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Controlando um Motor Servo de 32 usando um Módulo PCA9685 e um ESP32 V4

Neste tutorial, você aprenderá como controlar até 32 servomotores usando um microcontrolador ESP32 conectado a um módulo PCA9685. Isso é particularmente útil para projetos que exigem que vários servomotores operem simultaneamente sem o uso de Wi-Fi. O resultado será uma configuração totalmente funcional onde você poderá manipular a posição de cada servomotor individualmente.

Este tutorial o guiará pelos componentes de hardware necessários, instruções de fiação e uma visão geral do código necessário para alcançar este controle. Para uma demonstração detalhada, considere assistir ao vídeo associado (no vídeo às 00:00).

Hardware Explicado

Os componentes principais utilizados neste projeto são o microcontrolador ESP32 e o módulo driver PWM PCA9685. O ESP32 serve como o controlador principal que envia sinais para o módulo PCA9685, que por sua vez controla os motores servo. O PCA9685 pode controlar até 16 motores servo por módulo, permitindo a conexão de dois módulos para controlar um total de 32 servos.

O módulo PCA9685 opera utilizando comunicação I2C, o que significa que possui dois fios principais para transferência de dados: SDA (linha de dados) e SCL (linha de clock). Ele também requer uma fonte de alimentação para operar os servos, tipicamente a 5V. O ESP32 atua como o dispositivo mestre, fornecendo os sinais de controle necessários para os módulos escravos PCA9685.

Detalhes da Ficha Técnica

• Utilize fonte de alimentação externa para os servos (5V, 2A recomendado).
• Assegure um aterramento adequado entre o ESP32 e o PCA9685.
• Verifique as configurações de frequência PWM para um desempenho ideal do servo.
• Ajuste os limites da largura do pulso com base nas especificações do servo.
• Tenha cuidado com a corrente quando vários servos estão ativos.

Instruções de Fiação

Para conectar o PCA9685 ao ESP32, comece ligando a fonte de alimentação e o terra. Conecte o V_CCconecte o pino do PCA9685 a uma fonte de alimentação de 5V e conecte o pino GND a um dos pinos GND no ESP32. Isso garante que tanto o módulo quanto o ESP32 compartilhem um terra comum.

Em seguida, para a comunicação I2C, conecte o pino SDA no PCA9685 ao GPIO 21 no ESP32 e o pino SCL ao GPIO 22. Esta configuração permite que o ESP32 se comunique corretamente com o módulo PCA9685. Certifique-se de usar fios curtos para evitar ruídos nas linhas de comunicação, especialmente se você estiver trabalhando com vários servos.

Como mostrado na imagem acima, para a placa PCA9685 2 (à esquerda), certifique-se de soldar aquele caminho para definir o endereço I2C para que seja diferente da placa 1 (à direita).

Exemplos de Código e Passo a Passo

O código inicializa os módulos PCA9685 e define a frequência PWM. Os identificadores-chave no código incluemboard1eboard2, que representam os dois módulos PCA9685 conectados ao ESP32. Osetup()a função inicializa o monitor serial e define a frequência PWM para ambas as placas.

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("32 channel Servo test!");
  
  board1.begin();
  board2.begin();  
  board1.setPWMFreq(60);  // Analog servos run at ~60 Hz updates
  board2.setPWMFreq(60);
}

Este trecho mostra o processo de configuração, onde a comunicação serial é inicializada e a frequência PWM é definida para os drivers de servo. OsetPWMFreq(60)A função garante que os servos recebam a frequência correta para um funcionamento suave.

No loop, um loop for itera por ângulos de 0 a 180 graus, enviando comandos de largura de pulso para os servos conectados a ambas as placas PCA9685. A funçãoangleToPulseconverte o ângulo na largura de pulso correspondente.

void loop() {
    for(int angle = 0; angle < 181; angle += 10) {
        for(int i = 0; i < 16; i++) {      
            board2.setPWM(i, 0, angleToPulse(angle));
            board1.setPWM(i, 0, angleToPulse(angle));
        }
    }
    delay(100);
}

Este trecho de código demonstra como os servos são controlados em um loop. O ângulo do servo aumenta em 10 graus, e asetPWMa função é chamada para ambas as placas para mover os servos para o ângulo especificado. O atraso permite uma breve pausa entre os movimentos.

Demonstração / O que Esperar

Ao concluir a fiação e carregar o código, você deve ver os servos se movendo em incrementos de 0 a 180 graus. Isso acontecerá para os 32 servos conectados aos dois módulos PCA9685 simultaneamente. Se algum servo não responder, verifique a fonte de alimentação e certifique-se de que todas as conexões estão seguras (no vídeo às 12:30).

Carimbos de tempo do vídeo

• 00:00 Iniciar
• 00:36 Introdução
• 04:01 Fiação Explicada (somente ESP32)
• 06:26 Preparando o Arduino IDE para ESP32
• 08:34 Código Explicado
• 13:40 Demonstração de funcionamento de 32 Motores Servo

Imagens

PCA9685 module-0

PCA9685 module-2

PCA9685 module-3

PCA9685 module

Connecting two PCA9685 board

ESP32 wiring for PCA99685 for 32 sevo motors

PCA9685 module-0

PCA9685 module-2

PCA9685 module-3

PCA9685 module

Connecting two PCA9685 board

ESP32 wiring for PCA99685 for 32 sevo motors

/*
 * Fonte da biblioteca original: https://github.com/adafruit/Adafruit-PWM-Servo-Driver-Library
 * 
 * Este é o código Arduino do controlador de servo PCA6985 de 16 canais
 * para controlar 32 Motores Servo com a placa ESP32 sem WiFi
 * 
 * obtenha este código e a fiação deste vídeo: http://robojax.com/RJT268
 * 
 * Este é o vídeo V4 sobre o PCA9685: https://youtu.be/JFdXB8Za5Os
 * 
 * assista ao vídeo para detalhes (V1) e demonstração http://youtu.be/y8X9X10Tn1k
 * 
 * Escrito/atualizado por Ahmad Shamshiri para o canal de vídeos Robojax www.Robojax.com
 * Data: 15 de dezembro de 2019, em Ajax, Ontário, Canadá
 * 
 * Isenção de responsabilidade: este código é "COMO ESTÁ" e apenas para fins educacionais.
 * 
 * ou faça uma doação usando PayPal http://robojax.com/L/?id=64
 * 
 * Este código é "COMO ESTÁ" sem garantia ou responsabilidade. Livre para ser usado desde que você mantenha esta nota intacta.*
 * Este código foi baixado do Robojax.com
 * Este programa é software livre: você pode redistribuí-lo e/ou modificá-lo
 * sob os termos da GNU General Public License conforme publicado pela
 * Free Software Foundation, seja a versão 3 da Licença, ou
 * (a seu critério) qualquer versão posterior.
 * 
 * Este programa é distribuído na expectativa de que seja útil,
 * mas SEM QUALQUER GARANTIA; sem mesmo a garantia implícita de
 * COMERCIALIZAÇÃO ou ADEQUAÇÃO A UM PROPÓSITO ESPECÍFICO. Consulte a
 * GNU General Public License para mais detalhes.
 * 
 * Você deve ter recebido uma cópia da GNU General Public License
 * junto com este programa. Se não, veja <https://www.gnu.org/licenses/>.
 */
#include <Wire.h>

#include <Adafruit_PWMServoDriver.h>

 // chamada desta forma, usa o endereço padrão 0x40
Adafruit_PWMServoDriver board1 = Adafruit_PWMServoDriver(0x40);
Adafruit_PWMServoDriver board2 = Adafruit_PWMServoDriver(0x41);

 // Dependendo da marca do seu servo, a largura do pulso mínima e máxima pode variar, você
 // quero que sejam o menor/o maior possível sem atingir o limite máximo
 // para o alcance máximo. Você terá que ajustá-los conforme necessário para combinar com os servos que
 // tenha!
 // Assista ao vídeo V1 para entender as duas linhas abaixo: http://youtu.be/y8X9X10Tn1k
#define SERVOMIN  125 // este é o contador do comprimento mínimo de pulso (de 4096)
#define SERVOMAX  575 // este é o contador de comprimento de pulso 'máximo' (de 4096)


int servoNumber = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("32 channel Servo test!");

  board1.begin();
  board2.begin();
  board1.setPWMFreq(60); // Servos analógicos funcionam com atualizações de ~60 Hz.
  board2.setPWMFreq(60);
 // yield();
}

 // o código dentro da loop() foi atualizado por Robojax
void loop() {


    for( int angle =0; angle<181; angle +=10){
      for(int i=0; i<16; i++)
        {
            board2.setPWM(i, 0, angleToPulse(angle) );
            board1.setPWM(i, 0, angleToPulse(angle) );
        }
    }

 // robojax PCA9865 controle de Servo de 16 canais
  delay(100);

}

/*
 * angleToPulse(int ang)  
 * adquire o ângulo em graus e retorna a largura do pulso  
 * também imprime o valor no monitor serial  
 * escrito por Ahmad Shamshiri para Robojax, Robojax.com
 */
int angleToPulse(int ang){
   int pulse = map(ang,0, 180, SERVOMIN,SERVOMAX); // mapear o ângulo de 0 a 180 para Servo min e Servo max
   Serial.print("Angle: ");Serial.print(ang);
   Serial.print(" pulse: ");Serial.println(pulse);
   return pulse;
}