Arduino Projekt: Servomotor mit einem Potentiometer steuern

Abb. 1: Servomotor mit Potentiometer

Autor: Justin Frommberger

Ablaufplan

Um das Projekt "Servomotor mit einem Potentiometer steuern" durchzuführen, wird der folgende Ablauf empfohlen:

1. Betrachte das Video (siehe Abbildung 1) und lese die Aufgabenstellung sorgfältig durch.
2. Überprüfe, ob alle erforderlichen Materialien von der Materialliste vorhanden sind.
3. Ließ dir das "Vorab wichtig zu wissen" durch.
4. Fahre mit Abbildung 3 fort und baue die Schaltung des Projekts nach.
5. Vor der Programmierung ist es wichtig, das benötigte Programm gemäß den Angaben unter "Benötigtes Programm" herunterzuladen.
6. Abschließend wird eine Anleitung zur Programmierung präsentiert.
7. Um die Aufgaben zu vereinfachen, wird empfohlen, den Code in der gleichen Position wie in der Lösung zu platzieren!

Aufgabenstellung

Entwickel eine Arduino-Schaltung, um einen Servomotor mit einem Potentiometer zu steuern (siehe wichtig zu wissen).

• Der Servomotor soll sich entsprechend der Potentiometer-Position drehen.
• Implementiere eine Funktion, die den Potentiometerwert erhält und den Servomotor entsprechend positioniert.
• Teste die Schaltung, indem der Servomotor durch Drehen des Potentiometers in verschiedene Positionen gebracht wird.
  

⇒ Für den Fall, dass kein Arduino zur Verfügung steht oder Materialien nicht vorhanden sind. Kann dieser webbasierter Arduino Emulator verwendet werden. [klicken]

Benötigte Materialien

Tabelle 1: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung	Bild
①	1	Funduino Arduino UNO R3
②	1	Typ 2
②	10	Jumper Kabel, männlich/männlich
③	1	Steckbrett
④	1	Potentiometer 10k
⑤	1	TowerPro SG90 Servomotor

Vorab wichtig zu wissen

Arduino Uno R3

Der Arduino besitzt unterschiedliche Schnittstellen, weil der Arduino ein digitaler Mikrocontroller ist, kann er nur  5 Volt ausgeben oder annehmen.

• Deshalb wird für das Projekt 2 eine PWM Schnittstelle benötigt.
• Die PWM Schnittstellen sind an diesem Zeichen (~) zu erkennen.
• Das Zeichen ist auf dem Arduino bei den digitalen Zahlen zu finden (siehe Abbildung 3).

Servomotor

Abb. 2: Servo_Farben

• Ein Servomotor ist ein elektrischer Motor für präzise Steuerungsaufgaben.
• Er besteht aus einem Motor und einem integrierten Regelungssystem.
• Durch Rückmeldungen wie einen Encoder kann der Servomotor seine Position in Echtzeit überwachen und anpassen.
• Ein Encoder ist ein Gerät oder eine Software, die eine Eingabe in eine bestimmte Form oder ein bestimmtes Format umwandelt
• Dadurch kann er sehr präzise Bewegungen ausführen und an bestimmte Positionen gelangen.

Tabelle 2: Servomotorkabel Farberkennung:

Schwarz oder Braun	Masse (GND)
Rot	VCC/+ 5 V
Orange, Gelb oder Weiß	PWM-Signal

Potentiometer

• Potentiometer reguliert den elektrischen Strom
• Besteht aus Widerstand und Schleifer
• Schleifer bewegt sich auf dem Widerstand
• Stromfluss wird blockiert, je weiter der Schleifer bewegt wird
• Ähnlich wie eine Wasserleitung, bei der der Wasserfluss blockiert wird
• Einstellung von Lautstärke oder Helligkeit durch Bewegung des Schleifers

Steckbrett

Erklärung zum Arbeiten mit einem Steckbrett [klicken]

Aufbau Schaltung

Abb.3 Schaltung

In Abbildung 3 wird die Schaltung für das Projekt "Servomotor mit einem Potentiometer steuern" dargestellt.
Bevor mit der Programmierung begonnen werden kann, muss die Schaltung des Projekts aufgebaut werden.

• Beachte, dass die Kabel genau wie in Abbildung 3 verbunden werden müssen.
• Achte auf die Vertikalen und Horizontalen Reihen!
• Stecke das Potentiometer mit seinen 3 Beinchen in das Steckbrett.

Plus (+) und Minus (-) sind beim Anschließen des Potentiometers für das Projekt frei wählbar.

Programmierung

Benötigtes Programm!

Lade die aktuellste Version der Arduino IDE herunter. [klicken]
Beachte, die richtige Version für deinen PC auszuwählen (siehe Abbildung 4).

Abb. 4: ArduinoIDE

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Erstellen der Arduino Datei

Starte das Programm Arduino IDE.
Sobald das Programm gestartet ist, öffne ein neues Projekt und speichere es anschließend.
Stelle sicher, dass dein Arduino über ein Kabel mit dem Computer verbunden ist.

• Wichtig: Unter jeder Anleitung ist ein Beispiel vorhanden, das durch Klicken auf "Ausklappen" sichtbar wird.

Neues Projekt & Speichern  

⇒ Überprüfe, ob das richtige Board ausgewählt wurde.

Board check  

⇒ Überprüfe, ob der richtige Port ausgewählt wurde.

• Die Port Nummer ist für jede Schnittstelle anderes. Beachte den Namen, der in Klammern angegeben ist (Arduino Uno).

Port check  

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Aktionsfelder in der Arduino IDE

Abb. 5: Arduino IDE Erklärung

Tabelle 2: Aktionsfelder

Gelb	Programmcode auf Fehler überprüfen
Rot	Starten/Hochladen vom Programmcode
Blau	Neues Fenster öffnen
Grün	Öffnen von Beispielen oder eigenem Programmcode
Lila	Speichern vom Programmcode

⇒ Um das Programm zu beenden, muss der Arduino ausgeschaltet werden.

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Wichtig für die Programmierung

Es ist wichtig, die Programmierrichtlinien beim Verfassen des Programmcodes zu beachten und einzuhalten.
[Programmierrichtlinien]

Die Grundkenntnisse dienen als Nachschlagewerk, um während der Programmierung einen Code zu überprüfen.
[Grundkenntnisse pulsierende LED] und [Grundkenntnisse Servomotor].

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Start der Programmierung

Wichtig vorab:

• Überprüfe die Lösungen sorgfältig und stelle sicher, dass dein Code genau wie im Beispiel angeordnet ist.
• Beachte die Klammer vor, hinter oder nach jedem Wort. Diese sind sehr wichtig in der Programmierung.
• Dein Code muss wie im Beispiel: Quelltext 1: Start.ino aussehen.

[Quelltext 1: Start.ino]

void setup()         
{  
                  
}
void loop() 
{ 

}

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Bibliothek hinzufügen

Für das Projekt wird ein Servomotor verwendet, hierfür wird eine Bibliothek benötigt.

• Diese wird über den Befehl #include <Servo.h> hinzugefügt.
• Dieser Code wird immer nach ganz oben in dem Programm geschrieben.

[Quelltext 1: Servo.ino]

Lösung  

#include <Servo.h>  // ⇐ Bibliothek einbinden
void setup()         
{                    

}
void loop() 
{ 

}

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Initialisierung (Zuweisung)

Im nächsten Schritt werden alle erforderlichen Variablen in der Arduino IDE mit ihrem entsprechenden Namen und Datentyp versehen.
Um das Verständnis zu wiederholen, wird empfohlen, sich erneut mit den Grundkenntnissen der Initialisierung und Datentypen vertraut zu machen.

Es müssen 3 Variablen angelegt werden:

• Für den verwendeten Motor: Servo servoMotor;
• Speichern des Wertes vom Drehpotentiometers: unsigned int reglerWert;
• Speichern der Position des Motors: unsigned int position;
• Schreibe den Code zwischen #include <Servo.h> und dem void setup(). Beachte, dass jedes Zeichen übernommen werden muss.

[Quelltext 2: Servo.ino]

Lösung  

# include <Servo.h>  // Bibliothek einbinden

Servo servoMotor;                // ⇐ Bezeichnung des Motors
unsigned int reglerWert;  // ⇐ Speichert den analogen Wert des Drehpotentiometers          
unsigned int position;    // ⇐ Position des Motors

void setup()         
{                    

}
void loop() 
{ 

}

Motor Pin zuweisen

In diesem Schritt wird dem Arduino mitgeteilt, über welche PWM Schnittstelle der Motor verbunden ist.

• Dies kann mithilfe der Funktion servoMotor.atach(9); zugewiesen werden.
  
• Bei Fragen zum Motor, siehe Grundkenntnisse Servo.h
  
• Der Befehl wird ins void setup() geschrieben.

[Quelltext 3: Servo.ino]

Lösung  

# include <Servo.h>  // Bibliothek einbinden

Servo servoMotor;                // Bezeichnung des Motors
unsigned int reglerWert;  // Speichert den analogen Wert des Drehpotentiometers          
unsigned int position;    // Position des Motors

void setup()         
{                    
servoMotor.attach(9);  // ⇐ Motor an Pin 9 angeschlossen (attach)
}
void loop() 
{ 

}

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Potentiometer Wert auslesen

Um den Motor mit dem Potentiometer steuern zu können, müssen seine Werte ausgelesen und in einer Variable gespeichert werden
(siehe Grundkenntnisse analogRead();).

• Hierfür muss diese Funktion reglerWert = analogRead(A0); verwendet werden.
• Auf diese Weise kann später mithilfe der Variable überprüft werden, ob das Potentiometer gedreht wurde.
• Dieser Code wird in die Klammern vom void loop() geschrieben.

[Quelltext 4: Servo.ino]

Lösung  

# include <Servo.h>  // Bibliothek einbinden

Servo servoMotor;                // Bezeichnung des Motors
unsigned int reglerWert;  // Speichert den analogen Wert des Drehpotentiometers          
unsigned int position;    // Potentiometer des Motors

void setup()         
{                    
// Motor an Pin 9 angeschlossen (attach)
servoMotor.attach(9);                         // Motor Schnittstelle
}
void loop() 
{ 
reglerWert = analogRead(A0);     //  ⇐ A0 Potentiometer Schnittstelle
}

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Motor und Potentiometer verbinden

Um mit dem Potentiometer den Motor drehen zu können, müssen ihre Werte sich aneinander anpassen.

• Dies lässt sich mit der Funktion position = map(reglerWert, 0, 1023, 0, 180); lösen.
• Wenn der reglerWert kleiner oder größer wird, passt sich die Position an.
• Dieser Code wird unter dem Code reglerWert = analogRead(A0); geschrieben.

Zur genauen Erklärung der Funktion, siehe Grundkenntnisse map();

[Quelltext 5: Servo.ino]

Lösung  

# include <Servo.h>  // Bibliothek einbinden

Servo servoMotor;                // Bezeichnung des Motors
unsigned int reglerWert;  // Speichert den analogen Wert des Drehpotentiometers          
unsigned int position;    // Position des Motors

void setup()         
{                    
void setup()
{
servoMotor.attach(9);  // Motor an Pin 9 angeschlossen (attach)
}
void loop()
{
reglerWert = analogRead(A0);          //A0 Potentiometer Schnittstelle
/*
map -> Umwandlung des gelesenen Wertes
von 0 bis 1023 (analoger Sensorwert)
auf 0 bis 180 (Drehung des Motors)
*/
position = map(reglerWert, 0, 1023, 0, 180);   // ⇐ Werte abgleichen
}

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Motor positionieren

Im letzten Schritt wird dem Motor seine gewünschte Position übermittelt.

• Hierfür benötigt man den Code servoMotor.write(position);
• Der Code write(); übergibt die in der Klammer festgelegten Werte zum Motor.
• Schreibe den Code unter die Funktion position = map(reglerWert, 0, 1023, 0, 180);.

Zur genauen Erklärung der Funktion, siehe Grundkenntnisse write();

[Quelltext 6: Servo.ino]

Lösung  

# include <Servo.h>  // Bibliothek einbinden

Servo servoMotor;                // Bezeichnung des Motors
unsigned int reglerWert;  // Speichert den analogen Wert des Drehpotentiometers          
unsigned int position;    // Position des Motors

void setup()
{
servoMotor.attach(9);   // Motor an Pin 9 angeschlossen (attach)
}
void loop()
{
reglerWert = analogRead(A0);          //A0 Potentiometer Schnittstelle
/*
map -> Umwandlung des gelesenen Wertes
von 0 bis 1023 (analoger Sensorwert)
auf 0 bis 180 (Drehung des Motors)
*/
position = map(reglerWert, 0, 1023, 0, 180);    // Werte abgleichen

servoMotor.write(Position);  // ⇐ Motor zur Position bewegen
}

Musterlösung

Sollte der Code nicht ordnungsgemäß funktionieren, überprüfe ihn anhand der Musterlösung.

Musterlösung  

# include <Servo.h>  // Bibliothek einbinden

/* Variablen deklarieren */
Servo servoMotor;                  // Bezeichnung des Motors
unsigned int reglerWert;    // Speichert den analogen Wert des Drehpotentiometers          
unsigned int position;      // Position des Motors

void setup()
{
 servoMotor.attach(9);  // Motor an Pin 9 angeschlossen (attach)
}
void loop()
{
 reglerWert = analogRead(A0);       // A0 Potentiometer Schnittstelle
 /*
 map -> Umwandlung des gelesenen Wertes
 von 0 bis 1023 (analoger Sensorwert)
 auf 0 bis 180 (Drehung des Motors)
 */
 position = map(reglerWert, 0, 1023, 0, 180);     // Werte abgleichen

 servoMotor.write(position);  // Motor zur Position bewegen
}

Quelle

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