从零造风：Arduino全向调速风扇实战

舵机是一种位置（角度）控制的直流电机驱动器，用于位置、角度等定位与变化的控制系统（即对风扇的方向能进行调控）。其主要由外壳、电路板、马达、齿轮与位置检测器组成。G-90伺服电机（如下图所示）是一款低成本、高输出功率的伺服电机。它足够小，可以轻松融入机器人或单片机项目。最重要的是，它只需要一个输出脉冲信号来控制其运动。

2.舵机模块引脚及接法

普通舵机有3根线：GND（棕）、VCC（红）、Signal（橘）。红色线：接5V；棕色线：接GND；橘色线：接3号引脚（当然接数字引脚5、6、9、10、11也可以，这些引脚口的旁边均会标有“~”的标识，代表PWM信号输出口），实际连接图如下：

3.舵机的摆动

（1）参考程序

若使用模块化编程（Mind+），则需首先在左下角“扩展”中，找到“执行器”中的“舵机模块”并添加。

示例如下：

Arduino IDE代码如下：

#include <Servo.h>  // 引入舵机库
Servo myservo;       // 实例化舵机对象
int angle = 0;       // 定义角度变量

void setup() {
  myservo.attach(3); // 绑定舵机到3号引脚
}

void loop() {
  // 0°→180°循环旋转
  for(angle=0; angle<=180; angle++) {
    myservo.write(angle);  // 写入角度值
    delay(10);             // 延时10ms保证转动到位
  }
  // 180°→0°反向旋转
  for(angle=180; angle>=0; angle--) {
    myservo.write(angle);
    delay(10);
  }
}

实验效果如下：

（2）风扇的初级摆动

如若能够顺利完成上一步，则只需要将风扇固定到舵机上方即可（这里选用皮筋，没完全固定）。

最终效果如下：

三、操纵杆模块

1.Joystick操纵杆的介绍

通常用于游戏控制器（游戏厅的街霸游戏玩儿过没有？）、模拟杆或需要模拟输入的DIY项目中，实物图如下所示。

该操纵杆模块通常包含以下部分： ‌

1.操纵杆‌：用于接收用户的输入，拨动即可传递不同信号。 ‌

2.电位计‌：内部有一个或多个电位计，用于将操纵杆的物理位置转换为模拟电压信号。

3.按键感应：可在竖直方向上直接下压，感应并产生按键信号。

2.Joystick操纵杆模块引脚及接法

VCC‌：电源正极，通常接5V。 ‌

GND‌：电源负极，接地。 ‌

X, Y‌：这两个引脚通常连接电位计的X和Y轴，提供模拟信号（A0-A5），表示操纵杆在平面直角坐标系中的位置。 ‌

SW‌：按键引脚，用于连接操纵杆按键，提供数字信号（2-13）。

3.初步实验

实验1：测试Joystick操纵杆X轴的输出范围

硬件连接图如下（这里画出了Joystick操纵杆的操控方向，水平方向向右为X轴正方向，在水平面上且垂直于水平方向的为Y轴，以下不做重复说明）：

模块化程序（Mind+）如下：

Arduino IDE代码如下：

void setup() {
	Serial.begin(9600);
    pinMode(A0, INPUT);
}
void loop() {
	Serial.print("X轴");
	Serial.println(analogRead(A0));
}

实验效果如下（Mind+中）：

（当然，通过Arduino IDE也可以实现这样的效果，但需要在“工具”菜单栏中打开“串口监视器”）

可以看出，在X方向上推动摇杆，不同位置产生的数值不一样，且向X轴正方向数值逐渐增大，范围是0-1023。为避免操作重复性，“测试Joystick操纵杆Y轴的输出范围”这一实验就不做了，得到的结论是：在Y方向上推动摇杆，不同位置产生的数值不一样，且向Y轴正方向数值逐渐增大，范围是0-1023。

实验2：Joystick操纵杆控制风扇的转速

接下来考虑如何调控风扇的转速。

由实验1得到：操作杆所处不同位置，在X/Y方向上产生的数值也不同。如若可以利用这个数值，对其加以处理后再作为直流电机的输入信号，则可对风扇进行调速。硬件连接图如下：

从joystickPin引脚读入的信号（0-1023），不能直接写入到motorPin引脚，原因是PWM信号适用范围是0-255，所以需要通过map()函数进行范围转换。Arduino IDE代码如下：

const int motorPin = 6;  // 使用数字引脚6来控制风扇马达
const int joystickPin = A0;// 定义摇杆模块的模拟输入引脚

void setup() {
  pinMode(motorPin, OUTPUT); 
  }

void loop() {
  int joystickValue = analogRead(joystickPin);
  int motorSpeed = map(joystickValue, 0, 1023, 0, 255);
// 将摇杆模块的模拟值映射到0到255的范围
  analogWrite(motorPin, motorSpeed);
 // 使用PWM信号控制马达的转速
  
  delay(10);// 稍作延迟，防止CPU过载
  }

实验效果如下：

说明：硬件连接正常，程序已下载至开发板，但拨动操纵杆，小风扇就是不转。其原因是：初始输入值太低，不能完全带动小风扇。当操纵杆位于初始位置，返回值应是0-1023的中间值（512），若将512映射到0-255范围后，返回值应是0-255的中间值（128）。所以，对于小风扇来说，不能满足其正常工作，需要用手稍微拨动一下叶片，给小风扇一个力，其才会持续旋转，接着就可以使用操纵杆控制小风扇的转速了（还有一个明显标志：当左手手持小风扇时，能明显感受到直流电机的震动，证明其确实在工作，只不过并未处于正常工作）。

实验3：Joystick操纵杆控制风扇的转向

对于舵机的使用，在上文中已经实现了的简单的自动转动（正向接反向循环旋转180度），接下来考虑能否使用Joystick操纵杆实现手动控制方向。实验2证明“利用Joystick操纵杆的X轴信号控制风扇的转速”是可行的，同理也可利用操纵杆Y轴信号控制风扇的转向。

硬件连接图如下：

注意：控制风扇的转向和转速，这两者本质上是一样的，唯一区别在于map()函数的映射范围，不是0-255了，而是0-180。原因是：G-90伺服电机最大旋转角度是180。

Arduino IDE程序如下：

#include <Servo.h>  // 引入舵机库
Servo myservo;       // 实例化舵机对象
const int joystickPin = A1 ;// 定义摇杆模块的模拟输入引脚

void setup() {
  myservo.attach(9); // 绑定舵机到9号引脚
}

void loop() {
  int joystickValue = analogRead(joystickPin);
  int angle = map(joystickValue, 0, 1023, 0, 180);
// 将摇杆模块的模拟值映射到0到180的范围
  myservo.write(angle);  // 写入角度值
  delay(10);             // 延时10ms保证转动到位

}

实验效果如下：

四、最终效果

实验4：Joystick操纵杆同时控制风扇的转速和转向

结合实验2和实验3，考虑能否将两者进行结合，做一个“使用Joystick操纵杆同时控制风扇的转速和转向”的综合性实验。

硬件连接如下：

参考Arduino IDE程序：

#include <Servo.h>  // 引入舵机库
Servo myservo;       // 实例化舵机对象
const int motorPin = 6;  // 使用数字引脚6来控制风扇马达
const int joystickPinx = A0;// 定义摇杆模块的模拟输入引脚（控制风扇转速）
const int joystickPiny = A1 ;// 定义摇杆模块的模拟输入引脚（控制舵机转向）
int joystickValuex,joystickValuey;

void setup() {
  pinMode(motorPin, OUTPUT); 
  myservo.attach(9); // 绑定舵机到9号引脚
  }

void loop() {
  joystickValuex = analogRead(joystickPinx);
  int motorSpeed = map(joystickValuex, 0, 1023, 0, 255);
  analogWrite(motorPin, motorSpeed);

  joystickValuey = analogRead(joystickPiny);
  int angle = map(joystickValuey, 0, 1023, 0, 180);
  myservo.write(angle);  // 写入角度值

  delay(5);
  }

最终实验效果如下：

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