STM32电位器控制舵机实现同步机械臂
STM32电位器控制舵机实现同步机械臂
- 序言
- 硬件部分
- 软件部分
- 最终效果
- 总结
序言
毕设的最初灵感是源于B站的一个转载视频
Micro Servo-robot
由于鄙人拙笨加上之前的软硬件基础较差，最终花了一段时间使用STM32才实现了视频中的功能（原教程主控芯片为Arduino），所以把完整的教程变成博客记录于此，如有表述不当的地方还请大佬嘴下留情。
硬件部分
总览
教程使用的开发板为正点原子的精英版，板载芯片为STM32F103ZET6，另需要10K电位器3-4个，标准舵机MG996 3-4个，机械臂支架一套，工具若干，上述舵机和机械臂支架也可用sg90舵机和冰棍杆代替。
| 所需材料 | 参考购买链接 |
|---|---|
| 开发板 | 正点原子精英 |
| 电位器 | 10K电位器 |
| 舵机（不能是360度的舵机） | MG996，SG90舵机 |
| 工具 | 胶枪，杜邦线若干，电烙铁 |
舵机—如何控制从动部分
舵机我最开始买的是360度的SG90舵机，本想着度数越大越好的，但是360度舵机PWM控制的只是正转、反转和停止，不容易实现我们期望的输入信号直接转到某一角度的目的，所以后又重新购置180度的SG90舵机和MG996标准舵机（用于机械臂架），上述都是模拟舵机。
首先必须明确如何控制舵机：舵机一般是由PWM信号控制的，而我用的模拟舵机需要不断送PWM信号才能转到相应的角度，个人理解这就是为什么在调节占空比后的函数要加一个延迟，在这里关于PWM信号的相关知识不做过多的讨论，但是需要明确的一点，控制舵机PWM信号的周期一般为20ms，用定时器产生PWM信号的方法网上详解很多，这里也不作介绍，只要清楚上述控制用信号的周期，根据公式便能了解设置定时器的装载值为多少比较合适。
周期计算公式(单位为秒s)：
T = ( A R R + 1 ) ∗ ( P S C + 1 ) / C L K T=(ARR+1)*(PSC+1)/CLK T=(ARR+1)∗(PSC+1)/CLK
装载值(ARR)为1999，预分频值(PSC)为719，时钟频率(CLK)为72,000,000，易得周期为0.02s也就是20ms。
控制舵机的PWM信号为0.5ms到2.5ms，相对应的角度是0-180度，由于STM32是通过改变占空比来调整PWM信号，不是直接改变脉宽，所以控制舵机的信号占空比为2.5%-12.5%，结合装载值为1999，所以在PWM模式1的情况下比较寄存器的有效数值为50-250对应0-180度。
至此如何控制舵机我们已经基本了解。
电位器—如何读取主动部分
电位器其实就是和中学学习的滑动变阻器类似的可调电阻装置，我们要做的就是读取电位器的位置，把这个信息送到芯片即可，由于直接读取电阻数值很麻烦，所以我们选择外接电源读取模拟量，再把模拟量转换成数字量（ADC）的方式读取角度值，这里我直接用的板子上3.3v的VDD输出连接电位器，需要注意的是IO口电压不能超过该电压。由于是多通道采集，所以这里采用的是DMA的方式，具体ADC和DMA可参考其他详细教程，这里不作过多赘述。
在得到数字量数据后就是映射问题，我们得到的是12位二进制数据，也就是0-4095，把这个数字量映射到上面提到的50到250即可，当然电位器是0-270度而舵机是0-180度，这也可以通过控制映射方式解决，下面的代码没在此方面进行改进。
至此我们便基本了解了如何实现同步机械臂的主要硬件，下面便是软件部分。
软件部分
与硬件部分相对应的显示如何控制舵机
其中用到的定时器3（TIM3）的通道1（PA6），通道2（PA7），通道4（PB1），通道3（PB0）也可以使用，分别接舵机即可。
timer.c
//timer.c
void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); //使能定时器3时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //使能GPIO外设
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7; //TIM3_CH1&TIM3_CH2
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //初始化GPIO PA6&PA7
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1; //TIM3_CH3&TIM3_CH4
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //初始化GPIO PB0&PB1
//初始化TIM3
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上计数模式
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位
//初始化TIM3 PWM模式
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式1
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性:TIM输出比较极性高
TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); //根据T指定的参数初始化外设TIM3 OC1
TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
TIM_OC3Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
TIM_OC4Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); //使能TIM3在CCR1上的预装载寄存器
TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_OC3PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_OC4PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); //使能TIM3
}
随后是主动部分的adc，用到的是ADC1的通道0（PA0）、通道1（PA1）、通道4（PA4），分别接电位器即可。
adc.c
#include "adc.h"
/*基于DMA的ADC多通道采集*/
volatile u16 ADCConvertedValue[10][3]; //用来存放ADC转换结果，也是DMA的目标地址,3通道，每通道采集10次后面取平均数
void Dma_Init(void)
{
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);//使能时钟
DMA_DeInit(DMA1_Channel1); //将通道一寄存器设为默认值
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&(ADC1->DR);//该参数用以定义DMA外设基地址
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)&ADCConvertedValue;//该参数用以定义DMA内存基地址(转换结果保存的地址)
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;//该参数规定了外设是作为数据传输的目的地还是来源，此处是作为来源
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 3*10;//定义指定DMA通道的DMA缓存的大小,单位为数据单位。这里也就是ADCConvertedValue的大小
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;//设定外设地址寄存器递增与否,此处设为不变 Disable
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;//用来设定内存地址寄存器递增与否,此处设为递增，Enable
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;//数据宽度为16位
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;//数据宽度为16位
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; //工作在循环缓存模式
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;//DMA通道拥有高优先级 分别4个等级 低、中、高、非常高
DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;//使能DMA通道的内存到内存传输
DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure);//根据DMA_InitStruct中指定的参数初始化DMA的通道
DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);//启动DMA通道一
}
void Adc_Init(void)
{
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
/*IO和ADC使能时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1|RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE; //连续转换
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 3;
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_0,1,ADC_SampleTime_71Cycles5);
ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_1,2,ADC_SampleTime_71Cycles5);
ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_4,3,ADC_SampleTime_71Cycles5);
ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE);//开启ADC的DMA支持
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
ADC_ResetCalibration(ADC1);
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
ADC_StartCalibration(ADC1);
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
}
另外添加了记忆功能，记忆功能是通过外部中断实现的，在中断服务函数中执行随动的同时记录一些点，后进行重播从而实现动作记忆。在默认同步模式下按KEY1进去中断服务函数，开始记录动作，再按KEY0结束动作记录，开始重复。
exti.c
#include "exti.h"
#include "led.h"
#include "key.h"
#include "delay.h"
extern u16 ADCConvertedValue[10][3];
void EXTIX_Init(void)
{
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
KEY_Init(); // 按键初始化
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE); //使能复用功能时钟
//GPIOE.3 中断线以及中断初始化配置 下降沿触发 //KEY1
GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOE,GPIO_PinSource3);
EXTI_InitStructure.EXTI_Line=EXTI_Line3;
EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure); //根据EXTI_InitStruct中指定的参数初始化外设EXTI寄存器
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI3_IRQn; //使能按键KEY1所在的外部中断通道
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02; //抢占优先级2
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x01; //子优先级1
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //使能外部中断通道
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //根据NVIC_InitStruct中指定的参数初始化外设NVIC寄存器
}
//按键KEY1进入中断服务，同步运动同时记录位置
void EXTI3_IRQHandler(void)
{
int i=0,n;
float PWM_Value[][3]={0};
delay_ms(10); //消抖
if(KEY1==0) //按键KEY1
{
while(KEY0!=0) //记录按KEY0前的动作
{
PWM_Value[i][0]=ADCConvertedValue[0][0]/20.475+50;
TIM_SetCompare1(TIM3, PWM_Value[i][0] );
delay_ms(15);
PWM_Value[i][1]=ADCConvertedValue[0][1]/20.475+50;
TIM_SetCompare2(TIM3, PWM_Value[i][1]);
delay_ms(15);
PWM_Value[i][2]=ADCConvertedValue[0][2]/20.475+50;
TIM_SetCompare4(TIM3, PWM_Value[i][2]);
delay_ms(15);
i++;
LED1=!LED1; //LED1闪烁证明进去中断成功
delay_ms(50);
}
n=i;
while(1) //重复执行记录的动作
{
for(i=0;i<n;i++)
{
TIM_SetCompare1(TIM3, PWM_Value[i][0] );
delay_ms(15);
TIM_SetCompare2(TIM3, PWM_Value[i][1]);
delay_ms(15);
TIM_SetCompare4(TIM3, PWM_Value[i][2]);
delay_ms(15);
}
LED0=!LED0;
delay_ms(50);
}
}
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line3); //清除LINE3上的中断标志位
}
以上代码加上正点原子的led.c和key.c即可实现完整功能
快捷链接：Micro Servo-robot
提取码：7rdx
最终效果
总结
作为初学者，上面很多话可能有不严谨的地方，还请各位指正。同时该装置也有很大改进的空间，比如改变映射实现电位器和舵机的百分比同步等。