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STM32电位器控制舵机实现同步机械臂

时间：2023-10-19 21:37:00 电位器的103c2031滑动电位器b104直滑电位器

STM32电位控制舵机同步机械臂

  1. 序言
  2. 硬件部分
  3. 软件部分
  4. 最终效果
  5. 总结

序言

毕设最初的灵感来源于B站转载的视频
Micro Servo-robot
因为我笨拙，以前的软硬件基础差，最后用了一段时间STM视频中的功能直到32才实现(原教程主控芯片为Arduino），所以把完整的教程变成博客记录在这里，如果有表达不当的地方，请留情。

硬件部分

总览

教程中使用的开发板是正点原子的精英版，板载芯片是STM32F103ZET6，另需要10K3-4个电位器，标准舵机MG996 3-4个，一套机械臂支架，多个工具，上述舵机和机械臂支架也可用sg90舵机和冰棒杆代替。

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度舵机) MG996，SG90舵机
工具 胶枪，杜邦线，电烙铁
如何控制从动部分

我第一次买舵机是360度。SG90舵机，本来以为度数越大越好，但是360度舵机PWM只控制正转、反转和停止，直接转移到某个角度并不容易实现我们期望的输入信号，因此我们将重新购买180度SG90舵机和MG996标准舵机(用于机械臂架)，均为模拟舵机。
首先，必须明确如何控制舵机：舵机通常由舵机控制PWM信号控制，我使用的模拟舵机需要不断发送PWM信号可以转移到相应的角度。我个人理解这就是为什么在调整空比后添加函数延迟的原因。PWM不要过多地讨论信号的相关知识，但要明确，控制舵机PWM信号周期一般为20ms，用定时器生成PWM网上有很多详细的信号方法，这里就不介绍了。只要知道上述控制信号的周期，就可以根据公式知道定时器的装载值。
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)时钟频率为719(CLK)易得周期为72，000，000.02s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通过改变占空比来调整PWM信号不会直接改变脉宽，因此控制舵机的信号比例为2.5%-12.5%，装载值为1999，所以在PWM比较寄存器的有效值为50-250，对应0-180度。
到目前为止，我们已经基本了解了如何控制舵机。
电位器-如何读取主动部分？

电位器实际上是一种类似于中学学习的滑动变阻器的可调电阻装置。我们需要做的是读取电位器的位置，并将此信息发送到芯片。因为直接读取电阻值很麻烦，所以我们选择读取外部电源的模拟量，然后将模拟量转换为数字量（ADC）的方式读取角度值，这里我直接用的板上3.3v的VDD输出连接电位器时，应注意IO口电压不得超过此电压。由于采集多通道，这里使用DMA具体的方式ADC和DMA可参考其他详细教程，这里不作过多赘述。
在获得数字数据是映射问题后，我们得到12位二进制数据，即0-4095，数字映射到上述50到250，当然，电位器是0-270度，舵机是0-180度，也可以通过控制映射解决，以下代码没有改进。

到目前为止，我们已经基本了解了如何实现同步机械臂的主要硬件，以下是软件部分。

软件部分

如何控制舵机对应硬件部件的显示？
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，分别连接舵机。
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

两自由度

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。
非常感谢你的阅读，如果可以请留下你的足迹。
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