LECTURE 11 ボリュームでサーボモータを操作する

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○ はじめに

前回 と 前々回 で、サーボモータを動かすことが出来ました。ところで、本文書で使っている基板にはボリュームという入力デバイスが付いています。せっかくですからこれを使ってサーボモータを手動で動かしてみたいと思います。ボリュームからの入力については、LECTURE 4 A/D 変換でボリューム（可変抵抗）値を読む で説明しています。

○ コンセプト

以下の様なコンセプトで、処理を行います。

ところで、本文書で筆者が使ったボリュームの回転角度と A/D 入力値の対応は、下図の様になりました。横軸が回転角度で、縦軸が A/D 入力値です。

筆者が使ったボリュームの回転角度と A/D 入力値の対応

図を見ると、開き始めの A/D 入力値の変化が大きく最後の方は変化が小さくなっています。このためサーボモータの動きも、ボリュームの開き始めの変化が大きく最後の方は変化が小さくなりました。上図の特性は、使用するボリュームに応じて異なりますので、気になる方は調べてみて下さい。

○ 回路図

LECTURE 1 ATmega8535 および使用環境について に掲載してある全体回路図に対して、ATMega8535 のボリューム（可変抵抗）部分と OC1A ピンおよびサーボモータと接続する信号線＋コネクタ部分を赤枠で囲んだ図を こちら に置いておきます。

○ サンプルプログラムと説明

ボリュームを使ってサーボモータを操作するサンプルプログラムを 11steering.tar.gz からダウンロードできます。はじめに のページから、全てのサンプルプログラムを 固めた tar ファイルをダウンロードすることもできます。

中には

  • Makefile
  • adc.h
  • adc.c
  • util.h
  • util.c
  • timer1.h
  • timer1.c
  • main.c

が格納されています。adc.h/adc.c/util.h/util.c については LECTURE 4 A/D 変換でボリューム（可変抵抗）値を読む の内容と同じ、timer1.h/timer1.c については LECTURE 8 タイマ/カウンタ1を使う の内容と同じで Makefile もほとんど変わらないので、main.c について以下に載せます。なお、以下に掲載しているソースコードには修正 BSD ライセンス条項を含めていませんが、ソースコード配布は修正 BSD ライセンスに従います（はじめに のページの免責事項を参照してください）。

これまでにヒューズビットの設定を行ったことが一度も無い場合は、まず最初に make fuse を実行してください。fuse ターゲットについては、LECTURE 2 LED を点滅させる のサンプルプログラムの項を参照してください。

make 実行後、プログラムをアップロードする場合は make uisp を実行してください。

ボリュームでサーボモータを操作中の動画です（10秒。YouTube に接続します）。

  • main.c 
        1    #include <avr/interrupt.h>
    2    #include <avr/io.h>
    3    #include <avr/sleep.h>
    4    
    5    #include "adc.h"
    6    #include "timer1.h"
    7    #include "util.h"
    8    
    9    
   10    #define ICR1_AS_TOP     19999
   11    #define OCR1A_LIMIT_CCW 2100
   12    #define OCR1A_CENTER    1500
   13    #define OCR1A_LIMIT_CW  900
   14    
   15    static void timer1_ic_interrupt(void);
   16    
   17    
   18    int
   19    main(void)
   20    {
   21            DDRD |= _BV(DDD5);  /* PD5 ピンを出力に設定 */
   22            pullup();
   23            PORTA &= ~_BV(PINA0); /* PINA0 プルアップ無効 */
   24    
   25            /* (8MHz/64) = 125KHz */
   26            adc_init(ADC_CK_64, ADC_NO_INT);
   27            adc_set_ch(PINA0);
   28    
   29            timer1_ic_enable();
   30            timer1_ic_set_interrupt(timer1_ic_interrupt);
   31            timer1_set_wave_mode(WGM1_FAST_PWM_ICR1);
   32            timer1_set_coma_mode(COM_A_HIGH_FIRST);
   33            timer1_set_count(0);
   34            timer1_set_icr1(ICR1_AS_TOP);
   35            timer1_set_ocr1a(OCR1A_LIMIT_CW);
   36    
   37            sei();
   38    
   39            /* (8MHz/8)/20000 = 50Hz */
   40            timer1_start(TIMER1_CK_8);
   41        
   42            while (1){
   43                    sleep_mode();
   44            }
   45    
   46            return 0; /* 警告を避けるため */
   47    }
   48    
   49    
   50    /*
   51     * タイマ/カウンタ1 捕獲割込ハンドラ（TOP値到達）
   52     *
   53     * ボリューム開度に応じて OCR1A 値を計算しデューティ比を変更する。
   54     * ボリューム開度に対応する OCR1A 値は以下で計算する
   55     *（R2 はボリューム抵抗最大値、R1 はプルアップ抵抗値）
   56     *
   57     *   OCR1A = OCR1A_LIMIT_CW + (OCR1A_LIMIT_CCW - OCR1A_LIMIT_CW) * 
   58     *               data / (ADC_MAX * (R2 / (R1 + R2)))
   59     *
   60     * ライブラリに頼って浮動小数点計算を行うと、プログラムサイズ
   61     * が 8KB で納まらないため、実値を使って以下の様に計算しておく。
   62     *
   63     *   R2 = 50K
   64     *   R1 = 10K
   65     *   (OCR1A_LIMIT_CCW - OCR1A_LIMIT_CW) / (ADC_MAX * (R2 / (R1 + R2))) = 1.4076
   66     *
   67     * 上記を 10 倍して計算し、最後に 10 で割って正しい値を得る。
   68     *
   69     *   OCR1A = OCR1A_LIMIT_CW + (14 * data) / 10;
   70     */
   71    static void 
   72    timer1_ic_interrupt(void)
   73    {
   74            uint16_t ocr1a;
   75    
   76            adc_start();
   77            adc_wait();
   78    
   79            ocr1a = OCR1A_LIMIT_CW + (14 * adc_get()) / 10;
   80            timer1_set_ocr1a(ocr1a);
   81    }
   82    
   83    /* End of main.c */
    • 18 〜 47 行目 (main())

      • pullup() の前に PORTD5 のみ出力方向に設定
      • pullup() (pullup.h、PORTD5 以外の全入力ポートの内部プルアップを有効化)
      • PINA0 ピンは入力として使用するので、プルアップを無効化
      • adc_init() (adc.h、A/D 変換器初期化)
      • adc_set_ch() (adc.h、PINA0 をアナログ入力として設定)
      • timer1_ic_enable() (timer1.h、カウンタ最大値 ICR1 到達時の捕獲割り込み有効化)
      • timer1_ic_set_interrupt() (timer1.h、捕獲割り込み時に実行するユーザ関数の登録)
      • timer1_set_wave_mode() (timer1.h、波形生成種別を設定)
      • timer1_set_coma_mode() (timer1.h、比較A出力モードを設定)
      • timer1_set_count() (timer1.h、TCNT1 の初期値を設定)
      • timer1_set_icr1() (timer1.h、ICR1 の値を設定)
      • timer1_set_ocr1a() (timer1.h、OCR1A の値を設定)

      を行った後、sei() (avr/interrupt.h) を実行してシステムの割り込みを有効化しています。

      A/D 変換器の処理については、LECTURE 4 A/D 変換でボリューム（可変抵抗）値を読む の main-noint.c を、タイマ/カウンタ1 の処理については LECTURE9 サーボモータを動かす（高速PWM機能使用） の main.c を参照してください。

      以後 sleep_mode() にてアイドル動作に移行し、サーボモータの角度制御は捕獲割り込みハンドラに任せます。

    • 50 〜 81 行目 (timer1_ic_interrupt())

      捕獲割り込み時に実行されるユーザ関数です。

      本関数は TCNT1 がカウンタ最大値（ICR1）に到達する度（50Hz = 20ms 毎）に実行され、 その時点でのボリューム値を A/D 変換によって読み込み、ボリューム値に応じた OCR1A の値を計算して再設定します。

      A/D 変換による入力値を data、R1 をプルアップ抵抗値、R2 をボリューム抵抗最大値として、 OCR1A を以下の計算式で計算します。

      OCR1A = OCR1A_LIMIT_CW + (OCR1A_LIMIT_CCW - OCR1A_LIMIT_CW) * 
            data / (ADC_MAX * (R2 / (R1 + R2)))

      timer1_ic_interrupt() の関数コメントにある通りに、実値を使って計算を進めると

      OCR1A = OCR1A_LIMIT_CW + 1.4 * data

      となります。つまり OCR1A は、OCR1A_LIMIT_CW を下限として data に比例して変化します (0 <= data <= 約 853.182(0x355)、853.182 については こちら を参照してください。なお、筆者の環境では 855 まで上がりました)。

      76 〜 77 行目で A/D 変換を行い、79 行目で新しい OCR1A の値を計算しています。その後 80 行目で新しい OCR1A を設定することで、ボリュームの開度に応じてサーボモータの 回転角度が変化することになります。

以上で解説は終わりです。ボリュームをくるくる回すと、サーボモータがそれについてくるのがちょっと楽しかったりします…

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