基于STM32的舵机控制系统设计.doc

基于STM32的舵机控制系统院 系北方科技学院专 业自动化班 级B641301学 号B64130116姓 名李国军指导教师张庆新负责教师张庆新沈阳航空航天大学2010年6月沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）摘 要随着越来越多的高科技产品逐渐融入了日常生活中，舵机的控制系统发生了巨大的变化。单片机、C语言等前沿学科的技术的日趋成熟与实用化，使得舵机的控制系统有了新的的研究方向与意义。本文描述了一个由STM32微处理器、舵机、LCD显示器、键盘等模块构成的，提供基于STM32的PWM信号舵机的控制系统。该系统采用STM32微处理器为核心，在MDK的环境下进行编程，根据键盘的输入，使STM32产生周期性PWM信号，用此信号对舵机的速度及转角进行控制，并且通过LCD显示出数据。结果表明该系统具有结构简单、工作可靠、精度高等特点.关键词：STM32微处理器；舵机系统；LCD显示；PWM信号AbstractAs well as the high-tech products gradually integrated into the daily life, servo control system has undergone tremendous changes. SCM and C language of the frontier disciplines such mature technology and practical，Make steering control system is a new research direction and meaning. This paper describes a STM32 microprocessors, steering, LCD display and keyboard, etc. Based on the STM32 servo control system of PWM signal，This system uses STM32 microprocessor as the core, MDK in the environment, according to the keyboard input programming, STM32 produce periodic PWM signal, with this signal to the velocity and Angle of steering gear control, and through the LCD display data. The features of the simple hardware, stable operation and high precision are incarnated in the proposed system. Keywords: STM32 microprocessors; Steering system; LCD display；pulse width modulation signal 目 录第1章 绪 论11.1 课题背景11.2 课题的研究展望2课题任务及要求21.3 课题内容及安排3第2章 硬件设计42.1 STM32微处理单元42.2 舵机82.3 LCD显示器92.4 时钟电路的制作10第3章 软件设计123.1 STM32固件库简介123.2 软件的总体设计133.3 时钟初始化子程序143.4 I/O口初始化子程序163.5 PWM信号子程序173.6 A/D转换初始化子程序183.7 LCD显示子程序19第4章 系统调试214.1 调试方案214.1.1 硬件调试方案214.1.2 软件调试方案214.2 故障调试及解决方法224.3 联调结果22结 论24社会经济效益分析25参考文献26致 谢27附录I 电路原理图28附录 程序清单34 46第1章 绪 论舵机（servo motor）,又名伺服电机,主要是由外壳、电路板、马达、减速齿轮和电位器构成。舵机主要适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统,比如人形机器人的手臂和腿, 车模和航模的方向控制。舵机的基本工作原理是发一个控制信号给舵机, 经电路板判断转动方向, 再驱动马达开始转动, 透过减速齿轮将动力传至摆臂, 同时由电位器检测送回讯号, 判断是否已经到达指定位置。早期在模型上使用最多，主要控制模型的舵面，所以俗称舵机。舵机接收一个简单的控制命令就可以自动的转动到一个比较精确的角度，仿人型机器人就是舵机应用的最高境界。随着工业的发展，舵机应用到那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统，目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。1.1 课题背景舵机最早出现在航空模型中，飞机的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。以简单的四通飞机来说，遥控器有四个通道，分别对应四个舵机，而舵机又通过连杆等传动元件带动舵面的转动，从而改变飞机的运动状态。舵机因此得名：控制舵面的伺服电机。不仅在航模飞机中，在其他的模型运动中都可以看到它的应用：船模上用来控制尾舵，车模中用来转向等等。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍，由此可见，凡是需要操作性动作时都可以用舵机来实现，随着舵机的应用越来越广泛，对舵机的精确控制要求也越来越高，因此一个好的舵机控制系统使舵机的控制精确会达到一个新的高度，让舵机达到理想的工作状态。STM32系列32位闪存微控制器基于突破性的ARM Cortex-M3内核，这是一款专为嵌入式应用而开发的内核。STM32系列产品得益于Cortex-M3在架构上进行的多项改进，包括提升性能的同时又提高了代码密度的Thumb-2指令集，大幅度提高的中断响应，而且所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平。STM32F系列产品的目的是为MCU用户提供新的自由度。它提供了一个完整的32位产品系列，在结合了高性能、低功耗和低电压特性的同时保持了高度的集成性能和简易的开发特性.它的优点有以下几个方面：搭载ARM公司最新的、具有先进架构的Cortex-M3内核，出色的实时性能，优越的功效高级的、创新型外设，最大的集成性易于开发，加速了面市时间整个产品系列具有脚到脚、外设和软件的高度兼容性，为您提供最大的灵活性。1.2 课题的研究展望舵机是随着生产发展而产生和发展的，而舵机的发展反过来又促进社会生产力的不断提高。以前，舵机的发展过程是由诞生到在工业上初步应用、各种舵机建立和发展。在进入计算机和自动化时代的今天，不仅对舵机提出了诸多性能良好、运行可靠、单位容量的重量轻、体积小等方面越来越多的要求，而且随着自动控制系统的计算装置的发展，在舵机转动的理论基础上，发展出多种高精度、快响应的控制舵机。与此同时，电力电子学等学科的渗透使舵机这一较为成熟的学科得到新的发展。当前科学技术突飞猛进，因此舵机正向多用途、多品种方向发展，向高精度和高稳定的方向发展。在应用上，由于计算机技术迅速发展，将会出现由机器人工作的无人工厂，以计算机作为这些工厂的“中枢神经”，使实现无人化成为可能。在这种时代里，某些特种舵机必须具有快速响应、高精度运动、快速启动和停止等使机器人比人的手脚更复杂而精巧的运动。理论上，在舵机中应用了控制技术，使舵机具有更好的特性，因此舵机控制系统成为控制一些重要元件的重要的部分。基于STM32的舵机控制系统会越来越多的应用在精度要求高的舵机系统中，舵机的控制将与其他的元件结合，功能越来越强大，使得舵机的作用也会越来越大。 课题任务及要求本次设计的基于STM32的舵机控制系统是以STM32微处理器为核心，在MDK的环境下进行C语言的编程，编写键盘、ADC、显示的子程序，设计键盘中的某个按键，当按下该按键时，通过STM32产生PWM信号，该信号为舵机控制信号，控制多路舵机，实现可通过按键控制舵机的旋转角度和速度等有效准确的控制，并将其状态通过TFT彩色LCD显示，毕设方案:1、 熟悉科研课题的环境及毕业设计的具体要求；2、 阅读主要参考文献，收集有关资料；3、 学习STM32处理器；4、 学习舵机控制的技术资料；5、 学习基于固件库的程序开发方法；6、 掌握MDK编程环境的C语言开发平台；7、 完成论文。1.3 课题内容及安排本文对基于STM32的舵机控制系统设计进行了详细的介绍，共分五章。第1章简要介绍了整个课题的研究背景、目的、意义及整个任务的要求安排；第2章是针对此次课题的任务进行方案论证，尤其重要的对STM32微处理器其32位的处理能力及内嵌的语音对本设计的影响进行详细的阐述；第3章具体介绍了整个控制系统的硬件设计，包括键盘输入模块电路，转接板电路，显示电路的设计；第4章阐述了舵机控制系统的软件设计，包括STM32初始化子程序，数据处理子程序，显示子程序的设计。第5章是针对硬件调试、软件调试和整机连调的结果进行了具体的分析和说明。第2章 硬件设计硬件是整个基于STM32技术的舵机控制系统设计的基础，怎样选择合适的器件来组成整个硬件电路十分关键，也是本章叙述的重点。除此之外，以下部分还会分别阐述本设计运用到的各个模块的特性和原理，以及它们所能实现的功能。2.1 STM32微处理单元本设计的舵机控制系统需要STM32处理器，STM32微处理器完成键盘输入量对舵机的控制，并且通过LCD显示舵机的转动角度，作为舵机的主控制器，实现对舵机稳定和精确的控制。作为微型移动机器人上的主控制器，需要处理的数据和事件比较多，因此需要一款功能强大的处理器STM32这款32位的微处理器正是最佳的选择。下面将着重介绍STM32的强大的功能以及本设计所用到的STM32中的SPI通讯的部分的工作原理。STM32的突出的功能包括以下几点：1性能强劲。在相同的主频下能做处理更多的任务，全力支持劲爆的程序设计。2功耗低。延长了电池的寿命这简直就是便携式设备的命门（如无线网络应用）。3实时性好。采用了很前卫甚至革命性的设计理念，使它能极速地响应中断，而且响应中断所需的周期数是确定的。4代码密度得到很大改善。一方面力挺大型应用程序，另一方面为低成本设计而省吃俭用。5使用更方便。现在从8位/16位处理器转到32位处理器之风刮得越来越猛，更简单的编程模型和更透彻的调试系统，为与时俱进的人们大大减负。6低成本的整体解决方案。让32位系统比和8位/16位的还便宜，低端的CortexM3单片机甚至还卖不到1美元。7遍地开花的优秀开发工具。免费的，便宜的，全能的，要什么有什么。正是基于以上这么多的优点，使得STM32成为本设计中微型移动机器人上的主处理器的最佳选择。下图2.1为STM32的系统结构图图2.1 STM32系统结构图高级控制定时器由一个16位的自动装载计数器组成，它由一个可编程预分频器驱动。它适合多种用途，包含测量输入信号的脉冲宽度(输入捕获)，或者产生输出波形(输出比较，PWM，嵌入死区时间的互补PWM)。使用定时器预分频器和RCC时钟控制预分频器，可以实现脉冲宽度和波形周期从几个微秒到几个毫秒的调节。高级控制(TIM1)和通用(TIMx)定时器是完全独立的，它们不共享任何资源TIM1 定时器的功能包括：116位上，下，上/下自动装载计数器2. 16位可编程预分频器，计数器时钟频率的分频系数为165535之间的任意数值3. 4个独立通道：输入捕获，输出比较，PWM生成(边缘或中间对齐模式)，单脉冲模式输出，死区时间可编程的互补输出4使用外部信号控制定时器和定时器互连的同步电路5 在指定数目的计数器周期之后更新定时器寄存器6刹车输入信号可以将定时器输出信号置于复位状态或者一个已知状态7如下事件发生时产生中断/DMA：（1） 更新：计数器向上溢出/向下溢出，计数器初始化(通过软件或者内部/外部触发)（2） 触发事件(计数器启动，停止，初始化或者由内部/外部触发计数)（3） 输入捕获 输出比较 刹车信号输入高级定时器TIM的框图如下，图2.2 定时器TIM的框图2.2 舵机图2.3 舵机实物图舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。舵机都有外接三根线，分别用棕、红、橙三种颜色进行区分，棕色为接地线，红色为电源正极线，橙色为信号线。电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源电压通常介于46V，一般取5V图2.4 舵机的接线图其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：0.5ms-90度；1.0ms-45度；1.5ms-0度；2.0ms-45度；2.5ms-90度；舵机的转动的角度是通过调节PWM（脉冲宽度调制）信号的占空比来实现的，标准PWM（脉冲宽度调制）信号的周期固定为20ms（50Hz），理论上脉宽分布应在1ms到2ms之间，但是，事实上脉宽可由0.5ms到2.5ms之间，脉宽和舵机的转角0180相对应。有一点值得注意的地方，由于舵机牌子不同，对于同一信号，不同牌子的舵机旋转的角度也会有所不同。控制说明：舵机的响应时间对于控制非常重要，一方面可以通过修改PWM周期获得。另一方面也可以通过机械方式，利用舵机的输出转距余量，将角度进行放大，加快舵机响应速度；2.3 LCD显示器LCD显示器是本课设的主要器件，当键盘的输入量经过STM32微处理器进行数据的处理，由模拟量转换成数据量，传给LCD进行显示数据。LCD模块的连接有两种方法：直接控制和间接控制。直接控制实际指的是LCD模块的总线接口直接与MCU端口连接，然后MCU通过程序控制端口来模拟LCD的总线时序来完成对其的控制操作；而间接控制指的是MCU本身就有外部总线拉出，与LCD的总线接口对应的连接上，程序中直接操作总线以控制LCD。考虑到电路设计的简洁性及灵活性，本系统采用PWM信号点亮LCD的方式，硬件电路图如下，图2.5 PWM信号点亮LCD硬件电路2.4 时钟电路的制作STM32工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍的进行的，这个脉冲是由STM32控制器中的时序电路发出的，STM32的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。为了保证各部件间的同步工作，STM32内部电路就在唯一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。要给单片机提供时序要有相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟电路方式。本系统采用了内部时钟方式，利用STM32内部的振荡器，然后在引脚OSC-IN和OSC-OUT两端跨接晶体，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路，如图2.6所示。图2.6 STM32内部时钟方式电路外接晶振时，C1和C2值选择为27pF， C1，C2对频率有微调作用，晶体振荡频率为12MHz。在实际连接中，为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。第3章 软件设计3.1 STM32固件库简介STM32的函数库是一个固件函数包，它由程序、数据结构和宏组成，包括了微控制器所有外设的性能特征。该函数库还包括每一个外设的驱动描述和应用实例。通过使用本固件函数库，无需深入掌握细节，用户也可以轻松应用每一个外设。因此，使用本固态函数库可以大大减少用户的程序编写时间，进而降低开发成本。每个外设驱动都由一组函数组成，这组函数覆盖了该外设所有功能。每个器件的开发都由一个通用API (application programming interface 应用编程界面)驱动，API对该驱动程序的结构，函数和参数名称都进行了标准化。所有的驱动源代码都符合“Strict ANSI-C”标准（项目于范例文件符合扩充ANSI-C标准）。驱动源代码已经文档化，他们同时兼容MISRA-C 2004标准（根据需要，我们可以提供兼容矩阵）。由于整个固态函数库按照“Strict ANSI-C”标准编写，它不受不同开发环境的影响。仅对话启动文件取决于开发环境。该固态函数库通过校验所有库函数的输入值来实现实时错误检测。该动态校验提高了软件的鲁棒性。实时检测适合于用户应用程序的开发和调试。但这会增加了成本，可以在最终应用程序代码中移去，以优化代码大小和执行速度。因为该固件库是通用的，并且包括了所有外设的功能，所以应用程序代码的大小和执行速度可能不是最优的。对大多数应用程序来说，用户可以直接使用之，对于那些在代码大小和执行速度方面有严格要求的应用程序，该固件库驱动程序可以作为如何设置外设的一份参考资料，根据实际需求对其进行调整。本设计即是利用STM32中的固件库为基础而编写的，直接调用现成的外设驱动函数使得主程序变的更加简洁，可读性比较高。本设计中用到的固件库函数主要有时钟初始化相关的固件库函数、I/O口初始化相关的固件库函数和SPI总线接口相关的固件库函数。3.2 软件的总体设计本设计的程序编辑完成后放在项目的主程序中是在其中的一个时间片执行的，也就是说主程序周期性的采集所输入的模拟值。在本设计中由于要保证程序的连续的运行，所以要持续的对输入量进行采集，也就是说本设计中的各个初始化工作完成之后程序会死循环在通讯子程序里面，从而连续不断的采集控制的模拟值。设计原程序时采用模块化的思想，将程序划分为几块，这样做即使得程序结构清晰、增强可读性，又使得程序在调试的时候可以单独对每个子程序分别调试，减少了程序调试的时间。本设计的源程序主要分为以下几个部分：时钟初始化子程序，GIPO初始化子程序，嵌套向量中断控制器(NVIC)初始化子程序和A/D转换子程序。软件的总体流程图如下图3.1所示。 开始系统时钟初始化GIPO初始化NVIC初始化A/D初始化（DMA模式）PWM信号判断数据改变是否LCD显示图3.1 软件总体流程图 3.3 时钟初始化子程序系统时钟SYSCLK可以选择三种类型的时钟提供：HSE、HIS和PLLCLK，其中HSE为外部高速时钟，可以由外部晶振电路提供，晶振电路分别接到SOC_IN和SOC_OUT即可，而HSI时钟信号由内部8MHz的RC振荡器产生，可直接作为系统时钟或在2分频后作为PLL输入，由于外部时钟源工作稳定而且时钟频率精确，所以本设计采用外部时钟源作为系统的时钟。STM32的系统时钟可以有内部的振荡器提供，也可以由外部的由晶振构成是振荡电路提供时钟，本设计中采用外部振荡电路为STM32提供稳定的时钟脉冲。由于STM32中的包含的大部分外设是在连续的时钟脉冲下才能正常工作，所以STM32中存在一些分频器和倍频器，这些分频器或倍频器将系统时钟进行分频或者倍频用来为相应的外设提供合适的时钟信号，下图3.2为STM32时钟树。 图3.2 STM32时钟树 本设计所需的STM32的外设包括TIM2、TIM3和GPIOA口，所以也要对外设的时钟进行设置。由于在APB1和APB2系统总线外设上，所以要对APB1和APB2总线的时钟频率进行设置。经过APB1与APB2的分频，将SYSCLK转换成可以进行外设及TIMX可以接收的系统时钟。在时钟初始化子程序中先对系统时钟的模式进行选择，即将系统时钟设置为HSE模式（外部时钟模式），然后设置AHB时钟等于系统时钟，且设置了低速或高速AHB，最后使能的时钟，时钟初始化子程序的流程图如下图3.3。开始设置PLL时钟源及倍频系数使能外部高速晶振HSE设置AHB时钟HSE设置成功？是检查指定的RCC标志位设置与否选PLL作为系统的时钟否否是图3.3 时钟初始化流程图3.4 I/O口初始化子程序每个GPI/O端口有两个32位配置寄存器(GPIOx_CRL，GPIOx_CRH)，两个32位数据寄存器(GPIOx_IDR和GPIOx_ODR)，一个32位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)，一个16位复位寄存器(GPIOx_BRR)和一个32位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。每个I/O端口位可以自由编程，然而I/0端口寄存器必须按32位字被访问。GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR寄存器允许对任何GPIO寄存器的读/更改的独立访问；这样，在读和更改访问之间产生IRQ时不会发生危险。当作为输出配置时，写到输出数据寄存器上的值(GPIOx_ODR)输出到相应的I/O引脚。可以以推挽模式或开漏模式(当输出0时，只有N-MOS被打开)使用输出驱动器。输入数据寄存器(GPIOx_IDR)在每个APB2时钟周期捕捉I/O引脚上的数据。本设计使用的STM32的TIM _Channel_1,其接口对应的是STM32上的PA6口。设计中PA6的通讯方式是推挽式输出方式，设置的最高输出速率为50MHz。3.5 PWM信号子程序脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。脉冲宽度调制模式可以产生一个由TIM3_ARR寄存器确定频率、由TIM3_CCRx寄存器确定占空比的信号。在TIM3_CCMRx寄存器中的OCxM位写入110，确定PWM模式1，能够独立地设置OC1输出通道产生一路PWM。通过设置TIM3_CounterMode设置其为向上计数，通过设置TIM3_CCMRx寄存器的OC1_PE位使能相应的预装载寄存器，最后还要设置TIM3_CR1寄存器的ARPE位使能自动重装载的预装载寄存器。 因为仅当发生一个更新事件的时候，预装载寄存器才能被传送到影子寄存器，因此在计数器开始计数之前，必须通过设置TIM3_EGR寄存器中的UG位来初始化所有的寄存器。OCx的极性可以通过软件在TIMx_CCER寄存器中的CCxP位设置，它可以设置为高电平有效或低电平有效。OCx的输出使能通过(TIMx_CCER和TIMx_BDTR寄存器中)CCxE、CCxNE、MOE、OSSI和OSSR位的组合控制。 在PWM模式1下，TIMx_CNT和TIMx_CCRx始终在进行比较，依据计数器的计数方向以确定是否符合TIMx_CCRxTIMx_CNT或者TIMx_CNTTIMx_CCRx。 根据TIMx_CR1寄存器中CMS位的状态，定时器能够产生边沿对齐的PWM信号或中央对齐的PWM信号。 3.6 A/D转换初始化子程序12位ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源，可以把转换分成两组：规则的和注入的。在任意多个通道上以任意顺序进行的一系列转换构成成组转换，各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行，ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。在开始ADC转换和14个时钟周期后，EOC标志被设置，16位ADC数据寄存器包含转换的结果。时序图如下图，图3.4 时序图在ADC初始化设置时，首先开启AHB外设时钟使能寄存器DMA1时钟，定义转换数据量，设置DMA的通道1的初始化，独立地选择通道的采样时间，在通道1设置看门狗，开启ADC1并启动转换，应用连续转换模式，使用DMA模式，接着便开始转换规则通道，完成由模拟量到数据量的转变。其结构图如下，开始开启AHB寄存器设置看门狗设置转换模式开启转换通道开始转换图3.5 ADC转换3.7 LCD显示子程序液晶显示模块的显示器上的显示点与驱动控制芯片中的显示缓存RAM是一一对应的；驱动控制芯片当中共有65（8 Page x 8 bit+1）X 132个位的显示RAM 区。而显示器的显示点阵大小为64X128点，所以实际上在液晶显示模块中有用的显示RAM 区为64 X 128个位；按byte为单位划分，共分为8个Page，每个Page为8行，而每一行为128个位（即128列）。驱动控制芯片的显示RAM区每个byte的数据对应屏上的点的排列方式为：纵向排列，低位在上高位在下。如要点亮LCD屏上的某一个点时，实际上就是对该点所对应的显示RAM区中的某一个位进行置1操作；所以就要确定该点所处的行地址、列地址。从图中可以看出，MzL02-12864液晶显示模组的行地址实际上就是Page的信息，每一个Page应有8行；而列地址则表示该点的横坐标，在屏上为从左到右排列，Page中的一个Byte对应的是一列（8行，即8个点），达128列，根据这样的关系在程序中控制LCD显示屏的显示。图3.6 显示RAM区与显示屏点映射图第4章 系统调试4.1 调试方案 本设计所使用的硬件平台包括STM32、ADC转换器和LCD显示器，将STM32、ADC转换器和LCD显示器共同焊接到PCB板上，所以实际的调试过程中主要是将程序下载到STM32中进行联调。4.1.1 硬件调试方案本设计所使用的硬件平台已经基本搭好，由于STM32的集成度都比较高，所以本设计所用到的元器件比较少，电路的链接也比较简单。STM32与舵机之间只有三条连接线，即舵机的电源线、地线和信号线。硬件部分的调试系统主要是采用逐块调试法。先对整个电路板的STM32处理器进行检测，当确信焊接无误后，安装其它元器件进行调试。第一步：检测LCD显示器是否正常工作。第二步：对ADC转换器进行测试、调试。第三步：对舵机进行测试。当这些工作都完毕后，才能开始整机连调。4.1.2 软件调试方案 软件的调试和硬件的调试都是独立进行的，软件部分包括时钟初始化子程序、ADC转换子程序、PWM信号子程序和LCD显示子程序。软件调试中需要用到的测量信号可以用仿真实验台上的电压信号进行模拟，整个测试过程可以通过keiluvision2仿真软件进行模拟仿真调试。完成程序的设计和硬件的搭接之后要能确保软件调试和硬件调试各自都正确无误，接着再对硬、软件进行联合调试。在调试中继续找出单独调试中无法显现的故障，反复进行改进软件、修改硬件设计的工作，直到所设计的舵机控制系统能够进行正确仿真后，才能进行最后的软件固化与整机的组装工作。4.2 故障调试及解决方法一、软件编写完成后进行软件仿真时，输出的PWM信号出现了周期的错误。原因分析与解决方法：PWM信号是由STM32微处理器的定时器产生，通过更改定时器的初始设置，更改TIM_Period设置了一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值，更改TIM_Prescaler设置来改变TIM时钟频率除数的预分频值，通过设置IM_CCR 寄存器确定占空比的信号，这样就可以得到正确的PWM信号。二、程序仿真正确，将程序下载到STM32处理器中时，LCD显示的数据不稳定。原因分析与解决方法：既然能够显示数据，说明硬件LCD连接是正确的。可知，还是在软件编写时出现了问题，便从LCD显示程序一步步检查，最后发现定义数据的类型出现了错误，改正后，显示出稳定的舵机转动的角度。三、为什么舵机会老发出吱吱的响声？ 原因分析：舵机老发出吱吱的来回定位调整响声，是由于有的舵机无滞环调节功能，控制死区范围调得小，只要输入信号和反馈信号老是波动，它们的差值超出控制死区，舵机就发出信号驱动电机。另没有滞环调节功能，如果舵机齿轮组机械精度差，齿虚位大，带动反馈电位器的旋转步，步范围就已超出控制死区范围，那舵机必将调整不停，吱吱不停。四、舵机为何抖舵？控制死区敏感，输入信号和反馈信号因各种原因波动，差值超出范围，舵臂动，所以抖舵。4.3 联调结果总体来说，软件还是比较容易实现的，但由于不联系硬件，其中的某些错误是看不出来的，所以重要的部分还是软硬件联调。系统软、硬件的联调是一个不断完善的过程，常常需要反复多次修改补充才能调试出一个性能良好的系统。在联调过程中我们经常遇到故障，这时需要对系统进行检查，万用表是使用最多的检查工具。在系统联调时不排除某个元件被烧坏或者不工作。在软件和硬件联合调试后，系统上电后进行实物演示，演示结果证明，该设计基本达到了预期的设计目的，键盘能够控制舵机的角度和速度，并通过LCD显示舵机的角度和速度。但由于本人水平有限，设计的舵机控制系统难免结构有些简单、设计不尽合理，实现起来也不是十分的准确。但能够实现毕业设计课题所要求的功能。软件仿真时产生的PWM信号如图4.1所示；图4.2为舵机转动图；图4.3LCD显示的舵机转动的角度；图4.4基于STM32的舵机控制系统图。图4.1 PWM信号图4.2 舵机的转动图4.3 舵机转角的显示图4.4 基于STM32的舵机控制系统结 论舵机是自动化专业的前沿技术，现代社会，在航空航天、工业生产和平常生活等领域中应用已非常广泛。不仅在航模飞机中，在其他的模型运动中都可以看到它的应用：船模上用来控制尾舵，车模中用来转向等等。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍，由此可见，凡是需要操作性动作时都可以用舵机来实现，随着舵机的应用越来越广泛，对舵机的精确控制要求也越来越高，因此研究舵机的精确控制，不但具有理论意义，而且有较大的实用价值。本文设计的基于STM32的舵机控制系统就是在这种背景基础上设计的。本设计是在各种仪器连接使用的基础上设计而成的，只有充分了解有关STM32微处理器以及各部分之间的关系才能达到要求。整个课题的开发过程主要包括了硬件电路设计和软件程序的编写两个部分，主要任务是开发一个以STM32为核心的舵机控制系统，通过在MDK的环境下编程，由STM32产生PWM信号，可实现键盘对舵机角度和速度的控制，能够通过LCD显示舵机转动的角度和速度。通过整机联调验证了系统的可行性，能满足设计要求，达到了设计的指标。硬件部分是利用STM32体积小、易扩展、集成度高、可靠性高、功耗低、中断处理能力强等特点。软件部分采用模块化设计，这些模块包括主程序、ADC转换子程序、PWM信号子程序和LCD显示子程序。软件调试中需要用到的测量信号可以用仿真实验台上的电压信号进行模拟，整个测试过程可以通过keiluvision2仿真软件进行模拟仿真，进行调试，以确保程序的正确性。通过以上论述可以发现，整个设计的实用性较高，使用的硬件都是比较能够方便取得的，但还是有很多缺陷，如显示的角度不是十分准确以及舵机的转角不精确等问题，希望以后还能有所改进，趋于完美。社会经济效益分析本文所设计的基于STM32的舵机控制系统的系统体积小、功耗低、集成度高，接口电路比较简单等优点，能够较容易的嵌入到其他的控制的系统中。32位处理器STM32处理具有处理速度快、存储容量大、外设接口丰富，能够及时准确的处理采集到的加速度数据，另外MzT24彩色TFT模块功能强大，能够显示多种测量环境的舵机数据。软件采用了语言编写和模块化设计思想，程序可读性强，便于系统的改进和升级，灵活性和适应性强。该测试系统可用于工程技术人员对控制系统的检修，也可用于采购人员对器件的技术性能检测。参考文献1 李宁.基于MDK的STM32的开发应用M. 北京: 北京航空航天大学出版社, 20082 孙雄勇.VISUALC+实用教程M. 北京: 中国铁道出版社, 20043 Joseph Yiu著. 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ARM Software Development Toolkit Version 2.50 User Guide. pdf. 2005 致 谢这次毕业设计是我在大学的学习生活中的最后一课，也是大学四年以来最直接接触本专业知识、实践性最强的一门课。毕业设计对我们每一个同学都是陌生的，虽然我们作为自动化专业的学生已经四年，但是对于这样一门要求知识的整合，和动手能力的课程我们还需要学习很多。所以在实际的设计过程中遇到了不少的麻烦。设计初期对于STM32处理器的理解不深刻，虽然手上有不少的参考资料。但是在自己看过了一些之后还是感觉一无所获。所以当时的设计进度很慢。也曾担心自己是否能完成这次设计。值得高兴的是在设计的过程中我有良好的伙伴和向导。同在实验室的同学们，把很多他们在STM32学习中总结的知识告诉我，让我少走了不少的弯路。另外我的指导老师也给予了我莫大的支持和鼓励。在百忙的工作中抽出了不少的时间给我们开交流会，为大家在毕业设计上指引方