2/2基于單片機的機器人PCB系統(tǒng)板設(shè)計摘要人工智能的工業(yè)發(fā)展已經(jīng)有了幾十年的歷史，諸多技術(shù)已經(jīng)取得了舉世矚目的成績。工業(yè)機械臂作為工業(yè)中人工智能板塊最為重要的一部分，它的發(fā)展也得到了許多人的關(guān)注和期待。與工業(yè)機械臂不同，小型桌面型機械臂的用途還比較單一，僅僅在一些高校的實驗室中作為教學(xué)使用。與傳統(tǒng)的工業(yè)機械臂相比，它的體型小巧、售價比較低。但是在人機交互方面具有諸多的要求。為了探究機械臂與人的交互功能，本文的主要研究內(nèi)容為：使用AltiumDesign硬件開發(fā)軟件對機械臂的控制電路進(jìn)行繪制并畫出PCB，采用STM32單片機作為機械臂的控制板，配置搭載有兩個舵機的云臺，使用Keil軟件開發(fā)對程序代碼進(jìn)行編寫，通過外接藍(lán)牙傳感器，實現(xiàn)機械臂能夠在人為操控的情況下，做出相對應(yīng)指令的動作，以及盡可能實現(xiàn)對物品的抓取等功能。本文著重講解了機械臂系統(tǒng)的三個核心部分：一、介紹了機械臂系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，對組成機械臂系統(tǒng)的部分進(jìn)行講解；二、介紹了機械臂系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計，著重講解了STM32系列單片機模塊對機械臂的控制以及如何實現(xiàn)這些控制。三、介紹了機械臂系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計，講解了軟件部分的開發(fā)環(huán)境配置以及ST-LINK下載器的配置，簡單介紹了研究中所使用的代碼。關(guān)鍵字：機械臂STM32單片機傳感器舵機PCB目錄1緒論 41.1課題研究的背景 41.2課題研究意義 51.3國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 51.4機械臂的發(fā)展前景 61.5系統(tǒng)開發(fā)及調(diào)試相關(guān)工具 61.6章節(jié)安排 71.7本章小結(jié) 82二自由度機械臂系統(tǒng)方案設(shè)計 92.1系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)與要求 92.2技術(shù)路線及設(shè)計 92.3系統(tǒng)組成部分及工作原理 102.3.1STM32F013C8T6控制部分工作原理 102.3.2藍(lán)牙模塊信號收集工作原理 112.3.3A/D轉(zhuǎn)換工作原理 112.3.4舵機的工作原理 122.4本章小結(jié) 133系統(tǒng)硬件設(shè)計 143.1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計 143.2硬件開發(fā)環(huán)境 143.2.1AltiumDesignWinter09軟件特點 153.2.2AltiumDesignWinter09配置需求 153.2.3AltiumDesign的使用 163.2.4繪制電路圖 173.2.5PCB的繪制 173.3硬件模塊功能 173.4STM32模塊 183.4.1單片機模塊 183.4.2STM32F103C8T6核心板BOOT啟動方式 183.5STM32最小系統(tǒng)板 193.5.1電源 203.5.2CH340下載調(diào)試接口 213.5.3STM32的串口通信 213.5.4復(fù)位電路 223.5.5外部時鐘電路 223.6舵機的的控制方法 233.7本章小結(jié) 244系統(tǒng)軟件設(shè)計 254.1開發(fā)環(huán)境 254.2開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)配置 254.3ST-LINK下載器配置 274.4程序?qū)崿F(xiàn) 294.5本章小結(jié) 345總結(jié) 33參考文獻(xiàn) 341緒論1.1課題研究的背景人工智能是20世紀(jì)以來，一個正在迅猛發(fā)展的行業(yè)及領(lǐng)域。同時，它也是一門集人工智能學(xué)、機械控制、仿生學(xué)等于一體的綜合性學(xué)科，如今，它的應(yīng)用越來越廣泛。提到機器人，人們最先想到的是電影中那種擁有和人類一樣的雙手、雙腳以及頭部的仿人型機器人，但是本論文所研究的是一種工業(yè)機器人——機械臂[1]梁學(xué)修，工業(yè)機械臂交流伺服電機控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[[1]梁學(xué)修，工業(yè)機械臂交流伺服電機控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京;中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，2017.[2]駱敏舟，方健，趙江海.工業(yè)機器人的技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用[J].機械制造與制動化，2015（01）:1-4.1.2課題研究意義在21世紀(jì)的今天，機械臂的驅(qū)動方式主要分為三種：第一種為繩索式；第二種為氣動式；第三種為齒輪式。本課題研究的的機械臂的驅(qū)動方式為齒輪式，這種機械臂是基于單片機的機械臂，使用舵機進(jìn)行控制。這種驅(qū)動方式的機械臂使用頻率最高，因為這種驅(qū)動方式相對于其他的兩種驅(qū)動方式而言，在體積、運行效率、傳動精度和穩(wěn)定性等方面有著顯著的優(yōu)勢。相比于傳統(tǒng)的工業(yè)機械臂，這種小型桌面型機械臂具有很強的智能人機交互功能。隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，小型桌面型機械臂的功能越來越強大，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，主要體現(xiàn)在激光雕刻、3D打印、拼裝焊接等領(lǐng)域。藍(lán)牙傳感器技術(shù)作為人工智能一項重要的技術(shù)，目前已經(jīng)取得了非常不錯的成績，這使得機器人與人之間的“溝通”變得簡單，是一種新的人機交互的方式。通過這種技術(shù)，工作人員可以在一定范圍內(nèi)通過遠(yuǎn)程操控的方式控制機械臂工作，極大的減輕了工作人員的負(fù)擔(dān)。1.3國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r從1956年人工智能的概念的提出到現(xiàn)在，已經(jīng)經(jīng)歷了的大半個世紀(jì)，從簡單的設(shè)備到復(fù)雜的設(shè)備，是無數(shù)人智慧的結(jié)晶。如今，出現(xiàn)了許多人工智能產(chǎn)品，如掃地機器人等。機械臂這一類機器人屬于工業(yè)機器人的一種，它是集計算機技術(shù)，電子機械、仿生學(xué)等多種學(xué)科于一體的生產(chǎn)設(shè)備，是現(xiàn)代生產(chǎn)不可缺少的的設(shè)備之一。從國外的發(fā)展現(xiàn)狀來看，國外的機械臂的相關(guān)設(shè)計技術(shù)已經(jīng)非常成熟，很多技術(shù)得到的工業(yè)界的認(rèn)同，已然成為了這個行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。近幾年國外的機械臂技術(shù)開始向更加高智能的方向發(fā)展。1954年，第一臺可編程機器人被制造出來，隨后被應(yīng)用到汽車生產(chǎn)制造上。到了90年代的時候，工業(yè)機器人的發(fā)展變的非常迅速，根據(jù)統(tǒng)計，90年代以后，機器人的年增長率為10%，到了2000年年增長率甚至達(dá)到了15%。然而我國人工智能行業(yè)起步于上世紀(jì)七十年代，比一些機器人技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美國家晚了近三十年，這個時間點相對于其他國家來說已經(jīng)非常晚了，直到上世紀(jì)九十年代，我國才僅僅掌握了機器人的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，因此機械臂的研究對比于其他發(fā)達(dá)國家還是有點不足。但是我國政府對于這一行業(yè)非常重視，鼓勵發(fā)展機器人行業(yè)，為此投入了大量的精力。多年來，經(jīng)過許多研究人員與開發(fā)愛好者的共同努力，我國的工業(yè)機械臂的制造技術(shù)已經(jīng)趨近于世界先進(jìn)水平。桌面型機械臂出現(xiàn)于二十世紀(jì)五六十年代，并逐漸發(fā)展起來，但是桌面型機器人的概念在近幾年才被提出。它是機器人的一個比較新的研究方向，但其主要應(yīng)用于高校的實驗教學(xué)中。1.4機械臂的發(fā)展前景隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國家在工業(yè)方面也得到了了迅速發(fā)展，機械臂作為工業(yè)生產(chǎn)中一種極其重要的設(shè)備，對其技術(shù)的不斷突破也變的日益重要。高精度：如今的機器人技術(shù)愈發(fā)的先進(jìn)，許多國家追求更高精度的機器人，精度越高，機械臂到達(dá)目標(biāo)的準(zhǔn)確率就越高，意味著它的應(yīng)用領(lǐng)域也會越來越廣泛。節(jié)能化：隨著科技進(jìn)步，越來越多新型材料出現(xiàn)，機械臂的制作成本也越來越低，而且壽命更長、更穩(wěn)定、系統(tǒng)更簡單。1.5系統(tǒng)開發(fā)及調(diào)試相關(guān)工具本設(shè)計需要用到的開發(fā)軟件為AltiumDesigner，它是一款運行在Windows系統(tǒng)上的開發(fā)軟件。這個軟件融合了電路圖設(shè)計、PCB設(shè)計與制作、電路仿真等功能，它使用起來簡單，功能豐富多樣，開發(fā)人員使用它進(jìn)行開發(fā)，往往能達(dá)到事半功倍的效果，因此很受大家的喜愛。AltiumDesign的主要功能：原理圖設(shè)計印刷電路板設(shè)計嵌入式開發(fā)PCB設(shè)計封裝庫設(shè)計1.6章節(jié)安排論文主要分為5個章節(jié)：第1章：緒論。簡單介紹了本次課題研究的背景，闡述了研究課題的意義，通過研究現(xiàn)狀分析了未來機械臂的發(fā)展趨勢，最后簡述了本次課題研究所需要用到的開發(fā)工具。明確了課題研究內(nèi)容以及論文的章節(jié)安排。第2章：機械臂系統(tǒng)設(shè)計方案。介紹了機械臂課題研究的過程，簡單介紹了研究中所使用的的技術(shù)，理清了課題研究的整體思路，詳細(xì)介紹了課題研究機械臂中系統(tǒng)的組成部分以及各個部分的原理。第3章：系統(tǒng)硬件設(shè)計。詳細(xì)說明了機械臂系統(tǒng)研究的硬件部分的設(shè)計、各個模塊的功能，STM32單片機模塊的詳細(xì)介紹、STM32F103最小系統(tǒng)板的組成部分以及每個部分的功能。第4章：系統(tǒng)軟件設(shè)計部分。介紹了實現(xiàn)系統(tǒng)所需要用到的軟件開發(fā)工具以及如何配置開發(fā)環(huán)境，最后簡單介紹了實現(xiàn)本系統(tǒng)設(shè)計用到的部分代碼以及最終完成的設(shè)計的實物圖。第5章：總結(jié)部分。主要為對本次設(shè)計的概括性總結(jié)，闡述了課題研究中遇到的問題以及如何解決問題。1.7本章小結(jié)本章節(jié)主要介紹了課題研究的內(nèi)容，說明課題研究的背景，通過查閱資料來幫助自己更好的進(jìn)行課題的研究，然后通過自己對機械臂行業(yè)的理解對其未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，最后對課題研究所需要的開發(fā)平臺AltiumDesign軟件進(jìn)行了簡單的說明。2二自由度機械臂系統(tǒng)方案設(shè)計2.1系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)與要求本論文是以STM32F103C8T6單片機為主要核心的二自由度機械臂系統(tǒng)?，F(xiàn)階段，機械臂的驅(qū)動方式有三種：繩索式、氣功式、齒輪式。應(yīng)用最為廣泛的是齒輪式，因為這種方式在傳動精度、體積、運行效率和穩(wěn)定性方面優(yōu)勢顯著[3][3]劉極峰，丁繼斌.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].2版北京：高等教育出版社，2012.[4]曲鳴飛，陳楠.基于單片機的機械設(shè)備顯示器觸摸屏控制系統(tǒng)設(shè)計[J].內(nèi)燃機與配件， 2019（13）：277-279.通過手機上安裝的專屬藍(lán)牙控制軟件進(jìn)行操控。該系統(tǒng)的主要功能是可以通過人為的控制，使機械臂做出相應(yīng)的動作，達(dá)到完成相應(yīng)的任務(wù)的目的。2.2技術(shù)路線及設(shè)計對于該系統(tǒng)的設(shè)計，我們首先考慮單片機的選型問題。在嵌入式設(shè)計中，目前對于開發(fā)者來說比較流行的兩種單片機分別為STM32單片機和51單片機這兩種。51單片機是應(yīng)用最為廣泛的8位單片機之一，但是這些單片機或多或少存在一些缺點，比如高能耗、性能低、硬件資源匱乏等。而STM32系列的單片機是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計，它的總體性能非常高、造價低、功耗低。在老師的建議下，為了滿足此次設(shè)計所需求功能的要求，所以選擇了STM32F103型號。不同于傳統(tǒng)的工業(yè)機械臂，這種小型機械臂的人機交互方式非常多，出了常規(guī)的固定抓取、模仿動作之外，還可以完成一些其他的功能，比如下棋。除此之外，它的價格比較低、功能豐富，這種高性價比被許多高校喜愛，被廣泛使用于實驗室中。本設(shè)計機械臂的結(jié)構(gòu)類型類似于Dobot[5]孫軍，張家亮，馬玲.Dobot機械臂建模仿真與軌跡規(guī)劃算法研究[J].機械電子，2[5]孫軍，張家亮，馬玲.Dobot機械臂建模仿真與軌跡規(guī)劃算法研究[J].機械電子，2016，34（06）：72-75.[6]趙智勇，王冬青.Dobot機器人運動學(xué)分析及建模仿真[J].青島大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)版），2017，32（01）：152-57.系列控制板硬件資源豐富，硬件價格適中[7][7]MihaiBucicoiu，Mircea-StefanGhideu，RazvanRughinis.CloudVideoStreamingUsingRaspberryPi[C],20133rdInternationalConferenceonSocialSciences andSociety.[8]Guang-shenXu,ZhenCHEN,WuQiao.ResearchofControlSystemforMaskProjectionStereolithographyWithRaspberryPi[C],2016InternationalConferenceonAppliedMechanics ,MechanicalandMaterialsEngineering,2016:393-397.[9]王青云，梁端宇，馮月芹.ARMCortex-A8嵌入式原理與系統(tǒng)設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版 社，2014.8.[10]劉樂善，盧萍，陳進(jìn)才，李暢.微型計算機接口技術(shù).人民郵電出版社，2015.9.2.3系統(tǒng)組成部分及工作原理本次課題研究是基于STM32F103C8T6單片機的機械臂系統(tǒng)，它由STM32單片機外加兩個舵機組成的二自由度云臺組成，可以分為由STM32單片機為主的主控制系統(tǒng)和控制舵機運轉(zhuǎn)的舵機控制板，信號可由手機上的發(fā)送端發(fā)出，然后由系統(tǒng)板上外接的藍(lán)牙模塊接收。2.3.1STM32F103C8T6控制部分工作原理STM32F013C8T6系列的內(nèi)核為RISC內(nèi)核，這種內(nèi)核性能強大，效率高，工作頻率為72MHz。STM32系列產(chǎn)品內(nèi)部裝有高速存儲器，擁有豐富的I/O端口。STM32F103C8T6配置表如表1所示，其PCB原理圖如圖1所示。STM32F103C8T6配置表：閃存（K字節(jié)）64或128SRAM（K字節(jié)）20定時器 通用3個（TIM2、TIM3、TIM4）高級控制1個（TIM1）通信接口SPI2個（SPI1、SPI2）I2C2個（I2C1、I2C2）USART3個（USART1、USART2、USART3）USB1個（USB2.0全速）CAN1個（2.0B主動）GPIO端口37個12位ADC模塊（通道數(shù)）2（10）CPU頻率72MHz工作電壓2.0V~3.6V表1STM32F103C8系列部分參數(shù)表STM32F103C8T6PCB原理圖：圖1STM32F103C8T6PCB芯片圖2.3.2藍(lán)牙模塊信號收集工作原理信號采集部分連接MCU控制模塊，通過外接的藍(lán)牙傳感器接收外部發(fā)送的信息。其框架圖如圖2所示：STM32F103STM32F103ADCCH信號調(diào)理電路藍(lán)牙傳感器ADCCH信號調(diào)理電路藍(lán)牙傳感器圖2外部信號接收框架2.3.3A/D轉(zhuǎn)換工作原理A/D轉(zhuǎn)換[11]王志軍，趙捷，趙建業(yè).電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:北京大學(xué)出版社，2[11]王志軍，趙捷，趙建業(yè).電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:北京大學(xué)出版社，2013.5[12]劉彬，董居林，羅序俊.基于stm32f103c8t6單片機的主從式桌面機械臂的設(shè)計[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019（02）：109-110.[13]蒙清華，王忠慶，劉長明.基于松下FPO-PLC的MG995舵機控制系統(tǒng)實現(xiàn)[J].科技信息，2011（20）：5-12.STM32F103系列產(chǎn)品中內(nèi)嵌兩個轉(zhuǎn)換器，每個轉(zhuǎn)換器擁有多個外部通道。轉(zhuǎn)換接口允許的其他邏輯功能：（1）能同時進(jìn)行采樣和保持（2）能進(jìn)行交叉采樣和保持（3）單次采樣轉(zhuǎn)換可以使用直接存儲器訪問操作。2.3.4舵機的工作原理機械臂主要由兩個舵機組成，因此舵機是機械臂非常重要的一部分，它的設(shè)計效果會影響到機械臂使用效果。舵機由直流電機、舵盤等器件組成，其內(nèi)部有電源線、控制線、輸入線等多條線路，這些線路采用不同的顏色進(jìn)行區(qū)分，電源線為紅色，地線為黑色，輸入線為白色。地線和電源負(fù)責(zé)舵機能源的提供。舵機電源電壓有4.8V和7.2V兩種，這取決與扭矩的要求，要求越高，電壓需求越大。白色輸入線負(fù)責(zé)PWM信號的接收和傳輸[14][14]屈微,王志良.STM32單片機應(yīng)用基礎(chǔ)與項目實踐[M].北京：清華大學(xué)出版社.2019.舵機參數(shù)表重量60g轉(zhuǎn)動速度0.16sec/60度（6V）堵轉(zhuǎn)扭矩30.Kg.cm（6.6V）舵機精度0.24°工作電壓6V-8.4V轉(zhuǎn)動角度270°，速度可調(diào)控制方式PWM脈沖信號脈沖范圍0.5ms-2.5ms控制周期20ms圖3舵機實物圖圖表2舵機參數(shù)表機械臂一般由多個舵機控制，舵機作為控制裝置，轉(zhuǎn)動范圍為0°到180°，控制舵機脈沖寬度為0.5ms到2.5ms之間。舵機是一種角度伺服的驅(qū)動器，對系統(tǒng)盡心控制時不會因角度的改變而受到影響[15][15]趙聲衡.晶體振蕩器.科學(xué)出版社.2008.5. 舵機內(nèi)部工作原理比較簡單，它的控制電路會收到脈沖信號，使得內(nèi)部的電機速度減小同時電機輸出扭矩增大，然后輸出。2.4本章小結(jié)本章節(jié)主要介紹了機械臂系統(tǒng)設(shè)計的主要要求，以及完成該系統(tǒng)所需要用到的技術(shù)。簡單的介紹了STM32系列的特點，最后簡單介紹了各個部分的共工作原理，如STM32的原理圖，AD數(shù)模轉(zhuǎn)換的原理，舵機的工作原理和參數(shù)列表。3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計基于STM32單片機的機械臂由STM32F103C8T6單片機控制芯片和6個舵機的舵機控制板組成功，外接藍(lán)牙模塊，其硬件系統(tǒng)柜的總體框架圖如圖4所示，但由于個人能力有限，設(shè)計中只使用了2各個舵機，但是其控制方式與原理是相同的。舵機1主控制系統(tǒng)電路舵機控制板舵機1主控制系統(tǒng)電路舵機控制板復(fù)位電路復(fù)位電路舵機2晶振電路舵機2晶振電路舵機3電源模塊舵機3電源模塊舵機4舵機4舵機5舵機5藍(lán)牙模塊舵機6舵機6圖4機械臂系統(tǒng)總框架圖3.2硬件開發(fā)環(huán)境本設(shè)計需要用到的開發(fā)軟件為AltiumDesigner，它是一款運行在Windows系統(tǒng)上的開發(fā)軟件。這個軟件融合了電路圖設(shè)計、PCB設(shè)計與制作、電路仿真等功能，它使用起來簡單，功能豐富多樣，開發(fā)人員使用它進(jìn)行開發(fā)，往往能達(dá)到事半功倍的效果，因此很受大家的喜愛。3.2.1AltiumDesignWinter09軟件特點AltiumDesignWinter09的技術(shù)特征如下：即插即用的軟件平臺搭建器。應(yīng)用控制面板。設(shè)計發(fā)布管理功能。實時制造規(guī)則檢查。新的交互式發(fā)布線功能。可視的三維PCB提高工作效率。方便的供應(yīng)商數(shù)據(jù)連接服務(wù)。3.2.2AltiumDesignWinter09軟件配置需求硬件環(huán)境需求：達(dá)到最佳性能的系統(tǒng)配置：·Windows專業(yè)版。·2GB內(nèi)存?！?0GB硬盤空間?！るp顯示器，最低1680×1050（寬屏）或1600×1200（4:3）分辨率。最低配置要求：·WindowsXPSP2Professional1。·1GB內(nèi)存?！?.5GB硬盤空間?！お毩⒌娘@卡或者同等顯卡。·USB2.0端口。3.2.3AltiumDesign的使用對于此次課題研究，首先要在AltiumDesign上畫出其原理圖與PCB圖，然后在板子行進(jìn)行開發(fā)。首先，點擊AltiumDesign軟件進(jìn)入開發(fā)平臺，進(jìn)入開發(fā)品臺后，點擊左上角的“文件”欄，然后依次點擊“新建”、“工程”、“PCB工程”，完成項目的創(chuàng)建。其步驟圖如圖5所示：圖5AltiumDesign項目創(chuàng)建步驟圖完成項目創(chuàng)建后，還要在已有的工程上創(chuàng)建一個PCB，其步驟如圖6所示：圖6PCB創(chuàng)建完成上述步驟之后，即可在新創(chuàng)建的工程上開始自己的設(shè)計。3.2.4繪制電路圖在開發(fā)平臺的右邊，有一個“庫”選項，里面有各種各樣的元器件供我們搜索及選擇使用。其過程如圖7所示：圖7“庫”元器件搜索3.2.5PCB的繪制在我們畫完所需的電路圖之后，我們可以進(jìn)行PCB圖的繪制。在開發(fā)軟件上方的工具欄點擊“設(shè)計”這一欄，選擇“UpdatePCBDocument”選項。其過程圖如圖8所示：圖8PCB板的繪制過程圖點擊之后會出現(xiàn)“工程更改順序”，點擊“執(zhí)行更改”即可跳轉(zhuǎn)到PCB界面，進(jìn)行PCB的繪制。其過程圖如圖9所示：圖9工程更改順序圖跳轉(zhuǎn)之后，新的界面右下角會出現(xiàn)我們所繪制的元器件，如圖10所示圖10PCB圖上的元器件我們可以將它拖上去，按照自己的思路進(jìn)行合理的擺放，然后繪制PCB圖，如圖11所示圖11繪制PCB圖3.3硬件模塊功能本次設(shè)計選用了性能更好的STM32F103C8T6作為最小系統(tǒng)板，雖然目前市面上有許多其他種類的系統(tǒng)板，但是在各種性能的對比下，最終還是選擇了STM32系列的系統(tǒng)板，這個芯片使用高性能的的的RISC內(nèi)核，它具有高性能、低能耗、高效率、處理能力優(yōu)秀、硬件資源豐富等許多優(yōu)點。3.4STM32模塊3.4.1單片機模塊本次設(shè)計我選用了STM32系列中的STM32F103C8T6作為設(shè)計所需求的單片機，它的最小系統(tǒng)板原理圖如圖12所示，該芯片具有多種功能：1.64K或128K的閃存；2.20K的SRAM；3.兩種定時器：通用定時器（TIM2、TIM3、TIM4）和高級控制定時器（TIM1）；4.5種通信接口：SPI接口（SPI1、SPI2）、I2C接口（I2C1、I2C2）、USART接口（USART1、USART2、USART3）、USB接口（USB2.0全速）以及CAN接口（2.0B主動）；6.37個GPIO端口；7.2個12位ADC模塊；8.CPU的工作頻率位72MHz；9.工作電壓為2.0V~3.6V。但是開發(fā)中，我們所需要的只是一小部分功能：電源接口，ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換功能以及一小部分的GPIO端口，因此設(shè)計的難度較低。圖12STM32原理圖3.4.2STM32F103C8T6核心板BOOT啟動方式STM32一共有3中啟動方式，其控制方式如下表3所示：BOOT0BOOT1啟動模式0X主閃存存儲器11內(nèi)置SRAM10系統(tǒng)存儲器表3STM32核心板BOOT啟動方式啟動就是指下好程序之后，芯片重啟，可以通過選擇兩種引腳的狀態(tài)來確定復(fù)位之后的啟動模式。啟動方式選擇原理圖如圖13所示：圖13STM32核心板BOOT啟動方式電路圖3.5STM32最小系統(tǒng)板本次設(shè)計機械臂電路圖原理圖如下圖所示，主要由STM32最小系統(tǒng)板外接部分元器件（舵機、藍(lán)牙傳感器、電源等）組成。其整體硬件設(shè)計電路圖如圖14所示：圖14基于STM32單片機的機械臂電路圖3.5.1電源我們所需要用到的單片機工作電壓（VDD）為2.2V~3.6V，它的內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器會提供1.8V電壓。電源框架圖如圖15所示，其電路圖如圖16所示。電源框圖：圖15電源框架圖 電源供電電路圖：圖16電源供電電路圖原理圖3.5.2CH340下載調(diào)試接口CH340是一個USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，可以實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口或者轉(zhuǎn)打印口的功能。具有以下特點：全速USB設(shè)備接口（USBV2.0）。硬件全雙工串口，通訊的波特率范圍大（50bps~2Mbps）。兼容CH341，可直接使用CH341驅(qū)動程序。電源電壓要求低，可接受5V、3.3V與3V電源電壓。硬件電路圖如圖17所示：圖17CH340下載調(diào)試接口硬件電路圖3.5.3STM32的串口通信TXD為數(shù)據(jù)發(fā)送輸出引腳，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送；RXD為數(shù)據(jù)接收輸入引腳，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收；RTS為請求以發(fā)送引腳，低電平有效；CTS為清除以發(fā)送引腳，低電平有效；SCLK引腳為發(fā)送器時鐘輸出引腳，僅適用于同步模式；當(dāng)使能RTS六控制時，USART準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)導(dǎo)致nRST變成低電平，寄存器接收滿時，nRST變?yōu)楦唠娖?；?dāng)使能CTS控制時，發(fā)送數(shù)據(jù)時會檢測nCTS引腳，如果為低電平則表示可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果為高電平則表示不能發(fā)送之后的數(shù)據(jù)。其電路圖原理圖如圖18所示。圖18STM32通訊接口電路圖原理圖3.5.4復(fù)位電路復(fù)位電路，它由簡單的電容與電阻構(gòu)成，工作時一般需要外部提供電源。其原理如圖19所示。圖19STM32復(fù)位電路電路圖原理圖復(fù)位電路工作原理：外部電源供電時，使電容充電，電阻出現(xiàn)電壓，單片機復(fù)位；一段時間后，電容滿電，電阻電流消失，單片機進(jìn)入工作狀態(tài)；按下按鍵，電容放電，放電完成，電阻出現(xiàn)電壓，單片機恢復(fù)狀態(tài)；按鍵松開，電容充電完成，單片機進(jìn)入工作狀態(tài)。3.5.5外部時鐘電路時鐘電路是單片機的一個重要部分，對于單片機有著非常重要的作用。單片機的工作是在時鐘脈沖控制下進(jìn)行的，這個脈沖由單片機控制器的時序電路發(fā)出。外部時鐘電路由晶振、電容、電阻等組成。晶振全名石英晶體振蕩器，通過一定的外接電路可以生成穩(wěn)定的正弦波。單片機在運行的時候需要一個脈沖信號作為執(zhí)行命令的觸發(fā)信號。3.6舵機的控制方法舵機的控制信號由內(nèi)部的接收機接收，之后進(jìn)入調(diào)制芯片。舵機的內(nèi)部擁有基準(zhǔn)電路，在擁有電壓的情況下會發(fā)出一個基準(zhǔn)信號，這種信號產(chǎn)生周期為20ms，信號寬度為2ms。它產(chǎn)生的電壓會與接收機產(chǎn)生的電壓形成電壓差，這個電壓差決定了電機的轉(zhuǎn)動方式，即正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。舵機的控制需要一個時基脈沖，周期大約為20ms，這個脈沖的高電平一般為角度控制脈沖部分，范圍在0.5ms~2.5ms之間。脈沖范圍與舵機轉(zhuǎn)動角度對應(yīng)關(guān)系如下：0.5ms——————0度；1.0ms——————45度；1.5ms——————90度；2.0ms——————135度；2.5ms——————180度；舵機電路圖原理圖如圖20所示：圖20舵機電路圖原理圖3.7本章小結(jié)本章節(jié)主要介紹了硬件系統(tǒng)各個部分的組成結(jié)構(gòu)及工作原理，并且展示了部分電路圖以及模塊的參數(shù)，主要介紹了STM32最小系統(tǒng)板的組成以及一些功能的電路，最后簡單介紹了舵機的控制方法。4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1開發(fā)環(huán)境本設(shè)計軟件開發(fā)調(diào)試部分選用的是工具是KEIL,通過在KEIL開發(fā)調(diào)試工具上對機械臂的的代碼進(jìn)行開發(fā)與調(diào)試。KEIL一款基于C語言的軟件開發(fā)平臺，匯編語言對于許多初學(xué)者來說比較復(fù)雜難懂，但是C語言就很軟容易讓初學(xué)者接受，對比前者，C語言還擁有許多強大的功能，對于編程人員來說更加容易學(xué)習(xí)。4.2開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)配置Keil具體安裝步驟如圖21所示：圖21-1Keil軟件開發(fā)品臺安裝步驟圖圖21-2Keil軟件開發(fā)品臺安裝步驟圖圖21-3Keil軟件開發(fā)品臺安裝步驟圖ST-LINK下載器配置ST-LINK主要會用到4條引線：GND、DCLK、DIO、VCC。ST-LINK標(biāo)準(zhǔn)接口排序如圖14所示，其實物圖如圖22所示。圖22ST-LINK標(biāo)準(zhǔn)接口排序VCC引腳為輸入引腳，不會提供電源，因此開發(fā)板需要額外的電源單獨供電，然后把開發(fā)板的VCC接到TVCC上圖23ST-LINK標(biāo)準(zhǔn)接口排序?qū)嵨飯DST-LINK連接KEIl5配置的步驟如圖24所示：連線完成之后，對相應(yīng)的工程進(jìn)行配置然后進(jìn)行下載。首先選擇ST-LINK，然后在setings選項中選擇ST-LINKDebugger選項。圖24-1ST-LINK連接Keil配置圖然后選擇SW下載方式，，如果成功則右邊顯示有連接上的ST-LINK的ID。圖24-2ST-LINK連接Keil配置圖最后，選擇設(shè)備參數(shù)。圖24-3ST-LINK連接Keil配置圖4.4程序?qū)崿F(xiàn)實現(xiàn)本次設(shè)計的部分代碼如圖25所示：圖25-1機械臂系統(tǒng)部分程序代碼圖圖25-2機械臂系統(tǒng)部分程序代碼圖圖25-3機械臂系統(tǒng)部分程序代碼圖圖25-4機械臂系統(tǒng)部分程序代碼圖單個舵機控制代碼：voidT0zd(void)interrupt1{ staticunsignedcharj=1; switch(1) { case1: { pwm1=1; Timer0(pwm_valu);}break; case2: { pwm1=0; Timer0(2500-pwm_valu);}break; case3:

{ Timer0(2500);}break;}}串口初始化相關(guān)設(shè)置、波特率設(shè)置：voidUSART_Config(USART_TypeDef*TUSARTx,u32bound){ USART_InitTypeDefUSART_Initstructure;//USART初始化設(shè)置USART_InitStructure.USART_BaudBaudRate=bound;//串口波特率USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;USART_InitStructure.USART_StopBits=USART_StopBits_l;//一個停止位USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_No;USART_InitStructure.USART_HardwareFlowContorl;=USART_HardwareFlowContorl_None;//無硬件數(shù)據(jù)流控制USART_InitStructure.USART_Mo