于Arduino的智能泡茶机（1）——机械系机械创新比赛总结技术点与不足处

1、智能泡茶机项目需求

1.1、目标项目需求（总体：机械结构+电控）

机械为主、电控为辅。
突出机械部分创新点。
项目主要机械部分需要ANSYS有限元分析。
符合时代智能家居的理念。

1.2、作品完成后已有的功能

通过控制执行器，能够完整的泡茶出来。
语音控制、按钮输入功能。
设计出一套符合机型的APP。
语音提示。

2、泡茶机的元器件件选型

元器件名称	数量	作用
MG995舵机	19	控制泡茶机动作的主要执行器
HC-05号蓝牙模块	1	建立手机与单片机之间的桥梁
循迹避障模块	3	用于检测茶杯（人机交互）
水泵（接食用水）	1	抽水
继电器	1	用Arduino来控制水泵何时通电
手机	1	用于蓝牙连接、语音识别、触屏（按钮）
降压器（220V转5V）	1	给传感器和执行器供电
Arduino Uno板	2	用于控制控水机械手、茶壶机械手
Arduino Mega板	1	主要控制板用于通信两外两个Arduino Uno板
16路舵机驱动板	1	通过IIC通信驱动舵机，减少大量IO占用

注意：

Arduino的供电问题：Arduino的供电问题：因为在泡茶及运行的时候，我们不可能说是把Arduino板连接在电脑上面运行，所以我们这里的解决方案就是拿充电插头给Arduino板供电，或者使用稳压模块来给Arduino来供电。
Arduino通信问题：在上面的元器件选型中，我使用的是两个Uno板和一个Mega板，在通信上，我的思路是让Mega板作为一个上位机，其他的Uno板作为下位机，他们在通信上还是有一些问题，比如说通信上会有延时，这里的话，我们可以使用Arduino的软串口来解决通信延时问题，但是这个前提是你占用的IO口不多，不然一个软串口就要占用两个IO口的位置。由于我在设计的时候，IO的使用比较多了，所以我没有使用这个解决方法。或者你用两个Mega板来代替你的两个Uno板，因为Mega板有4个通信口。

3、项目中需要使用到的软件

软件名称	用途
Mixly（或者中文叫米思齐）	这是图形化编程，用于传感器检测会快很多(这软件给小朋友学编程用的，所以……很简单)
Arduino	主要的Arduino编译器，如果你VS编译器里有Arduino模块也行
App Inventor	基于Java的一个APP制作网页（也有软件版本的，可以在中国大学慕课里找到相关课程）
Fritzing	这是一个用于电路接线的一个软件
ANSYS 17.0	这是一个很强大的一个有限元分析软件，用于材料应力分析等（19版本以上有中文，如果没有学过专门的课程的话，很难使用）

注意：
        我们在控制方面的话主要还是要使用Arduino来编程。
        App Inventor是图形化编程，在使用上比较简单，在使用到百度语音的时候，记得要让手机联网，不然唤醒不了。
        蓝牙在每一次Arduino复位后可能要重新连接。

4、Arduino编程中主要使用到的函数

4.1、舵机控制函数

在泡茶机中，我们主要的执行器就是MG955舵机。舵机的驱动方式有两个：一是使用Arduino自带的Servo函数，二是使用第三方库Adafruit_PWMServoDriver.h。注意：不管你是你使用哪一种方式，delay函数只是给舵机足够的时间，并不是控制舵机转动时长。如果你要控制舵机请看4.2。

4.1.1、Servo库

Servo函数的主要成员（下面用Uno板为例）

函数名	用途
attach()	设定舵机的接口，注意在Arduino 0016之前只能接到9和10引脚
write()	让舵机旋转到到指定角度（这只能0-180度）
writeMicroseconds()	写个微秒让舵机转动，一般情况下，在标准舵机中，参数设置为1000为完全逆时针方向，2000完全顺时针方向，1500为在中间。但是不同的厂家可能会有些不同
read()	读取舵机的当前角度，返回的是0-180度
attached()	传入一个Servo变量，判断是否被附加到一个引脚上，有就返回true,否则返回false
detach()	将servo变量与引脚脱离，如果所有servo变量均被脱离，第9和第10教将可以用analogWrite()函数进行PWM输出

市面上的Arduino板的0-13引脚（一共14路）都是可以接舵机的，如果解不了的话可以参考4.1.2的16路du
注意：我们这里主要使用到的有attach()、write()这两个函数。其他函数在本项目中使用不到。
例子：

在全局定义中创建一个Servo 变量：Servo servo_9; //创建一个全局的Servo 变量
在Arduino的setup中初始化：servo_9.attach(9); //附加到Arduino的9号引脚
发送PWM数据给9号引脚：servo_9.write(60); //让舵机转到60度
给足够时间给舵机： delay(100); //延时100毫秒给舵机转动

4.1.2、Adafruit_PWMServoDriver.h库

注意：这个库是购买16路舵机驱动板时的芯片资料，我们拿到的一般是一个压缩包。这时需要先打开Arduino编译器的文件位置->libraries，然后再把压缩包放到libraries中。
左图为16路舵机驱动板。

在Adafruit_PWMServoDriver.h库中主要的函数如下

函数名	作用
Adafruit_PWMServoDriver(uint8_t addr = 0x40)	Adafruit_PWMServoDriver库的构造函数，默认地址为0X40
begin(void)	启动函数，无参数
reset(void)	复位函数，无参数
setPWMFreq(float freq)	设置刷新频率，我这里使用的是60Hz
setPWM(uint8_t num, uint16_t on, uint16_t off)	发送off（脉冲长度计数）给16路舵机的num接口

注意：如果使用舵机驱动板的话还需要用到#include <SPI.h>和#include <Wire.h>，这两个库是Arduino的自带库（不需要额外下载的），他们是用于IIC通信时使用的。
例子：

在全局变量中定义：Adafruit_PWMServoDriver pwm = Adafruit_PWMServoDriver(0X40); //创建一个16路舵机驱动板变量
在Arduino的setup函数中：pwm.begin(); //驱动板开启
在Arduino的setup函数中：pwm.setPWMFreq(60); //模拟伺服系统以60赫兹的频率更新
启动舵机：pwm.setPWM(0, 0, 600);
给一定的时间延时：delay(100);

4.2、解决舵机运行速度和加速度的方式

对于不同厂家生产出来的舵机转速是有一定差异的，下面是我在一个淘宝卖家上的截图。

我们可以看到在4.8V和6.V时的空载速度是不同的（单位是秒/60°)。随着舵机的规格不同，速度也是有些差异的。就拿上面的9KG铜齿舵机来说，4.8V时的空载速度为140ms转完一圈，那么大概就是2.4ms转一度。这也说明你给他140ms它能转一圈，但是你给它120ms的话它是不会转一圈的（即转速不会加快），除非是提高电压！同理，也不能说是给200ms它就会慢慢转，他只会用140ms，剩下的的60ms它只会在那边干等着。

此外，舵机也算是电机，只是他是一个特殊的电机（我们这里就把他看成是一个小型的电机），根据《执行元件及控制》中电机的特性曲线可以只知道电机在开始工作的时侯转速的偏慢的，那我们把电机映射成舵机的话，我们可以得出舵机小幅度转动的话旋转的速度是会更慢一些的。

所以，我们可以根据这两个特性来对将要旋转的度数进行划分。

下面我就用一个demo来描述一下舵机转速主要解决方式，这里我使用的是上文中第一种控制方式(使用Servo.h库函数)，舵机选用上面9KG扭矩的舵机，接上4.8V电压让其空转。

#include <Servo.h>
Servo servo_2;          //创建一个全局的Servo 变量
int Degree = 0;            //记录当前角度
int Target = 0;            //记录将要旋转的目标角度
int Velocity = 20;     //记录舵机每度的延时时间，可作为旋转速度
int Acceleration = 1;      //加速度
int readnum = 0;       //用于存储随机数
void setup(){servo_2.attach(2); //这里我是使用2号引脚
}void loop(){Target = random(1, 180);  //这里我随机产生一个随机数作为目标角度Degree = Run_Servo(Degree ,Target,Velocity ,Acceleration); //获取当前角度delay(1000);            //延时1秒后进行下一次转动
}
//舵机执行函数，输入当前度数、指定度数，速度级别，加速度
int Run_Servo(int Deg,int Tar,int v,int a){int flag = -1;          //记录是要顺时针转还是逆时针int Decode_Motor_Degree; //记录将要转动的度数int Variable = 0;       //两个度数差//做差值，求两角度的差值Variable = Deg - Tar;//判断角度差是正值还是负值，并且设立标志位if(Variable>=0){flag = 1;}else{flag = -1;}for(int i = 1; i <= Variable*flag; i++){Decode_Motor_Degree = Deg+i*flag;servo_2.write(Decode_Motor_Degree); //这里就是让舵机一度一度的往上加//下面为每度的延时时长if(Velocity>3){delay(Velocity-a*i);}else{delay(3);}}
}

注意：我们必须要给系统留一些裕度，所以在舵机每度延时方面不能小于2.4ms，为了保证系统稳定性，我们最少设置为3ms。上面对加速度的处理方面，我只是提供一个比较简陋的处理方式，没有考虑到过多的细节，大家可以对此进行优化。

5、三个Arduino之间的通信问题与解决方案

在项目初期，我原本打算使用单单一个Uno板来完成整个项目的控制，但是由于经验不足，对于16路舵机驱动板运用不够熟悉，还有在项目期间遇到很多无法解决的问题，所以就放弃了这个想法。相比之下，使用多块Arduino板来控制会相对简单很多。
到最后版本我选择使用一个Mege板外加两个Uno板，其中Mega板作为上位机，两个Uno板作为下位机。使用串口通信。

第一版解决方案：在一个Uno板在控制机械手的时候记录好自己所需要用的时间，Mega板作为上位机，给下位机发出信号后，自己进入延时来等待下位机完成动作。
遇到的问题：如果使用这一方案的话会需要花费大量的时间来记录Uno板每个动作的时间，且容错率低，这一方案会浪费大量时间。
第二版解决方案：给他们3个Arduino板一个共同的时间，来控制时间方面。
遇到的问题：对于这里方面没有花费过多的研究，但是让三个时间同步，可以使用Mega板IIC连接两个Uno下位机，但是对于Uno板的IIC地址和通信不是很懂，所以放弃了这一方案。
第二版解决方案：借用网络通信的三次握手理念，但是我这里有点改动，就是如果没有接收到下位机的回应就会一直阻塞等待。这样的一个好处就是防止上一个动作还没做完，其他机械手就开始工作了，这样很容易让机械手相撞。

6、注意事项和解决方法

有时候代码没错，但是舵机动不了
解决方法（5种情况）：
- 用一个简单的舵机驱动测试一下那个舵机，是不是单独的那个舵机损坏问题（舵机明显发热等现象）。
- 上面的如果没问题看看是不是舵机的输入电压不够（一般都是这个问题）。
- 检查是不是16路舵机驱动板的问题（检查不动的那个舵机在舵机驱动板上的接口），看看那个16路舵机驱动板的输出口电压是否足够（5V左右的电压）?
- 检查这个舵机所在的舵机驱动板，看看这个驱动板上有没有那种执行起来比较奇怪的舵机（这种舵机它旋转起来转起来感觉很丝滑，不会发出正常舵机的转动的声音），这种舵机会影响16路多级驱动板上其他舵机的信号！
- 接线问题，看看是不是舵机的信号线接触不良引起的。
舵机没有被卡住，但是抖动严重
解决方法（检验与排除）：
看看连接在同一16舵机驱动板（或者是面包板）上的其他舵机又没右哪个卡住了，某一个卡住的话也会影响其他舵机，这明显的现象就是有的舵机剧烈抖动，但是没有卡住现象。

最后，我在这里总结一下，毕竟有的同学是和我一样使用220V转5V的，一般这种加压器的接线旁边是可以调节输出电压的（一个可以用螺丝刀调节的三极管），所以在使用之前一定一定要先测一下输出电压再接上电路。舵机短时间正负极接错是没有多大问题的，但是接个30s多半就废了。