当您听到拇指操纵杆这个词时，首先想到的是游戏控制器。它们主要用于玩游戏，但是在DIY电子产品中，您可以用它做很多有趣的事情。如控制机器人/漫游车、控制相机的运动；这些只是冰山一角。

硬件概述

这是一个与PS2 (PlayStation 2) 控制器上的模拟操纵杆非常相似的操纵杆。它是一个自定心弹簧加载操纵杆，这意味着当您松开操纵杆时，它会自行居中。它还包含一个舒适的杯型旋钮/盖子，给人一种拇指棒的感觉。

操纵杆的主要作用是将2D（2轴）的运动传达给Arduino开发板。这是通过容纳两个独立的10K电位器（每轴一个）来实现的。这些电位器用作双可调分压器，以控制杆形式提供2轴模拟输入。

电位器是操纵杆侧面的两个蓝色框。如果您在观察每个电位器的中心轴的同时移动操纵杆，您会发现每个电位器仅在一个方向上进行移动。稍后我们将讨论它们实际上是如何工作的。

该操纵杆还包含一个开关，当您按下盖子时会激活该开关。开关是操纵杆后部的小黑盒子。如果你按下盖子，你会看到一个杠杆按下开关的头部。无论操纵杆处于什么位置，操纵杆都可以工作。

PS2 2轴拇指摇杆模块如何工作？

操纵杆的基本思想是将操纵杆在两个轴上的位置 - X 轴（从左到右）和 Y 轴（上下）转换为Arduino可以处理的电子信息。这可能有点棘手，但要感谢由两个电位器和一个万向节机构组成的操纵杆的设计。

云台机构（Gimbal Mechanism）

当您旋转操纵杆时，拇指手柄会移动位于两个可旋转开槽轴（万向节）中的窄杆。其中一个轴允许沿 X 轴（左和右）运动，而另一个轴允许沿 Y 轴运动（上下）。前后倾斜摇杆可左右转动 Y 轴。将其从左向右倾斜可转动 X 轴。当您沿对角线移动操纵杆时，它会转动两个轴。

电位器连接到每个操纵杆轴，将杆的位置解释为模拟读数。移动开槽轴会旋转电位器的接触臂。换句话说，如果您将摇杆一直向前推，它将使电位器接触臂转向轨道的一端，如果将其向后拉，它将使接触臂转向另一端。

从操纵杆读取模拟值

为了读取操纵杆的物理位置，我们需要测量电位器的电阻变化。使用Arduino的ADC模拟引脚可以读取此更改。

由于Arduino开发板的ADC分辨率为10位，因此每个模拟通道上的值可以在0到1023之间变化。因此，如果摇杆在X轴上从一端移动到另一端，X值将发生变化从0到1023，类似的事情发生在沿Y轴移动时。当操纵杆停留在其中心位置时，该值约为512。

下图显示了X和Y方向，还指示了当向各个方向推动操纵杆时输出将如何响应。

拇指操纵杆模块引脚分配

让我们看一下PS2 2 轴拇指摇杆模块的引脚排列。

GND 接地引脚，连接到Arduino开发板上的GND引脚。

VCC 为模块供电。您可以将其连接到Arduino的5V输出。

VRx 在水平方向（X 坐标）上给出操纵杆的读数，即操纵杆向左和向右推多远。

VRy 给出操纵杆在垂直方向（Y 坐标）的读数，即操纵杆向上和向下推动的距离。

SW 是按钮的输出。它是常开的，这意味着来自SW引脚的数字读数将为高电平。按下按钮时，它将连接到GND，输出低电平。

将拇指操纵杆模块连接到Arduino UNO开发板

现在我们已经了解了有关该模块的所有信息，是时候使用它们了！

众所周知，为了确定操纵杆的X和Y坐标，我们需要将操纵杆的两个模拟输出连接到Arduino上的模拟引脚。对于Arduino开发板板，我们将VRx连接到Arduino的模拟引脚A0，将VRy连接到Arduino的模拟引脚A1。

为了读取操纵杆旋钮是否被按下，我们将操纵杆的SW引脚连接到Arduino的数字引脚D8。

除此之外，操纵杆只需要电源。VCC引脚连接到Arduino的5V端子，GND引脚连接到Arduino的GND端子。

Arduino代码

该程序非常简单。我们将读取两个模拟输入和一个数字输入的测量值。然后我们将在串口监视器上显示结果。

1. // Arduino pin numbers
   
2. const int SW_pin = 8; // digital pin connected to switch output
   
3. const int X_pin = 0; // analog pin connected to X output
   
4. const int Y_pin = 1; // analog pin connected to Y output
   
5. 
   
6. void setup() {
   
7.   pinMode(SW_pin, INPUT);
   
8.   digitalWrite(SW_pin, HIGH);
   
9.   Serial.begin(9600);
   
10. }
    
11. 
    
12. void loop() {
    
13.   Serial.print("Switch:  ");
    
14.   Serial.print(digitalRead(SW_pin));
    
15.   Serial.print(" | ");
    
16.   Serial.print("X-axis: ");
    
17.   Serial.print(analogRead(X_pin));
    
18.   Serial.print(" | ");
    
19.   Serial.print("Y-axis: ");
    
20.   Serial.print(analogRead(Y_pin));
    
21.   Serial.println(" | ");
    
22.   delay(200);
    
23. }

复制代码

如果一切正常，您应该在串口监视器上看到以下输出。

代码说明

该草图首先在Arduino上初始化操纵杆模块的连接。 SW引脚连接到Arduino的引脚#8，而VRx和VRy引脚连接到模拟引脚#0和#1。

1. // Arduino pin numbers
   
2. const int SW_pin = 8; // digital pin connected to switch output
   
3. const int X_pin = 0; // analog pin connected to X output
   
4. const int Y_pin = 1; // analog pin connected to Y output

复制代码

在setup()函数中：我们将SW引脚初始化为输入并保持为高电平。这是因为只要SW引脚为高电平，我们就知道按钮没有被按下。

1.   pinMode(SW_pin, INPUT);
   
2.   digitalWrite(SW_pin, HIGH);
   
3.   Serial.begin(9600);

复制代码

在 loop() 函数中：我们只使用digitalRead()函数读取SW引脚的值，使用digitalRead() 读取VRx和VRy引脚并显示在串口监视器上。

1.   Serial.print("Switch:  ");
   
2.   Serial.print(digitalRead(SW_pin));
   
3.   Serial.print(" | ");
   
4.   Serial.print("X-axis: ");
   
5.   Serial.print(analogRead(X_pin));
   
6.   Serial.print(" | ");
   
7.   Serial.print("Y-axis: ");
   
8.   Serial.print(analogRead(Y_pin));
   
9.   Serial.println(" | ");
   
10.   delay(200);

复制代码

在Processing IDE中模拟操纵杆运动

让我们创建一个快速的Arduino项目来演示如何使用简单的2轴操纵杆模块来控制Processing IDE中的动画。首先，我们将编程Arduino，实现在串口上输出x轴、y轴和按钮状态的值。我们将在Processing IDE中接收来自串口的这些值。然后可以使用这些值来设置操纵杆位置的动画。

以下这就是输出的样子。

当然，这个项目可以扩展到动画角色、监视项目或控制无人驾驶车辆。

Arduino代码

首先，我们需要对Arduino进行编程以在串口上输出x轴、y轴和按钮状态的值。该程序与上面完全相同，只是我们在串口监视器上打印的值是逗号分隔的。为什么用逗号分隔？因为这是将数据从一个应用程序传输到另一个应用程序的流行格式。在Processing IDE中，我们可以通过“逗号”字符分割传入的值并取出我们的数据。

将以下草图上传到您的 Arduino。

1. int xValue = 0 ; // read value of the X axis        
   
2. int yValue = 0 ; // read value of the Y axis        
   
3. int bValue = 0 ; // value of the button reading        
   
4. 
   
5. void setup()        
   
6. {        
   
7.         Serial.begin(9600) ; // Open the serial port
   
8.         pinMode(8,INPUT) ; // Configure Pin 2 as input
   
9.         digitalWrite(8,HIGH);        
   
10. }        
    
11. 
    
12. void loop()        
    
13. {        
    
14.         // Read analog port values A0 and A1        
    
15.         xValue = analogRead(A0);        
    
16.         yValue = analogRead(A1);        
    
17. 
    
18.         // Read the logic value on pin 2        
    
19.         bValue = digitalRead(8);        
    
20. 
    
21.         // We display our data separated by a comma        
    
22.         Serial.print(xValue,DEC);
    
23.         Serial.print(",");
    
24.         Serial.print(yValue,DEC);
    
25.         Serial.print(",");
    
26.         Serial.print(!bValue);
    
27. 
    
28.         // We end with a newline character to facilitate subsequent analysis        
    
29.         Serial.print("\n");
    
30. 
    
31.         // Small delay before the next measurement        
    
32.         delay(10);        
    
33. }

复制代码

Processing代码

将程序上传到Arduino后，我们可以在Processing IDE中开始动画操纵杆位置。 保持您的Arduino插入并运行以下处理代码。

1. import processing.serial.*; //import the Serial library
   
2. Serial myPort;
   
3. 
   
4. int x; // variable holding the value from A0
   
5. int y; // variable holding the value from A1
   
6. int b; // variable holding the value from digital pin 2
   
7. PFont f; // define the font variable
   
8. String portName;
   
9. String val;
   
10. 
    
11. void setup()
    
12. {
    
13.   size ( 512 , 512 ) ; // window size
    
14.   
    
15.   // we are opening the port
    
16.    myPort = new Serial(this, Serial.list()[0], 9600);
    
17.   myPort.bufferUntil('\n');
    
18.   
    
19.   // choose the font and size
    
20.   f = createFont("Arial", 16, true); // Arial, 16px, anti-aliasing
    
21.   textFont ( f, 16 ) ; // size 16px
    
22. }
    
23. 
    
24. // drawing loop
    
25. void draw()
    
26. {
    
27.   fill(0) ; // set the fill color to black
    
28.   clear() ; // clean the screen
    
29.   
    
30.   fill(255) ; // set the fill color to white
    
31.   
    
32.   if (b == 1) // check if the button is pressed
    
33.   {
    
34.     // draw a larger circle with specified coordinates
    
35.     ellipse(x/2,y/2, 50, 50);
    
36.   }
    
37.   else
    
38.   {
    
39.     // we draw a circle with a certain coordinates
    
40.     ellipse(x/2,y/2, 25, 25);
    
41.   }
    
42.   
    
43.   // we display data
    
44.   text("AnalogX="+(1023-x)+" AnalogY="+(1023-y),10,20);
    
45. }
    
46. 
    
47. 
    
48. // data support from the serial port
    
49. void serialEvent( Serial myPort)
    
50. {
    
51.   // read the data until the newline n appears
    
52.   val = myPort.readStringUntil('\n');
    
53.   
    
54.   if (val != null)
    
55.   {
    
56.         val = trim(val);
    
57.         
    
58.     // break up the decimal and new line reading
    
59.     int[] vals = int(splitTokens(val, ","));
    
60.    
    
61.     // we assign to variables
    
62.     x = vals[0];
    
63.     y = vals[1] ;
    
64.     b = vals[2];
    
65. 
    
66.   }
    
67. }

复制代码

代码说明

让我们快速了解一下。首先，我们需要导入串口库以读取来自串口的值。

1. import processing.serial.*; //import the Serial library
   
2. Serial myPort;

复制代码

接下来，声明保存x轴、y轴和按钮状态值的变量。

1. int x; // variable holding the value from A0
   
2. int y; // variable holding the value from A1
   
3. int b; // variable holding the value from digital pin 2
   
4. PFont f; // define the font variable
   
5. String portName;
   
6. String val;

复制代码

在setup()函数中，我们需要创建一个大小为512×512的窗口来显示动画。接下来，我们通过传递参数 Serial.list()[0] 打开一个可用的串口。如果这对您不起作用，请将其更改为Arduino连接的端口。我们还需要创建一个字体来在窗口上显示我们的值以及动画。

1.   size ( 512 , 512 ) ; // window size
   
2.   
   
3.   // we are opening the port
   
4.    myPort = new Serial(this, Serial.list()[0], 9600);
   
5.   myPort.bufferUntil('\n');
   
6.   
   
7.   // choose the font and size
   
8.   f = createFont("Arial", 16, true); // Arial, 16px, anti-aliasing
   
9.   textFont ( f, 16 ) ; // size 16px

复制代码

在draw()函数中，首先窗口的背景是用黑色填充的。然后我们选择一个白色来画一个代表操纵杆位置的小圆圈。现在，根据按钮状态，我们使用 if 语句绘制一个小圆圈或大圆圈。

1. fill(0) ; // set the fill color to black
   
2.   clear() ; // clean the screen
   
3.   
   
4.   fill(255) ; // set the fill color to white
   
5.   
   
6.   if (b == 1) // check if the button is pressed
   
7.   {
   
8.     // draw a larger circle with specified coordinates
   
9.     ellipse(x/2,y/2, 50, 50);
   
10.   }
    
11.   else
    
12.   {
    
13.     // we draw a circle with a certain coordinates
    
14.     ellipse(x/2,y/2, 25, 25);
    
15.   }

复制代码

接下来，我们在窗口的左上角打印x轴和y轴值。

1.   // we display data
   
2.   text("AnalogX="+(1023-x)+" AnalogY="+(1023-y),10,20);

复制代码

serialEvent(Serial myPort) 是一个自定义函数，它读取串口上的字符串，直到出现换行符。然后字符串由“逗号”字符分割并分配给相应的变量。

1. void serialEvent( Serial myPort)
   
2. {
   
3.   // read the data until the newline n appears
   
4.   val = myPort.readStringUntil('\n');
   
5.   
   
6.   if (val != null)
   
7.   {
   
8.         val = trim(val);
   
9.         
   
10.     // break up the decimal and new line reading
    
11.     int[] vals = int(splitTokens(val, ","));
    
12.    
    
13.     // we assign to variables
    
14.     x = vals[0];
    
15.     y = vals[1] ;
    
16.     b = vals[2];
    
17. 
    
18.   }
    
19. }

复制代码

模拟操纵杆的问题

模拟操纵杆系统存在几个小而重要的问题。

●    首先，粗略的模数转换过程不是很准确，因为系统没有真正的模数转换器。这在一定程度上损害了操纵杆的灵敏度。

●    其次，微控制器必须投入大量的处理能力来定期“轮询”操纵杆系统以确定操纵杆的位置。这会从其他操作中消耗大量资源。