【正文】 動的轉(zhuǎn)動到一個比較精確的角度，仿人型機器人就是舵機應(yīng)用的最高境界。隨著工業(yè)的發(fā)展，舵機應(yīng)用到 那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng) ，目前在高檔遙控玩具，如航模，包括飛機模型，潛艇模型；遙控機器人中已經(jīng)使用得比較普遍。 課題背景 舵機最早出現(xiàn) 在航空模型中，飛 機的飛行姿態(tài)是通過調(diào)節(jié)發(fā)動機和各個控制舵面來實現(xiàn)的。以簡單的四通飛機來說，遙控器有四個通道，分別對應(yīng)四個舵機，而舵機又通過連桿等傳動元件帶動舵面的轉(zhuǎn)動，從而改變飛機的運動狀態(tài)。舵機因此得名：控制舵面的伺服電機。不僅在航模飛機中，在其他的模型運 動中都可以看到它的應(yīng)用：船模上用來控制尾舵，車模中用來轉(zhuǎn)向等等。 目前在高檔遙控玩具，如航模，包括飛機模型，潛艇模型；遙控機器人中已經(jīng)使用得比較普遍 ， 由此可見，凡是需要操作性動作時都可以用舵機來實現(xiàn) ，隨著舵機的應(yīng)用越來越廣泛，對舵機的精確控制要求也越來越高，因此一個好的舵機控制系統(tǒng)使舵機的控制精確會達到一個新的高度，讓舵機達到理想的工作狀態(tài)。 STM32 系列 32 位閃存微控制器基于突破性的 ARM CortexM3 內(nèi)核，這是一款專為嵌入式應(yīng)用而開發(fā)的內(nèi)核。 STM32 系列產(chǎn)品得益于 CortexM3 在架構(gòu)上進行的多項改進，包括提升性能的同時又提高了代碼密度的 Thumb2 指令集，大幅度提高的中斷響應(yīng)，而且所有新功能都同時具有業(yè)界最優(yōu)的功耗水平。 STM32F 系列產(chǎn)品沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 2 的目的是為 MCU 用戶提供新的自由度。它提供了一個完整的 32 位產(chǎn)品系列，在結(jié)合了高性能、低功耗和低電壓特性的同時保持了高度的集成性能和簡易的開發(fā)特性 .它的優(yōu)點有以下幾個方面： 搭載 ARM 公司最新的、具有先進架構(gòu)的 CortexM3 內(nèi)核 ， 出色的實時性能 ， 優(yōu)越的功效高級的、創(chuàng)新型外設(shè) ， 最大的集成性易于開發(fā)，加速了面市時間整個產(chǎn)品系列具有腳到腳、外設(shè)和軟件的高度兼容 性，為您提供最大的靈活性。 課題的 研究 展望 舵機是隨著生產(chǎn)發(fā)展而產(chǎn)生和發(fā)展的，而舵機的發(fā)展反過來又促進社會生產(chǎn)力的不斷提高。以前，舵機的發(fā)展過程是由誕生到在工業(yè)上初步應(yīng)用、各種舵機建立和發(fā)展。在進入計算機和自動化時代的今天，不僅對舵機提出了諸多性能良好、運行可靠、單位容量的重量輕、體積小等方面越來越多的要求，而且隨著自動控制系統(tǒng)的計算裝置的發(fā)展，在舵機轉(zhuǎn)動的理論基礎(chǔ)上，發(fā)展出多種高精度、快響應(yīng)的控制舵機。與此同時，電力電子學(xué)等學(xué)科的滲透使舵機這一較為成熟的學(xué)科得到新的發(fā)展。 當(dāng)前科學(xué)技術(shù)突飛猛進，因此舵機正 向多用途、多品種方向發(fā)展，向高精度和高穩(wěn)定的方向發(fā)展。在應(yīng)用上，由于計算機技術(shù)迅速發(fā)展，將會出現(xiàn)由機器人工作的無人工廠，以計算機作為這些工 廠的“中樞神經(jīng)”，使實現(xiàn)無人化成為可能。在這種時代里，某些特種舵 機必須具有快速響應(yīng)、 高精度運動、快速啟動和停止等使機器人比人的手腳更復(fù)雜而精巧的運動。理論上，在舵機中應(yīng)用了控制技術(shù)，使舵機具有更好的特性，因此舵機控制系統(tǒng)成為控制一些重要元件的 重要的 部分 。 基于 STM32 的舵機控制系統(tǒng)會越來越多的應(yīng)用在精度要求高的舵機系統(tǒng)中，舵機的控制將與其他的元件結(jié)合，功能越來越強大，使 得舵機的作用也會越來越大 。 課題任務(wù)及要求 本次設(shè)計的 基于 STM32 的舵機控制系統(tǒng)是以 STM32 微處理器為核心 ， 在 MDK的環(huán)境下進行 C 語言的編程， 編寫鍵盤 、 ADC、 顯示的子程序，設(shè)計鍵盤中的某個按鍵，當(dāng)按下該按鍵時，通過 STM32 產(chǎn)生 PWM 信號 ，該信號為 舵機控制信號，控制多路舵機，實現(xiàn)可通過按鍵控制舵機的旋轉(zhuǎn)角度和速度等有效準(zhǔn)確的控制，并沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 3 將其狀態(tài)通過 TFT 彩色 LCD 顯示， 畢設(shè)方案 : 熟悉科研課題的環(huán)境及畢業(yè)設(shè)計的具體要求； 閱讀主要參考文獻，收集有關(guān)資料； 學(xué)習(xí) STM32 處理器； 學(xué)習(xí) 舵機控制的 技術(shù)資料； 學(xué)習(xí)基于固件庫的程序開發(fā)方法； 掌握 MDK 編程環(huán)境的 C 語言開發(fā)平臺； 完成論文。 課題內(nèi)容及安排 本文對 基于 STM32 的舵機控制系統(tǒng) 設(shè)計進行了詳細的介紹，共分五章。第 1章簡要介紹了整個課題的研究背景、目的、意義及整個任務(wù)的要求安排；第 2 章是針對此次課題的任務(wù)進行方案論證，尤其重要的 對 STM32 微處理器其 32 位的處理能力及內(nèi)嵌的語音對本設(shè)計的影響進行詳細的闡述 ； 第 3 章具體介紹了 整個控制系統(tǒng) 的硬件設(shè)計，包括 鍵盤輸入模塊電路 ， 轉(zhuǎn)接板 電路，顯示電路的設(shè)計 ；第 4 章闡述了 舵機控制系統(tǒng) 的軟件設(shè)計，包括 STM32 初始化 子 程序， 數(shù)據(jù)處理 子程序，顯示子程序的設(shè)計。第 5 章是針對硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和整機連調(diào)的結(jié)果進行了具體的分析和說明。 沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 4 第 2章 硬件 設(shè) 計 硬件是整個 基于 STM32 技術(shù)的 舵機控制 系統(tǒng) 設(shè)計的基礎(chǔ)，怎樣選擇合適的器件來組成整 個硬件電路十分關(guān)鍵，也是本章敘述的重點 。 除此之外，以下部分還會分別闡述本設(shè)計運用到的各個模塊的特性和原理，以及它們所能實現(xiàn)的功能。 STM32 微處理 單元 本設(shè)計的舵機控制系統(tǒng) 需要 STM32 處理器， STM32 微處理器完成 鍵盤輸入量對舵機的控制，并且通過 LCD 顯示舵機的轉(zhuǎn)動角度，作為舵機 的主控制器， 實現(xiàn)對舵機穩(wěn)定 和精確的控制 。 作為微型移動機器人上的主控制器，需要處理的數(shù)據(jù)和事件比較多，因此需要一款功能強大的處理器 —— STM32 這款 32 位的微處理器正是最佳的選擇。下面將著重介紹 STM32 的強大的功能 以及本設(shè)計所用到的 STM32 中的 SPI 通訊的部分的工作原理。 STM32 的突出的功能包括以下幾點： 1． 性能強勁。在相同的主頻下能做處理更多的任務(wù)，全力支持勁爆的程序設(shè)計。 2． 功耗低。延長了電池的壽命 —— 這簡直就是便攜式設(shè)備的命門（如無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用）。 3． 實時性好。采用了很前衛(wèi)甚至革命性的設(shè)計理念，使它能極速地響應(yīng)中斷 ，而且響應(yīng)中斷所需的周期數(shù)是確定的。 4． 代碼密度得到很大改善。一方面力挺大型應(yīng)用程序，另一方面為低成本設(shè)計而省吃儉用。 5． 使用更方便?，F(xiàn)在從 8位 /16位處理器轉(zhuǎn)到 32位處理器之風(fēng)刮得越來越猛，更簡單的編程模型和更透徹的調(diào)試系統(tǒng)，為與時俱進的人們大大減負。 6． 低成本的整體解決方案。讓 32位系統(tǒng)比和 8位 /16位的還便宜，低端的 Cortex‐M3單片機甚至還賣不到 1美元。 7． 遍地開花的優(yōu)秀開發(fā)工具。免費的，便宜的，全能的，要什么有什么。 沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 5 正是基于以上這么多的優(yōu)點，使得 STM32 成為本設(shè)計中微型移動機器人上 的主處理器的最佳選擇。下圖 為 STM32 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖 STM32系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 高級控制定時器由一個 16位的自動裝載計數(shù)器組成，它由一個可編程預(yù)分頻器驅(qū)動。它適合多種用途，包含測量輸入信號的脈沖寬度 (輸入捕獲 )，或者產(chǎn)生輸出波形 (輸出比較， PWM，嵌入死區(qū)時間的互補 PWM?? )。使用定時器預(yù)分頻器和 RCC時鐘控制預(yù)分頻器，可以實現(xiàn)脈沖寬度和波形周期從幾個微秒到幾個毫秒的調(diào)節(jié)。高級控制 (TIM1)和通用 (TIMx)定時器是完全獨立的，它們不共享任何資源 TIM1 定時器的功能包括： 1． 16位上 ，下，上 /下自動裝載計數(shù)器 2. 位可編程預(yù)分頻器，計數(shù)器時鐘頻率的分頻系數(shù)為 1～ 65535之間的任意數(shù)值 3. 4個獨立通道：輸入捕獲 ， 輸出比較 ， PWM生成 (邊緣或中間對齊模式 )， 單脈沖模式輸出，死區(qū)時間可編程的互補輸出 沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 6 4． 使用外部信號控制定時器和定時器互連的同步電路 5． 在指定數(shù)目的計數(shù)器周期之后更新定時器寄存器 6． 剎車輸入信號可以將定時器輸出信號置于復(fù)位狀態(tài)或者一個已知狀態(tài) 7． 如下事件發(fā)生時產(chǎn)生中斷 /DMA： （ 1） 更新：計數(shù)器向上溢出 /向下溢出，計數(shù)器初始化 (通過軟件或者內(nèi)部 /外部觸發(fā) ) （ 2） 觸發(fā)事件 (計數(shù)器啟動，停止，初始化或者由內(nèi)部 /外部觸發(fā)計數(shù) ) （ 3） 輸入捕獲 ─ 輸出比較 ─ 剎車信號輸入 高級定時器 TIM的框圖如下， 沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 7 圖 定時器 TIM的框圖 沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 8 舵機 圖 舵機實物圖 舵機是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng) 。 舵機都有外接三根線，分別用 棕 、 紅 、 橙 三種顏色進行區(qū)分，棕 色為接地線， 紅 色為電源正極線， 橙 色為信號線。 電源線和地線用于提供舵機內(nèi)部的直流電機和控制線路所需的能源．電壓通常介 于 4～ 6V，一般取 5V 圖 舵機的接線圖 其工作原理是：控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為 20ms，寬度為 的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為 0，電機停止轉(zhuǎn)動。 舵機的控制一般需要一個 20ms 左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為 ~ 范圍 內(nèi)的角度控制脈沖部分。以 180 度角度伺服為例，那么對應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的 ： — 90 度； — 45 度； 沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 9 度； 度； 度； 舵機的轉(zhuǎn)動的角度是通過調(diào)節(jié) PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號的占空比來實現(xiàn)的，標(biāo)準(zhǔn) PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號的周期固定為 20ms（ 50Hz），理論上脈寬分布應(yīng)在1ms到 2ms之間，但是，事實上脈寬可 由 ，脈寬和舵機的轉(zhuǎn)角 0176?！?80176。相對應(yīng)。有一點值得注意的地方，由于舵機牌子不同，對于同一信號，不同牌子的舵機旋轉(zhuǎn)的角度也會有所不同。 控制說明：舵機的響應(yīng)時間對于控制非常重要，一方面可以通過修改 PWM周期獲得。另一方面也可以通過機械方式，利用舵機的輸出轉(zhuǎn)距余量，將角度進行放大，加快舵機響應(yīng)速度； LCD 顯示器 LCD顯示器是本課設(shè)的主要器件，當(dāng)鍵盤的輸入量經(jīng)過 STM32微處理器進行數(shù)據(jù)的處理，由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量，傳給 LCD進行顯示數(shù)據(jù)。 LCD模塊的連接有兩種方法：直接控制和間接 控制。直接控制實際指的是 LCD模塊的總線接口直接與 MCU端口連接，然后 MCU通過程序控制端口來模擬 LCD的總線時序來完成對其的控制操作；而間接控制指的是 MCU本身就有外部總線拉出，與 LCD的總線接口對應(yīng)的連接上，程序中直接操作總線以控制 LCD。 考慮到電路設(shè)計的簡潔性及靈活性，本系統(tǒng)采用 PWM信號點亮 LCD的方式，硬件電路圖如下， 沈陽航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 10 圖 PWM信號點亮 LCD硬件電路 時鐘電路的制作 STM32 工作時，是在統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下一拍一拍的進行的，這個脈沖是由STM32 控制器中的時序電路發(fā)出的， STM32 的 時序就是 CPU 在執(zhí)行指令時所需控制信號的時間順序。為了保證各部件間的同步工作， STM32 內(nèi)部電路就在唯一的時鐘信號控制下嚴(yán)格的按時序進行工作。要給單片機提供時序要有相