2.门锁_STM32_舵机设备实现

概述

需求来源：

门锁的开启和关闭，就是电机来控制。这里不进行实际门锁机械结构的设计，选择用舵机或者电机转动一定的角度，就代表门锁开启。

舵机开发整体思路：

1. 使用STM32裸机开发舵机，使得舵机可以实现基本的转动功能
2. 封装接口，使得主函数调用一个函数，传入指定角度即可控制舵机旋转
3. 分层硬件与设备，建立一个STM32的硬件控制文件和一个舵机角度算法文件，使得舵机角度控制可以容易的移植到其他的芯片上。
4. 使用封装好的.c .h文件，将功能再FreeRTOS上实现应用编程（在其他博文中，暂未实现）

代码层级关系：

舵机控制裸机实现

1、舵机控制原理

舵机的型号为sg90，它有3根线：黄色为PWM信号线，红色VCC接3.3v，棕色GND

实物图如下：

舵机转动的角度与PWM信号的高电平时间有关，角度范围为0~180°

该舵机的PWM信号要求为50Hz，高电平时间与角度关系如下：

2、配置STM32的PWM输出

使用STM32CubeMx对STM32进行PWM输出的初始化配置。

这里使用的是STM32F103C8T6的TIM3_CH1作为PWM输出端口，对应引脚为PA6。

分频系数PSC配置为72-1

其余的基本配置为：使用外部晶振8MHz，最终输入到定时器的时钟频率为72MHz

3、编写STM32控制PWM文件

3.1 文件及公式

在KEIL中创建两个文件my_pwm.c和my_pwm.h。这两个文件主要实现硬件的控制，向上提供硬件控制的接口。

代码功能总述：

• 对PWM进行一些初始化：MyPWM_Init()
• 将所需频率转换为ARR的值：PWM_FreqToARR()
• 将所需占空比转换为CCR的值：PWM_DutyToCCR()
• PWM硬件控制接口：PWM_Set()

重要计算公式：

• 定时器溢出时间计算公式：

• 占空比计算公式：

 3.2 .h文件代码实现

该.h文件主要去定义一些宏，方便后面移植代码时的参数修改。

//PWM初始化参数
#define __TIM_F 	72000000U //时钟
#define __PSC 		(72-1)    //分频系数
#define __FREQ		1000      //频率
#define __DUTY      50		  //占空比

3.3 .c文件代码实现

3.3.1 MyPWM_Init()

该函数的作用是对PWM进行一些初始化，让PWM输出1000Hz，占空比为50%的信号。

具体函数实现如下：

/*
 * MyPWM_Init:对PWM进行一些初始化1000Hz-50%
*/
void MyPWM_Init(void){
	
	uint32_t PWM_ARR = 0;
	uint32_t PWM_CCR = 0;
	
	//1.开启TIM3_CH1的PWM通道
	HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_1);
	//2.将频率、占空比转为ARR、CCR
	PWM_ARR = PWM_FreqToARR(__TIM_F,__FREQ,__PSC);
	PWM_CCR = PWM_DutyToCCR(__DUTY,PWM_ARR);
	//3.写入ARR、CCR寄存器
	__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim3,PWM_ARR);
	HAL_TIM_GenerateEvent(&htim3,TIM_EVENTSOURCE_UPDATE);
	__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3,TIM_CHANNEL_1,PWM_CCR);
}

3.3.2 PWM_FreqToARR()

该函数的作用是将所需频率转换为ARR的值。根据的公式就是定时器溢出时间计算公式。

具体代码实现如下：

/*
 * PWM_FreqToARR:将所需频率转换为ARR的值
 * param TIM_F:定时器的时钟频率
 * param Freq:所需要的频率
 * param PSC:分频系数
 * @ret  由频率转换的ARR数值
*/
uint32_t PWM_FreqToARR(uint32_t TIM_F,uint32_t Freq,uint32_t PSC){
	
	uint32_t PWM_ARR = 0;
	
	PWM_ARR = (double)TIM_F/((PSC+1)*Freq) - 1 + 0.5;
	
	return PWM_ARR;
}

3.3.3 PWM_DutyToCCR()

该函数的作用是将所需占空比转换为CCR的值，根据的公式就是占空比计算公式。

具体代码实现如下：

/*
 * PWM_DutyToCCR:将所需占空比转换为CCR的值
 * param Duty:所需要的占空比
 * param ARR:定时器的ARR数值
 * @ret  由占空比转换的CCR数值
*/
uint32_t PWM_DutyToCCR(double Duty,uint32_t ARR){
	
	uint32_t PWM_CCR = 0;
	
	PWM_CCR = (double)(ARR+1)*Duty/100 + 0.5;
	
	return PWM_CCR;
}

3.3.4 PWM_Set()

该函数的作用是设置所需PWM输出的频率和占空比参数，这是向上提供的硬件控制接口。

具体函数实现如下：

/*
 *PWM_Set:设置所需PWM输出的频率和占空比参数
 * param Freq:所需要的频率
 * param Duty:所需要的占空比
*/
void PWM_Set(uint32_t Freq,double Duty){
	
	uint32_t PWM_ARR = 0;
	uint32_t PWM_CCR = 0;
	
	//1.将频率、占空比转为ARR、CCR
	PWM_ARR = PWM_FreqToARR(__TIM_F,Freq,__PSC);
	PWM_CCR = PWM_DutyToCCR(Duty,PWM_ARR);
	
	//2.写入ARR、CCR寄存器
	__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim3,PWM_ARR);
	HAL_TIM_GenerateEvent(&htim3,TIM_EVENTSOURCE_UPDATE);
	__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3,TIM_CHANNEL_1,PWM_CCR);
}

4、编写舵机角度算法

4.1 文件

在KEIL中创建两个文件sg90.c和sg90.h。这两个文件主要是实现舵机角度与硬件接口参数的对接。最终再向上提供一个接口，以便应用层代码的使用。

代码功能总述：

• 初始化sg90舵机设备：Sg90_Init()
• 将传入的角度转为占空比：Sg90_AngleToDuty()
• SG90设备控制接口：Sg90_Control()

4.2 .h文件代码实现

该.h文件主要将舵机设备抽象成一个结构体，以及舵机设备一些固定参数的宏定义

//舵机设备
typedef struct{
	
	int angle;
	int speed;
	
}DevSg90,*PDevSg90;
extern DevSg90 Sg90;  //.c定义的全局变量,设备结构体
extern PDevSg90 pSg90;//.c定义的全局变量,设备结构体指针

//舵机参数
#define SG90_PWM_FREQ 50      //工作的PWM频率50Hz-20ms
#define SG90_MAX_HIGH_TIM 2.5 //最大高电平时间,单位ms
#define SG90_MIN_HIGH_TIM 0.5 //最小高电平时间ms
#define SG90_MAX_ANGLE	  180 //最大转动角度
#define SG90_MIN_ANGLE    0   //最小转动角度

4.3 .c文件代码实现

4.3.1 Sg90_Init()

该函数的作用是初始化sg90舵机设备，设置设备初始角度为0度，速度-1代表任意(后续没编写)

具体代码实现如下：

/*
 * Sg90_Init:初始化sg90舵机设备
 * param pDev:sg90设备指针
 * @ret  -1--err  0--success
*/
int Sg90_Init(PDevSg90 pDev){
	
	//1.参数有效性判断
	if(pDev == NULL){
		printf("pDev is NULL \r\n");
		return -1;
	}
	pDev->angle = 0;
	pDev->speed = -1;//-1代表默认
	return 0;
}

4.3.2 Sg90_AngleToDuty()

该函数的作用是将传入的角度转为占空比。

代码设计思路：

根据" 1.舵机控制原理 "章节可以得知，高电平时间与转度的关系是线性的，因此可以使用归一化的方法去实现高电平时间与转度的转换。

因为硬件接口提供的PWM控制只有频率和占空比两个参数，所以还需要将高电平时间转为占空比的值。根据" 1.舵机控制原理 "章节可以得知，该舵机的PWM控制信号是固定的50Hz，因此使用公式"占空比 = 高电平时间/总周期时间"即可进行转换。

具体代码实现如下：

/*
 * Sg90_AngleToDuty:将传入的角度转为占空比
 * param angle: 需要的角度
 * @ret -1--err  other--转换后的占空比
*/
double Sg90_AngleToDuty(double angle){
	
	double percentAngel = 0;
	double highTime = 0;
	double duty = 0;
	
	//1.参数有效性判断
	if(angle > 180 || angle < 0){
			printf("angle err\r\n");
			return -1;
	}
	//2.开始转换
	percentAngel = angle/(SG90_MAX_ANGLE-SG90_MIN_ANGLE);
	//printf("Debug:percentAngel = %lf\r\n",percentAngel);
	highTime = percentAngel*(SG90_MAX_HIGH_TIM - SG90_MIN_HIGH_TIM)+SG90_MIN_HIGH_TIM;
	duty = highTime/((double)1/SG90_PWM_FREQ*1000)*100;//注意单位换算
	return duty;
}

4.3.3 Sg90_Control()

该函数的作用是SG90设备控制接口，这是应用层调用控制舵机的代码。

具体的函数实现如下：

/*
 * Sg90_Control:SG90设备控制接口
 * param angle:所需转动的角度
 * @ret  -1--err  0--success
*/
int Sg90_Control(double angle){
	
	double duty = 0;
	
	//1.参数有效性判断
	if(angle > 180 || angle < 0){
			printf("angle err\r\n");
			return -1;
	}
	//printf("Debug:angle=%lf\r\n",angle);
	//2.计算占空比
	duty = Sg90_AngleToDuty(angle);
	//printf("Debug:duty=%lf\r\n",duty);
	//3.调用硬件代码进行控制
	PWM_Set(SG90_PWM_FREQ,duty);
	return 0;
}

5、整体调试

调试代码如下：

MyPWM_Init();				//初始化PWM硬件
Sg90_Init(pSg90);			//初始化舵机设备
pSg90->angle = 180;			//设置转动角度为180°
Sg90_Control(pSg90->angle); //驱动舵机转动