基于stm32的舵机控制系统设计

本文格式为Word版，下载可任意编辑——基于stm32的舵机控制系统设计

基于STM32的舵机控制系统

院系专业班级学号姓名指导教师负责教师

北方科技学院

自动化B641301B64130116李国军张庆新张庆新

沈阳航空航天大学

2023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。结果说明该系统具有结构简单、工作可靠、精度高等特点.沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）

第1章绪论

舵机（servomotor）,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,譬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确切的角度，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，飞机的飞行神态是通过调理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，对舵机的确切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确切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ARMCortex-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1

沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）

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，卓越的实时性能，优越的功能高级的、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，某些特种舵机必需具有快速响应、高精度运动、快速启动和中止等使机器人比人的手脚更繁杂而精良的运动。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确凿的控制，并2

沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）

将其状态通过TFT彩色LCD显示，毕设方案:

1、2、3、4、5、6、7、

熟悉科研课题的环境及毕业设计的具体要求；阅读主要沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）

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放器

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，中止，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，

6

沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）

图2.2定时器TIM的框图7

沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）

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．电压寻常介于4～6V，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。最终，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，电机中止转动。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0.5ms~2.5ms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；8

沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）

1.5ms0度；2.0ms45度；2.5ms90度；

舵机的转动的角度是通过调理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0°～180°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十分重要，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；

2.3LCD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单性及灵活性，本系统采用PWM信号点亮LCD的方式，硬件电路图如下，9

沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）

图2.5PWM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