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

• 可以通过控制执行器完全泡茶。
• 语音控制，按钮输入功能。
• 设计一套符合型号的设计APP。
• 语音提示。

注意：

1. Arduino供电问题：Arduino供电问题：因为在泡茶及运行的时候，我们不可能说是把Arduino板连接在电脑上运行，所以我们这里的解决方案是用充电插头给它Arduino板供电，或使用稳压模块Arduino来供电。
2. Arduino通信问题：在上述组件选择中，我使用了两个Uno板和一个Mega板，在通信上，我的思路是让Mega板作为上位机，其他板Uno板作为下位机，在通信上还是有一些问题的，比如通信上会有延迟，我们可以在这里使用它Arduino软串口可以解决通信延迟问题，但这个前提是你占用的IO不然一个软串口会占两个IO口的位置。因为我在设计的时候，IO它被广泛使用，所以我没有使用这个解决方案。或者你用两个Mega板替换你的两个Uno板，因为Mega板有四个通信口。

注意： 在控制方面，我们主要使用它Arduino来编程。 App Inventor是图形编程，使用起来比较简单。使用百度语音时，记得让手机联网，否则无法唤醒。 每次都有蓝牙Arduino复位后可能需要重新连接。

在泡茶机中，我们主要的执行器就是MG955舵机。舵机有两种驱动方式：一种是使用Arduino自带的Servo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。

Servo函数的主要成员(以下是Uno板为例）

市面上的Arduino板的0-13引脚(共14路)可以接舵机。如果解决不了，可以参考4.1.2的16路du 注意：我们在这里主要使用的一些attach()、write()这两个函数。本项目不能使用其他函数。 例子：

• 在全球定义中创造Servo 变量：Servo servo_9; //创造全局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60度
• 给舵机足够的时间： delay(100); ///向舵机延迟100毫秒

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。

        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。

1. 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。
2. 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。
3. 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。

• 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。