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分严
5 years ago
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1 推動 CDIO 創新教學計算機程式語言 / 電子電路學 MATLAB for Arduino Support Package

2 Motor Shield V2 馬達驅動擴展板 1

3 Motor Shield V2 使用 2 個 TB6612 MOSFET 馬達驅動 IC 與 1 個 16 頻道 PWM 驅動晶片 (PCA9685) 與 I2C 介面連接, 可有效地驅動步進馬達 (Stepper motor)/ 伺服馬達 (Servo motor)/ 直流馬達 (DC motor) TB6612 數位接腳 PCA9685 外接電源 5~12V 電源類比接腳 2

4 能連接 2 個伺服馬達 Tower Pro SG90 伺服馬達 : 三條線顏色分別是紅 ( 電源 ) 棕 ( 接地 ) 橘 ( 訊號 ) Servo 1 橘 ( 訊號 ) 接腳, 使用數位接腳 D10 Servo 2 橘 ( 訊號 ) 接腳, 使用數位接腳 D

5 能連接 4 個直流馬達 M1 M4 M2 M3 4

6 能連接 2 個步進馬達 28BYJ-48 四相五線 ( 藍粉黃橘紅 ) 步進馬達藍粉黃橘為 4 組線圈, 紅色為接地 28BYJ-48 Stepper Motor and ULN2003 Driver Intro 一圈 2048 步 1 2 5

7 Motor Shield V2 馬達驅動擴展板, 採用疊層設計, 可將 Arduino Uno 的全部數位與類比介面擴展出來 6

MATLAB for Arduino 提供 Adafruit Motor Shield V2 的函式庫 (library), 馬達驅動的程式語法相當容易使用以下程式碼建立馬達與驅動擴展板的連結 % 指派 Arduino 板代號為 a_board, 並使用 Adafruit/MotorshieldV2 library a_board

8 MATLAB for Arduino 提供 Adafruit Motor Shield V2 的函式庫 (library), 馬達驅動的程式語法相當容易使用以下程式碼建立馬達與驅動擴展板的連結 % 指派 Arduino 板代號為 a_board, 並使用 Adafruit/MotorshieldV2 library a_board = arduino('com3','uno','libraries','adafruit/motorshieldv2'); % 使用 addon 指令建立驅動擴展板的連結, 指派驅動擴展板代號為 motor_shield motor_shield = addon(a_board,'adafruit/motorshieldv2'); 7

9 MATLAB for Arduino 馬達控制範例影片 8

10 Tower Pro SG90 伺服馬達 9

11 Tower Pro SG90 伺服馬達三條線顏色分別是紅 ( 電源 ) 棕 ( 接地 ) 橘 ( 訊號 ) Arduino 練習 : 伺服馬達以 Tower Pro SG90 為例所需 PWM 脈衝訊號波範圍約為 0.5~2.4ms, 也就是 ~ s, 轉動角度範圍可設定 0 o ~180 o 伺服馬達簡介 10

Tower Pro SG90 伺服馬達 0 o ~180 o 轉動範例在這個範例中, 使用 Adafruit/MotorshieldV2 函式庫中 servo/readposition/writeposition 的指令來調控伺服馬達的輸出建立伺服馬達與驅動板的連結 s = servo(argument 引數 ): creates a

12 Tower Pro SG90 伺服馬達 0 o ~180 o 轉動範例在這個範例中, 使用 Adafruit/MotorshieldV2 函式庫中 servo/readposition/writeposition 的指令來調控伺服馬達的輸出建立伺服馬達與驅動板的連結 s = servo(argument 引數 ): creates a servo motor connection with the specified motor number on an Adafruit Motor Shield. s = servo(shield, motornum) shield : 馬達驅動擴展板代號 motornum : 連接至馬達驅動擴展板的伺服馬達位置 (1 或 2) 位置 1 位置 2 11

13 範例 : step_m = servo(mt_shield,1); 表示在名為 MT_shield 馬達驅動擴展板上的第 1 個伺服馬達接腳, 連接 1 個伺服馬達, 並將此伺服馬達指派名為 step_m 也可再依據各廠牌伺服馬達規格, 設定所需 PWM 脈衝訊號範圍 s = servo(shield, motornum, Name, Value) Name : 引數名稱 'MinPulseDuration' : 最小脈衝時間 ( 對應伺服馬達最小角度 ) 'MaxPulseDuration' : 最大脈衝時間 ( 對應伺服馬達最大角度 ) Value : 引數相對應的數值範例 : step_m = servo(mt_shield,1,... 'MinPulseDuration', 6.0*10^-4,... 'MaxPulseDuration', 2.1*10^-3); 表示 step_m 伺服馬達最小脈衝訊號時間 0.6ms/ 最大脈衝訊號時間 2.1ms, 分別對應其最小與最大角度 12

14 讀取伺服馬達的轉動位置 / 角度 position = readposition(argument 引數 ): reads the position of the motor shaft and returns the value of the position in ratio to the maximum angle of the specified servo motor. position = readposition(s) s : 馬達驅動擴展板上連接的伺服馬達代號 position 讀取值為 0~1 間的數值, 若馬達的轉動範圍為 0 o ~180 o, 則 0 代表 0 o / 1 代表 180 o, 假設 s 的讀取值為 0.5 則其對應角度為 o =36 o 範例 : current_pos = readposition(step_m); current_angle = current_pos*180; fprintf('current motor position is %6.2f degrees\n',current_angle) 讀取 step_m 伺服馬達介於 0~1 數值位置後, 再轉換為角度 13

15 設定伺服馬達轉動的角度 writeposition(argument 引數 ): sets servo position to the specified value. writeposition(s, position) s : 馬達驅動擴展板上連接的伺服馬達代號 position : 為 0~1 間的數值, 代表伺服馬達轉動軸到達的位置, 範例 : writeposition(step_m,0.5); 若馬達的轉動範圍為 0 o ~180 o,step_m 伺服馬達轉至 0.5, 相當於 o = 36 o 14

16 將 Tower Pro SG90 伺服馬達連接至 Motor Shield V2 馬達驅動擴展板 servo1 的腳位此範例設定伺服馬達 :( 可依馬達規格進行調整 ) 最小脈衝訊號時間 0.6ms(MinPulseDuration) 最大脈衝訊號時間 2.1ms(MaxPulseDuration) 分別對應其最小 (0 o ) 與最大角度 (180 o ) 1 開始來寫個簡單的程式吧! 15

17 Tower Pro SG90 伺服馬達 0 o ~180 o 轉動程式範例 clear;clc; % 指派 Arduino 板代號為 a_board, 並使用 Adafruit/MotorshieldV2 library a_board = arduino('com3','uno','libraries','adafruit/motorshieldv2'); % 使用 addon 指令建立驅動擴展板的連結, 指派驅動擴展板代號為 MT_shield MT_shield = addon(a_board,'adafruit/motorshieldv2'); % 表示伺服馬達連接於馬達驅動擴展板上的第 1 組接腳 step_m 伺服馬達最小脈衝訊號時間 0.6ms/ 最大脈衝訊號時間 2.1ms,% 此範例分別對應其最小 (0 度 ) 與最大角度 (180 度 ) step_m = servo(mt_shield,1,'minpulseduration', 0.6*10^-3,... 'MaxPulseDuration', 2.1*10^-3); no = 10;% 取點數目 m_position = linspace(0,1,no); %0~1 間取 no 點, 第 1 點 0, 最後一點 10 writeposition(step_m,0);pause(0.5)% 伺服馬達轉回至 0 點位置 % 使用 for 迴圈執行此 no 點的角度 for i = 1:length(m_position) % 使用 writeposition 執行馬達角度轉動 % 若馬達的轉動範圍為 0~180 度,step_m 伺服馬達轉至 m_position(i) % 相當於 m_position(i)x180 度 writeposition(step_m,m_position(i)); 16

18 % 使用 readposition 讀取 step_m 伺服馬達介於 0~1 數值位置後, % 再轉換為角度 current_pos = readposition(step_m); current_angle = current_pos*180; fprintf('current motor position is %6.2f degrees\n',current_angle) pause(0.5) end clear % 執行完後清除 17

19 執行結果 servo_motor_01.mp4 18

20 Light Meter Project Tower Pro SG90 伺服馬達 + 光敏电阻 (Photoresistor/ Light-Dependent Resistor, LDR) 19

Light Meter Project https://www.mathworks.

21 Light Meter Project develop-an-algorithm-in-matlab html 20

22 使用 Tower Pro SG90 伺服馬達 + 光敏电阻 (Photoresistor/Light-Dependent Resistor, LDR) 組成一個光照強度量測系統伺服馬達角度變化 0 o 光照強度最強 writeposition(s, 0) 180 o 光照強度最弱 writeposition(s, 1) 之前範例光敏電阻量測結果光照強時光照不足時全暗時壓降 0.02V 電阻值 40Ω 壓降 1.5V 電阻值 4.3kΩ 壓降 4.8V 電阻值 234kΩ 光照強度最強壓降值設定 = 0.01V 對應 0 o 光照強度最弱壓降值設定 = 4.99V 對應 180 o 21

23 可依據前述資訊設計一個光照強度量測系統, 量測光照強度這個範例使用 2 個迴路 : 光敏電阻迴路 : 感測外界環境光照強度, 由 Motor Shield V2 馬達驅動擴展板的類比接腳輸入, 並藉由此訊號決定光照強度量測系統的動作, 為光照強度量測系統的輸入 (input) 端, 馬達轉動角度可由以下關係求得 : position(0 ~ 1) 光敏電阻量測值 ( ) 0.01 伺服馬達迴路 : 接受 Motor Shield V2 馬達驅動擴展板的輸出訊號, 執行光照強度量測系統的動作, 為光照強度量測系統的輸出 (output) 端 writeposition(s, position) 22

24 光照強度量測系統輸入 / 輸出輸入輸出 10kΩ 1 23

25 將光敏電阻壓降輸出連接至類比 A0 腳位, 讀取光敏電阻兩端的壓降值, 以判定光照強度, 計算伺服馬達轉動角度 10kΩ 1 24

26 光照強度量測系統 Arduino 接線線路 1 25

27 光照強度量測系統程式範例 clear;clc; % 指派 Arduino 板代號為 a_board, 並使用 Adafruit/MotorshieldV2 library a_board = arduino('com3','uno','libraries','adafruit/motorshieldv2'); % 使用 addon 指令建立驅動擴展板的連結, 指派驅動擴展板代號為 MT_shield MT_shield = addon(a_board,'adafruit/motorshieldv2'); % 表示 step_m 伺服馬達最小脈衝訊號時間 0.6ms/ 最大脈衝訊號時間 2.1ms, % 此範例分別對應其最小 (0 度 ) 與最大角度 (180 度 ) step_m = servo(mt_shield,1,'minpulseduration', 0.6*10^-3,... 'MaxPulseDuration', 2.1*10^-3); no = 10;% 取點數目 m_position = linspace(0,1,no); %0~1 間取 no 點, 第 1 點 0, 最後一點 10 writeposition(step_m,0);pause(0.5)% 伺服馬達轉回至 0 點位置 % 使用 for 迴圈執行此 no 點的角度 for i = 1:length(m_position) % 使用 writeposition 執行馬達角度轉動 % 若馬達的轉動範圍為 0~180 度,step_m 伺服馬達轉至 m_position(i) % 相當於 m_position(i)x180 度 writeposition(step_m,m_position(i)); 26

28 % 使用 readposition 讀取 step_m 伺服馬達介於 0~1 數值位置後, % 再轉換為角度 current_pos = readposition(step_m); current_angle = current_pos*180; fprintf('current motor position is %6.2f degrees\n',current_angle) pause(0.5) end clear % 執行完後清除 27

29 執行結果 servo_photoresistor.mp4 28

30 可以試著在這系統再加上一個 LED 迴路, 隨著光照強度改變明暗度, 但因伺服馬達連接在馬達驅動擴展板上的第 1 個 servo 接腳, 數位接腳 D10 已被使用, 所以 LED 迴路的數位輸出接腳不可使用 D10 220Ω 10kΩ 1 29

31 DC 直流馬達 30

32 DC 直流馬達轉動範例在這個範例中, 使用 Adafruit/MotorshieldV2 函式庫中 dcmotor/start/stop 的指令來調控直流馬達的輸出建立直流馬達與驅動板的連結 dcm = dcmotor(argument 引數 ): creates a DC motor connection with the specified motor number on an Adafruit Motor Shield connected to an Arduino board. dcm = dcmotor(dev,motornum) dev : 馬達驅動擴展板代號 motornum : 連接至馬達驅動擴展板的直流馬達位置 (1/2/3/4) 31

33 直流馬達接腳位置 (1/2/3/4) 位置 1 位置 4 位置 2 位置 3 32

34 範例 : dc_m = dcmotor(mt_shield,4); 表示在名為 MT_shield 馬達驅動擴展板上的第 4 個直流馬達接腳, 連接 1 個直流馬達, 並將此直流馬達指派名為 dc_m 也可設定直流馬達轉動速度 dcm = dcmotor(dev,motornum, Name, Value) Name : 引數名稱 'Speed' : 直流馬達速度 Value : 引數對應數值, 直流馬達速度速度設定值介於 -1~1 之間範例 : dc_m = dcmotor(mt_shield,4,'speed',0.5); 表示 dc_m 直流馬達速度設定為 0.5 此外, 直流馬達速度設定亦可使用以下程式語法 : 範例 : dc_m = dcmotor(mt_shield,4); dc_m.speed = 0.5; 33

35 啟動直流馬達運轉 start(argument 引數 ): starts the DC motor. If the motor speed is set 0, the DC motor will not rotate. start(dcm) dcm : 馬達驅動擴展板上連接的直流馬達代號範例 : dc_m = dcmotor(mt_shield,4); dc_m.speed = 0.5; start(dc_m) 34

36 停止直流馬達運轉 stop(argument 引數 ): stops the DC motor. stop(dcm) dcm : 馬達驅動擴展板上連接的直流馬達代號範例 : dc_m = dcmotor(mt_shield,4); dc_m.speed = 0.5; start(dc_m); pause(5); stop(dc_m); 35

37 將直流馬達連接至 Motor Shield V2 馬達驅動擴展板 M4 的腳位 4 開始來寫個簡單的程式吧! 36

38 DC 直流馬達轉動程式範例 clear;clc; % 指派 Arduino 板代號為 a_board, 並使用 Adafruit/MotorshieldV2 library a_board = arduino('com3','uno','libraries','adafruit/motorshieldv2'); % 使用 addon 指令建立驅動擴展板的連結, 指派驅動擴展板代號為 MT_shield MT_shield = addon(a_board,'adafruit/motorshieldv2'); % 直流馬達連接於馬達驅動擴展板上的第 4 個位置, 並將此直流馬達指派名為 dc_m dc_m = dcmotor(mt_shield,4); dc_m.speed = 0.8; % 設定馬達速度為 0.8 start(dc_m); % 啟動馬達運轉 pause(5); dc_m.speed = -0.1; % 運轉 5 秒後馬達反轉速度為 0.1 pause(5); stop(dc_m); % 運轉 5 秒後, 停止馬達運轉 clear; % 執行完後清除 37

39 執行結果 dc_motor_01.mp4 38

40 可以試著在這系統再加上一個之前完成的感光燈系統迴路, 隨著光照強度改變明暗度, 並調控馬達速度, 範例中的光敏電阻亦可由其它元件諸如可變電阻 / 熱敏電阻取代, 不妨嘗試看看 39

41 28BYJ-48 四相五線步進馬達 40

能連接 2 個步進馬達 28BYJ-48 四相五線 ( 藍粉黃橘紅 ) 步進馬達藍粉黃橘為 4 組線圈, 紅色為接地 https://sites.google.

42 能連接 2 個步進馬達 28BYJ-48 四相五線 ( 藍粉黃橘紅 ) 步進馬達藍粉黃橘為 4 組線圈, 紅色為接地 28BYJ-48 Stepper Motor and ULN2003 Driver Intro 一圈 2048 步

28BYJ-48 四相五線步進馬達藍粉黃橘為 4 組線圈, 紅色為接地一圈 2048 步 https://sites.google.

43 28BYJ-48 四相五線步進馬達藍粉黃橘為 4 組線圈, 紅色為接地一圈 2048 步 28BYJ-48 Stepper Motor and ULN2003 Driver Intro 42

44 28BYJ-48 四相五線 ( 藍粉黃橘紅 ) 步進馬達轉動範例在這個範例中, 使用 Adafruit/MotorshieldV2 函式庫中 stepper/move/release 的指令來調控步進馬達的輸出建立步進馬達與驅動板的連結 sm = stepper(argument 引數 ): creates a stepper motor connection with the specified motor number and steps per revolution on an Adafruit Motor Shield. sm = stepper(shield,motornum,sprev) shield : 馬達驅動擴展板代號 motornum : 連接至馬達驅動擴展板的步進馬達位置 (1/2) sprev : 連接至馬達驅動擴展板的步進馬達每圈轉動步數 43

45 步進馬達接腳位置 (1/2) 位置 1 位置 2 44

46 範例 : stepper_m = stepper(mt_shield,2,2048); 表示在名為 MT_shield 馬達驅動擴展板上的第 2 個步進馬達接腳, 連接 1 個步進馬達, 並將此步進馬達指派名為 stepper_m 也可設定步進馬達每分鐘轉速 (RPM)/ 激磁形式 dcm = dcmotor(dev,motornum, Name, Value) Name : 引數名稱 'RPM' : 步進馬達每分鐘轉速 'StepType' : 步進馬達激磁形式 Value : 引數對應值 'RPM' 對應數值 'StepType' 對應 'Single', 'Double', 'Interleave', 'Microstep' 範例 : stepper_m = stepper(mt_shield,2,2048,'rpm',15, 'StepType', 'Single'); 表示 stepper_m 步進馬達轉速為 15RPM, 激磁形式為 Single 45

47 此外, 步進馬達轉速 (RPM) 設定亦可使用以下程式語法 : 範例 : stepper_m = stepper(mt_shield,2,2048,'steptype', 'Single'); stepper_m.rpm = 15; 啟動步進馬達運轉 move(argument 引數 ): rotates the stepper motor for the specified number of steps. The move command blocks MATLAB while the stepper motor is rotating. move(sm,steps) sm : 馬達驅動擴展板上連接的步進馬達代號 steps : 步進馬達轉動步數範例 : move(stepper_m,1024); 表示 stepper_m 步進馬達轉動 1024 步 46

48 停止步進馬達運轉 release(argument 引數 ): releases the stepper motor, allowing it to rotate freely. release(sm) sm : 馬達驅動擴展板上連接的步進馬達代號範例 : stepper_m = stepper(mt_shield,2,2048,'steptype', 'Single'); stepper_m.rpm = 15; move(stepper_m,1024); release(stepper_m) 47

49 將步進馬達連接至 Motor Shield V2 馬達驅動擴展板 M3M4 的腳位 2 開始來寫個簡單的程式吧! 48

50 DC 直流馬達轉動程式範例 clear;clc; % 指派 Arduino 板代號為 a_board, 並使用 Adafruit/MotorshieldV2 library a_board = arduino('com3','uno','libraries','adafruit/motorshieldv2'); % 使用 addon 指令建立驅動擴展板的連結, 指派驅動擴展板代號為 MT_shield MT_shield = addon(a_board,'adafruit/motorshieldv2'); % 步進馬達連接於馬達驅動擴展板上的第 2 個位置, 並將此直流馬達指派名為 dc_m stepper_m = stepper(mt_shield,2,2048,'steptype','single') stepper_m.rpm = 15; % 設定馬達轉速 15RPM move(stepper_m,1024); % 馬達轉動 1024 步 pause(0.1); stepper_m.rpm = 2; % 設定馬達轉速 2RPM move(stepper_m,-1024); % 馬達反向轉動 1024 步 pause(0.1); clear; % 執行完後清除 49

51 執行結果 stepper_motor_01.mp4 50

52 可以試著在這系統再加上一個之前完成的感光燈系統迴路, 隨著光照強度改變明暗度, 並調控馬達速度, 範例中的光敏電阻亦可由其它元件諸如可變電阻 / 熱敏電阻取代, 不妨嘗試看看 51

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PowerPoint 簡報推動 CDIO 創新教學計算機程式語言 / 電子電路學 MATLAB for Arduino Support Package 範例 Arduino/ 電阻 / 麵包板 /LED/ 電壓量測簡介範例 1 Arduino 簡介 LazyTomato Arduino #1 - Arduino 到底是什麼? 2 電路板 ( 麵包板 ) LazyTomato Arduino #5 - 麵包板是什麼? 好吃嗎?