新型自动割草机的设计与开发.doc

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1、新型自动割草机的设计与开发控制系统设计学 院：专 业：姓 名：指导老师：工业自动化学院机械电子工程陈仕强学 号：职 称：160404106616曹彦玲工程师中国珠海二二年五月北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计新型自动割草机的设计与开发控制系统设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名： 日期： 年 月 日新型自动割草机的设计与开发控制系统设计摘 要在园林设计和修剪时割草机是必不可少的重要工具，尤其对于园艺工人来说割草机的使用更是家常便饭，然而对

2、于修剪草坪的工作并不是一件轻松容易的活。机器笨重、发动机轰鸣是很多人对割草机的刻板印象。设计一款省时、省力、高效并且低噪音的割草机即是本课题主要目的。新型自动割草机的控制核心系统为基于ARM CortexM3的架构，采用STM32 F1系列为控制芯片，采用四轮四驱的编码器电机实现驱动，同时配合MPU6050陀螺仪芯片实现PID算法控制实现割草机精准运动。操作方式采用遥控Wi-Fi远程控制,其采用NRF24L01芯片通过SPI通信将数据传输至核心控制板。为了实现割草的高度，使用PWM控制两个舵机的角度配合连接杆来完成升降。割草刀片使用直流电机采用往复式的运动方式实现草坪修剪。关键词：割草机；ST

3、M32 F1；编码电机；PID算法；NRF24L01；舵机Design and development of new automatic lawn mowercontrol system designAbstractThe lawnmower is an indispensable and important tool in garden design and mowing. Especially for gardeners, the use of lawnmowers is commonplace, but it is not an easy job for lawn trimming. H

4、eavy machines and roaring engines are stereotypes of lawn mowers. Designing a lawnmower that saves time, effort, efficiency, and low noise is the main purpose of this topic. The control core system of the new automatic lawn mower is based on the ARM Cortex-M3 architecture, using the STM32 F1 series

5、as the control chip, using four-wheel drive encoder motor to achieve the drive.At the same time, it cooperates with MPU6050 chip to realize PID algorithm control to achieve precise motion of lawn mower.The operation mode uses remote control Wi-Fi remote control, which uses the NRF24L01 chip to trans

6、mit data to the core control board through SPI communication. In order to achieve the height of mowing, PWM is used to control the angle of the two servos and the connecting rod to complete the lifting. The mowing blade uses a DC motor to reciprocate the lawn using a reciprocating motion.Keywords: L

7、awn mower；STM32 F1; Coded motor; PID algorithm；NRF24L01；Steering gear 目 录1 绪论11.1本设计的意义及其目的11.2割草机在国内外的发展概况11.3割草机主要技术内容21.4新型自动割草机的主要优势22割草机总体设计方案32.1设计原理及方案32.2割草刀具32.3车身独立悬挂62.4刀具升降结构73元器件选型83.1主控芯片选型83.2无线通讯芯片选型93.3舵机选型103.3.1舵机的应用103.3.2舵机工作原理及选型113.4编码器电机选型123.4.1霍尔编码编码器的原理123.4.2直流减速电机的选型133.

8、5电机驱动144硬件设计及连接164.1通用I/O口引脚分配164.2电机过载电路设计174.3电路布局175开发环境介绍195.1编译环境Keil195.2 STLINK仿真器205.3匿名上位机姿态采集216程序底层配置与系统软件设计226.1 STM32芯片底层配置226.1.1底层代码的意义226.1.2固件库配置过程236.2舵机定时器配置266.3 2.4G无线通信配置286.3.1 SPI通信配置286.3.2 NRF24L01芯片配置316.5 电子陀螺仪MPU6050及IIC配置346.5.1 MPU6050配置流程346.5.2 欧拉角获取356.6 PID算法356.6.

9、1 PID算法的应用356.6.2 离散化PID367总结38参考文献39附 录41附录1 部分程序代码41附录2 英文文献50附录3 英文文献翻译571 绪论1.1本设计的意义及其目的割草机作为生活当中常见的工具，经常在公园、小区、学校等场所进入人们视野。割草机能将过长的草坪修剪成人们需要的高度，以此避免昆虫蛇鼠等动物栖息，以及保持环境美观的功能。割草机的出现极大帮助人们在园林绿化方面减轻了负担，然而一直以来使用的割草机留给人们的都是笨重、噪声大、扬尘、尾气味浓等印象。由于割草机自问世以来由于需求少、技术含量低、利润也不高所以很少得到人们的关注。因其目标人群小众，生产制造商很少投入研究改善传

10、统割草机。在市场上很难看见一款轻便、高效、低噪音的割草机，因此本课题就割草机升级迭代进行研究。新型自动割草机的设计与开发的目的为改良升级传统燃油发动机式割草机，致力于解决传统割草机存在的诟病，提升操作人员的使用感和方便性。将理发器的工作原理融入至割草机中，使用电能电机替代燃油发动机的方式再融入现代智能设备和人性化的设计，可以减少刀片磨损和对草地的伤害同时降低了工作时的扬尘。摈弃燃油发动机的使用可以大大减轻割草机机身的重量，同时没有了尾气对环境污染的困扰，另外噪音扰民的问题也得到了有效解决。一直以来都很少有人对园艺工人使用的工作器械进行重视，希望在将此项割草机设计生产出来能得到更多人的青睐和体验

11、。非常适合在学校、公园、图书馆、小区、院子等需要安静作业的场所使用，以及地势不规整的区域使用。1.2割草机在国内外的发展概况最早的割草机出现时间在1805年，最初的割草机是一些简单的手动工具，随着内燃机的普及应用，英国工程师伦敦恩斯于1902年设计出的滚筒式割草机是世界第一台以内燃发动机作为动力的割草机，现在的很多割草机依旧采用该原理。在20世纪50年代后随着自动化农机的迅速发展，割草机发展也随之迅速崛起；在70年代之后，欧美等国家经济水平迅速提升，越来越多小型割草机进入欧美家庭成为必不可少的工具；在90年代后欧美国家的技术能力提升，农作物的机械化种植越来越普遍，割草机也作为农机的一种，在此时

12、技术水平也得到提升，种类和品牌也变得繁多。我国的草坪机械设备起步较晚，直至70年代改革发放后才缓慢发展，到90年代后期中国市场受到西方资本的青睐开始对华投资建厂，因此开始着手割草机的设计加工，由此也开辟了的国内的市场，割草机的需求被逐渐开拓出来。目前中国生产制造的割草机已出口世界各地，家庭消费级割草机占全球总销售量的30%以上。1.3割草机主要技术内容(1) 解决能源问题，使用锂电池为储电能源。采用的锂电池容量大小会影响整车的重量和空间占用而电源的电压和放电倍率会直接影响到稳压和电机的选型；(2) 割草机具备四轮独立悬挂结构以应对复杂不规整的工作环境，同时具备调节割草高度的功能；(3) 整车需

13、要使用的传感器、通信设备和电机的数量会提升对I/O引脚的需求也会对芯片具体型号有所影响，因此需根据实际需求对主控芯片进行合理选型和配置；(4) 割草机使用Wi-Fi通讯技术进行远程遥控操作，所采用的通讯芯片应达到需求的传输距离。在传输过程中保证数据传送的顺利，在数据丢失时应采取及时的响应；(5) 割草机使用了四个电机独立驱动，通过对轮子之间的差速来实现车子不同程度的转弯，另外需要对于准确的直行后退需进行闭环控制达到误差的补偿得以实现更精确的控制；(6) 选用合适的刀片刀具配合相应运动方式，达到高效切割青草的目的同时搭配合适的护具来避免操作者和他人受到伤害。1.4新型自动割草机的主要优势新型割草

14、机通过遥控摇杆来控制其运动路径，可遥控距离180-240米（空旷地带），减轻操作人员的工作压力和负担。选择最优的刀具和工作方式实现高效整齐地将草地修剪成需要的高度，同时刀片具备可调整高度功能，提供用户个性化需求。电机具备过载保护电路，遇到坚硬的物体会自动停止工作，能有效避免刀具损坏或者人员伤害。割草机以应对不同场合下的需求，所设计的机械结构需具备能适合不同地形行驶和工作，因此四轮独立悬挂显得必不可少。机械结构差异、内部误差、地势不规整会造成割草机前进方向不能按照理想状态，所以使用霍尔编码器采集电机数据配合电子陀螺仪MPU6050芯片获取车身姿态信息融入PID算法，实现PID双闭环控制系统以完成

15、割草机车身校准。2割草机总体设计方案2.1设计原理及方案车身采用双层承重架设计的方案，两层板均使用3mm厚度的铝合金材料，车架通过定制切割、打孔及折弯等工序完成。顶层为支撑板用于支撑独立悬挂的轮子以及舵机所承载的刀片，同时支撑板顶层还用于放置PCB电路板、驱动电路及通信天线。底层为承重板用于放置电池及电机，承重板在板宽边缘有10mm的90度弯折，目的是是为了防止底板受力弯曲变形。两层板之间使用10根M4铜柱固定。车身总长386mm，宽325mm，高199mm承重板距离地面129mm。整体车身结构如图2.1所示。图2.1 整体车身结构2.2割草刀具割草机刀片在市场上用于割草的方式常见形式有以下几

16、种；（1）圆盘式刀片如图2.2所示，采用一整块圆形刀片圆周附有锯齿通过电机旋转实现割草效果，也是比较传统和常见的割草方式。其优点是旋转后的线速度大可以切割枝干或粗壮的杂草，而缺点是圆盘式割草机占用空间较大容易，质量重旋转惯性大在操作人员操控不当具有发生意外的可能；图2.3甩绳式转盘图2.2圆盘式刀片（2）甩绳式转盘如图2.3所示，通常采用两根或四根打草绳固定转盘上旋转将草割断，其优点是，能有效避免了操作不当带来的伤害同时打草绳韧性较好，避免刚性冲击延长了使用寿命，缺点则是仅能对草地进行快捷的打理很难根据需求将草坪修成统一高度；图2.4甩刀式刀片（3）甩刀式刀片如图2.4所示，使用在很多手推式的

17、割草机上也是日常身后中最常见的一种割草方式，其优点还是结构简单能将草坪修修剪的整齐平整，缺点是甩刀式刀片容易磕碰的到坚硬物体而损坏刀片；图2.5六叶刀转盘（4）六叶刀转盘如图2.5所示，是圆盘式刀片的衍生版由六个刀片衔接在转盘上衔接处为活动轴，其优点是刀片在旋转的过程中碰到坚硬的物体会回弹收缩，缺点则是遇到枝干较硬的杂草很难完成切割，并且对于一些草地不能有效的完成切断。图2.6 往复式刀片示意图而本次设计课题所采用的刀片类型为往复式刀片如图2.6所示，类似于理发刀的机械结构，通过电机带动齿轮做偏心轮运动带动上层刀片做往复式运动，待修剪草进入到刀缝间即可将其割断。相较于以上刀片其具备更节省空间、

18、修剪平整、不容易磕碰以及对操作者更加安全的优点，但缺点是相等的割草范围面积下其刀片质量较重。2.3车身独立悬挂割草机采用四驱独立悬挂结构（如图2.7所示），独立悬挂支架固定于底板之下通过使用两个M4法兰轴与电机支架连接实现旋转副的功能，电机固定于电机支架上，电机则使用M6联轴器与轮子相连接，轮子采用82mm直径的防滑橡胶材质，宽度为35mm有足够的抓地力，保证在陡坡或者打滑的地面行驶。在电机支架与顶板之间配备两个减震弹簧支撑，实现小车吸能减震的功能，适应在复杂多变的草地平稳行驶，也使得草地能修剪的整齐一致。图2.7 车身独立悬挂示意图2.4刀具升降结构图2.8 刀具升降结构为了实现能调整刀具高

19、度以达到割草机能切割不同高度的草坪，因此使用双舵机和活动连接杆来实现刀具升降，连接杆拉着滑块在固定的两根导杆上滑动即可实现平行移动的过程，同时固定在滑块上的还有刀具支架、刀具以及电机，因此该升降机构可实现刀具电机整体性的平行上移，刀具升降结构如图2.8所示。3元器件选型3.1主控芯片选型根据课题功能需求和预期功能因此采用STM32 Cortex-M3系列芯片作为割草机的主控芯片，STM32芯片由瑞士的意法半导体所设计，作为行业内知名芯片厂商，主要经营范围为片上系统SoC产品、无线处理器、微控制器（MCU）、存储设备、功率晶体管等众多产品。其众多产品中被人们熟悉的产品非微控制器STM32系列的控

20、制器产品不可，因STM32性能优越、价格低廉及受广泛的电子硬件类人士及学生的追捧和喜爱，STM32在中国的相关论坛众多而且用户活跃讨论热度高，对于资源和项目共享程度高。对于一些商品级产品都采用了STM32的芯片，如报警器、扫地机器人、计算器、家用电器等生活中常见电子设备。STM32芯片基于ARM架构设计开发外设、存取器及I/O等集一体的芯片，在十年前ARM7、ARM9这类的芯片风靡电子圈，当时的许多电子产品及设备都采用ARM7芯片作为核心控制板，例如当时红透半边天的诺基亚手机的部分机型就采用了该款芯片。而现在开发的STM32芯片性能比ARM7更强大更易操作。图3.1 内核性能比较STM32 C

21、ortex-M3系列芯片采用了ARMv7-M架构（哈佛架构），其优点为能将指令和数据的总线分开来，这样一来就不会出现瓶颈，STM32 Cortex-M3为Thumb-2指令集可以实现32位操作同时也可以混用16位的操作，省去了状态的切换。STM32具备更低功耗支持内置睡眠功能为可穿戴设备提供了更多可能，优异的性能为中小型项目提供了有利的支撑，相较于16位芯片及ARM7芯片等芯片有突出的表现（如图3.1所示）。图3.2 STM32F103RCT芯片示意图在明确了课题任务的需求，经过统计需要使用到45个通用I/0引脚，以及一个SPI接口一个IIC接口、两个通用定时器，一个高级定时器以及预留一些端口

22、作为外设，因此为达成有足够使用的引脚和外设又要保证性能足够满足以及不浪费空闲的性能所以选择使用了STM32F103RCT6芯片（如3.2示意图）作为核心控制处理器，选用LQFP64封装形式，具备64个引脚，其中51个通用I/O口，CPU频率可达到72MHz，配备有256KB的FLASH闪存以及48KB SRAM的存储器。其外设具备了两个IIC接口、三个SPI接口、四个通用定时器及两个高级定时器，因此足以满足割草机的使用需求，同时多余的接口可以预留给之后需要升级迭代另外加装的传感器设备。3.2无线通讯芯片选型本课题采用成都集芯微电子公司的射频产品2.4G无线数字传输模块采用AS01-ML01DP

23、5产品型号，其方案基于nRF24L01P芯片开发，该芯片工作频段为2.4G,为全球共享的ISM频段，为用户提供免许可权。拥有的可选频率通道达126个，即通道2400MHz至通道2525MHz满足多点通信和调频通信的需要。2.4G无线通信速度最快为2Mbps，同时采用效果更佳的GFSK调制方案，数据速度传输快、在空中停留时间短暂因此抗干扰能力强。在最大功率20dBm的情况下可以在空旷的场地传输距离最远到2200m，割草机的操控范围需要在操作人员肉眼所见处移动，为此传输距离需在100m之内，而该款nRF24L01P芯片传输距离满足实际需求已绰绰有余。nRF24L01P芯片产品特性详情数据如表3.1

24、所示。表3.1 nRF24L01P芯片产品特性详情参数名称参数数值备注传输速率250kbps2Mbps三级可调速率（250Kbps、1Mbps、2Mbps）频段调制方式GFSK、FSK接收电流小于15mA在传输速率2Mbps情况下发射电流小于12mA（0dBm)在传输速率2Mbps情况下接收灵敏度小于-83dBm 在传输速率2Mbps情况下光断电流1.08uA将nRF24L01P设置为掉电模式，CE为低电平通讯形式SPI通信启动时间小于130uS待机功耗小于15uA关断功耗小于0.7uA芯片电压范围1.8-3.6V以3.3V为最佳数字 IO 电压3.3V、5V晶振频率16MHz60ppm低成本

25、晶振3.3舵机选型3.3.1舵机的应用舵机是一种可实现位置的伺服驱动器，广泛应用在需要维持恒定位置的场合中，它并不是普通的电机实际上它是一个伺服电机。目前，在许多操控性模型被广泛应用，如汽模、航模和赛艇模型以及娱乐型的机器人关节。在这些控制操作系统中，模型的控制效果取决于舵机的性能。舵机作为一个被封装好的执行器在端口与微控制器相连，可以被很容易被微控制器系统控制。3.3.2舵机工作原理及选型舵机的信号调制芯片通过数据线接收来自微控制的脉冲调整旋转的角。舵机内部会产生20毫秒的周期信号作为舵机执行的参考，捕获到脉冲信号与参考信号电压进行对比，以此产生电压差输出，之后输出的电压差由舵机里自带的电机

26、驱动芯片来改变舵机的正顺时针转还是逆时针旋转。恒定和电机转速会通过串级减速齿轮进行减速并增大扭矩实现舵机四两拨千斤的效果，在电压差达到0时电机便会停止转动在收到下一条命令时会一直保持现有角度。控制舵机时需要产生一段20毫秒左右的周期信号，该脉冲的高电平时间需要持续0.5ms2.5ms，通过高电平等分以及参考舵机规格来达到所需旋转角。大多数舵机设计为1024个位置等级，假设舵机角度控制范围是180度，那么就可以计算出其每个位置等级角度约为0.18度（180/10240.18），则时间上的脉宽控制精度时间约为2us（2000/1024us2us）。图3.3 舵机示意图根据本次升降台的需求和结构设计

27、应选用180数字舵机，因此选用JX6621系列数字舵机（如图3.3所示），规格尺寸为40.5*20.2*38mm，死区时间为4s。其齿轮为高强度金属齿轮，输入电压为6V，电流不应低于1A否则容易出现堵转现象，单个舵机输出扭矩达20Kgcm，由于减速器的原因转动速度并不是很快，齿轮空载转动速度为0.21sec/60，由于升降台对速度的响应并没有要求所有该速度以满足使用需求。3.4编码器电机选型3.4.1霍尔编码编码器的原理编码器作为旋转传感器可以通过电子数字信号脉冲来获取电机当前的角速度或角位移，电机的速度或位移信息通过编码器测量来获取其详细运动数据。根据编码器不同的输出数据可划分为增量型和绝对

28、型。而根据编码器不同检测方式可划分为光电型、电容型、感应型及磁型等。通常使用的编码器基本都是光电编码器(光学型)和霍尔编码器 (磁型)，两种传感器处理数据方式基本相同，不过霍尔传感器抗干扰性强受外界环境影响小，因此本次课题选用霍尔传感器作为电机数据采集工具。其传感器工作原理是通过磁转换成电并将输出轴的机械几何位移转换为数字信号或者脉冲。霍尔编码器元件包含霍尔码盘和霍尔组件。其组件通常将恒定相位差方波信号输出为两组，以检测多个脉冲信号并确定转向。传感器的码盘在圆板上以一定距离布局着不同磁性的磁极，传感器码盘与电动机同轴转动，因此就能获取到电机的转动方向和速度。 在电机旋转时编码器会采集到一系列的

29、标准方波信号，因此可以使用微控制器对标准方波直接读取。软件通过两种方式处理硬件计数，直接计数使用带有编码器接口的微控制器。没有编码器接口的微控制器，则可以通过外部中断计数的方式读取。例如，编码器A相触发了微控制器的外部中断，接着在相对应的外部中断函数内通过判断B相电位就可以确定电机运动方向是正转还是反转。在A相出现电位的改变，此时B相电位为高，则被视为正旋转，反之电位为低即被视为反转。编码器电机如图3.4所示。图3.4 霍尔传感器直流减速电机3.4.2直流减速电机的选型表3.2 JGB37-520系列选型表在割草机车身上需要用到4个带霍尔传感器直流减速的电机作为车子四轮动力输出，需要一个到有A

30、B相位的高速直流电机用于割草机刀片的切割。本次项目采用的直流减速电机均为深圳市驰名电机所生产的JGB37-520系列和25GA370系列，皆使用12V直流电源款。根据JGB37-520系列选型表(如表3.2所示)，选用减速比为56：1的电机，其额定转矩为6.5Kg/cm，额定转速为140rmp，由于我们的割草机所采用的轮子直径为82mm使用由公式3.1得，小车额定速度约为60cm/s，根据式3.2公式其整车驱动力约为62N/cm。根据25GA370系列电机选型表（如表3.3所示），选用转速为280rpm，转矩为3Kgcm以满足刀片的正常工作小车额定转速=电机额定转速*轮子直径*时间 （公式3.

31、1）驱动力=额定扭矩轮子半径*轮子数 （公式3.2）表3.3 25GA370系列电机选型表3.5电机驱动图3.5 TB6612FNG芯片由于微控制器属于精密仪器使用低电压运行，其IO口的带负载能力弱，至多仅可以支持输入输出5V的电压，而直流电机属于大电流负载，所以单凭微控制器无法直接驱动电机，所以需要使用到功率放大器件。为此使用了东芝半导体公司所开发生产的TB6612FNG芯片（如图3.5所示），其集成电路拥有大电流MOSFET的H桥，其性能超过采用晶体管的H桥驱动器，能同时驱动两个电动机的双通道电路输出。由于需要使用四个直流减速电机，因此需要两块TB6612FNG。TB6612FNG的主要针

32、脚有AINl、AIN2、BIN1、BIN2、PWMA、PWMB这六个接口的功能都是控制信号的输入端。引脚AO1、A02，B01、B02四个通道是双向电动机控制输出端。STBY是正常操作与待机模式控制针脚。VM为电机驱动输入电压范围为4.5V15V,VCC为逻辑输入口电压，输入电压范围为2.7V5.5V。可在-2085的温度下工作，封装规格采用了SSOP24小型贴片。TB6612FNG的特点是可以直接驱动电机并且体积小节省占用空间。早期的使用的L293D芯片，其端口驱动电流仅支持最高600 mA的且脉冲峰值电流最高1.2 A相比，TB6612FNG拥有两倍的输出负载容量的能力，其端口的最大输出电

33、流高达1.2 A，最大脉冲达2A以及最大3.2 A的启动峰值，。与L298N驱动的散热装置和外部二极管相比，TB6612FNG芯片不需要使用散热片同时整体电路简单体积小，仅需在外部电源接滤波电容。微控制器通过脉冲的波形占空比来形成PWM信号，电机的速度控制取决于驱动输出的电压的大小驱，动器输出电压的平均值取则决于PWM波的占空比大小。TB6612FNG的PWM调制方式采用单极性和固定频率的方式，以确保电机调速稳定。控制端口输入不同电平会有不同的工作模式， A通道与B通道的控制逻辑一致。TB6612FNG运行时，STBY端口处于高电位；IN1和IN2保持原状态，再改变PWM端口的输入信号，那么减

34、速电机执行控制单方向的速度；将PWM端口设置为高电位并对IN1和IN2的输入信号进行调整，那么减速电机可以执行正向、反向和速度控制。TB6612FNG的逻辑真值表见表3.4所示。表3.4 TB6612FNG逻辑真值表TB6612FNG逻辑真值表输入输出IN1IN2PWMSTBYO1O2电机模式HHH/LHLL制动LHHHLH反向LHLHLL制动HLHHHL正向HLLHLL制动LLHHOFF停止H/LH/LH/LLOFF待机4硬件设计及连接4.1通用I/O口引脚分配割草机所需外设引脚共累计需要46个引脚，以及多对的VCC与GND电源，割草机核心控制板需要使用一块nRF2401P芯片、两个I/O控

35、制的LED、一个电源指示灯、三个触发按键、一个复位按键、一个JTAG调试接口、一个MPU6050电子陀螺仪、一个高速时钟、一个低速时钟、两个舵机接口、四个霍尔编码器直流减速电机、一个直流减速电机、一个ISP下载串口，对于遥控板另外有YG摇杆接口，而遥控板并不需要MPU6050电子陀螺仪、舵机、霍尔编码器直流减速电机、以及直流减速电机，核心板板和控制板的STM32F103RCT6芯片I/O口与外设对应引脚表如表4.1所示。表4. 1 STM32F103RCT6芯片I/O口与外设对应引脚表STM32F103RCT6芯片I/O口与外设对应引脚表外设名称STM32引脚外设引脚外设名称STM32引脚外设

36、引脚nRF2401P芯片对应接口PA4NRF CE舵机PC6PA5SPI1 SCKPC7PA6SPI1 MISO编码电机AB相输出端PA15AO1PA7SPI2 MISIPB3AO2PC4NRF CSPA11BO1PC5NRF IRQPA12BO2LEDPA8LED0PB6CO1PD2LED1PB7CO2按键PC1KEY0PA1DO1PC13KEY1PA3DO2PA0WK_UP编码电机霍尔传感器数据采集接口PC2AIN1JTAG调试接口PA14JTDIPC3AIN2PA15JTCKPB12BIN1PB3JTDOPB13BIN2PB4JTRSTPB0CIN1MPU6050电子陀螺仪PB10SCL

37、PC8CIN2PB11SDAPB1DIN1PB15INTPC0DIN2低速时钟PC14OSC IN1ISP下载串口PA9RX1PC15OSC OUT1PA10TX1高速时钟PD0OSC IN2减速电机PC9PD1OSC OUT2复位电路RESETYG摇杆PB5PB64.2电机过载电路设计图4. 2 电机过载电路图割草机在割草的过程中刀片难免会磕碰到坚硬的岩石、水泥及木头等物品，因此在工作的工程中需要添加过载保护电路（如图4.1所示）作为安全保险，但电机出现堵转、过载或者高温时就会自行熔断触发断路保护刀片和人身安全。电机由于使用12V电压而stm32的I/O口无法提供高强度电压和电流，因此需要使

38、用继电器来控制电机的运动，微控制器通过端口输出高电平使得放大电路将5V电压的信号传输给光电耦合器，光电耦合器可以起到光电隔离的作用减少外界干扰，导通后的继电器通过线圈吸附常开开关使得电机开始运作。同时VCC12的电源需要与VCC5的电源共地才能形成完成的电路。4.3电路布局根据需求的功能和I/O口引脚对应的外设端口，割草机的主控板及遥控板皆可完成原理图绘制、线路排布和PCB绘制。我们使用Altium Designer软件进行电路的原理图绘，选择需求的电子元件、修改数值及完成布线，之后再对其电路正确性进行检查，最后生成主控板原理图（如图4.3所示）。在绘制PCB电路前需要先对其各个电子元器件的封

39、装有所掌握，可以参照电子商城上所提供的规格和自己任务需求选择封装型号获取数据，之后进行布局和布线，合理的电路布置对信号传递快不会产生干扰，合理的对顶板和底板进行走线并善用过孔技能，最后对电路的走线进行优化并对PCB实行覆铜的操作，最后完成PCB板的绘制可送至PCB加工工场进行PCB打样（如4.4所示）。图4. 3 遥控板PCB图图 4.3 割草机主板原理图5开发环境介绍5.1编译环境KeilKeil软件是由许多微控制器应用程序开发的优秀软件之一，该应用程序功能包括程序编辑、程序编译、程序模拟、程序集支持、C语言编程和汇编语言，并且界面友好又易于学习。Keil在1982年成立于德国，现已被美国的

40、ARM公司收购，最初的业务来源于销售给美国硅谷的公司，提供开发产品工具，Keil实现了第一个为单片机8051微控制器设计的C语言编译器即微控制器体系结构的集成开发环境(IDE)其开发环境被众多微控制器开发工程师选用。Keil Vision5（如图5.1所示）是一个经典且强大的集成开发环境在硬件开发的业界知名度高、声誉好。拥有着卓越的界面管理系统，提供多个可视化窗口可根据用户需求布置，可直观的显示数据。因此用户可以根据个性化需求利用界面空间，管理多个窗口位置的摆放，简明快捷的界面为用户提供了高效的环境。同时支持市面上大部分的ARM芯片，具备完善的功能。图 4.1 Keil Vision5图示其中

41、Keil MDK（如图5.2所示）适用于基于ARM7、ARM9、Cortex等内核处理器的开发环境，在Keil MDK开发的ARM系列的芯片时采用C语言进行程序编写，C语言相比于以往的汇编语言具有出色的结构、丰富的功能、可读性更好以及维护更加便利，因此被广大用户接纳。Keil MDK提供了丰富的开发方案，例如C语言编译器、链接器、程序库管理、宏汇编器以及程序模拟调试器，将这些部分合并到单个集成开发环境之中。图5.2 Keil MDK操作界面5.2 STLINK仿真器Keil公司的Vision调试器（如图5.3所示）准确模拟了微控制器片上外设如IIC通信、UART通信、中断、定时、SPI通信、A

42、/D转换器、PWM脉冲、CAN通信、D/A转换器和I/O端口等功能设备。该功能的调试有助于硬件配置过程，减少花在硬件故障和程序问题上的时间。此外，测试应用程序可以与模拟一起，在写入目标硬件之前使用。ISDARM系统内的调试器需要使用STLINK、JTAG、ULINK这类的仿真器才能烧录和调试系统程序代码。图 5.3 STSTLINK仿真器5.3匿名上位机姿态采集在使用MPU6050电子陀螺仪时需要测试程序其功能达到预期的效果，因此需要上位机进行数据图标分析，才能判断编译的程序是否出现BUG，为此选用匿名上位机软件。该软件可以通过微控制器使用UART接口将mpu6050获取的加速度和陀螺仪数据上

43、传至电脑PC端进行波形绘制和显示。匿名上位机最主要的功能就是波形显示，对于PID调试和数据分析十分有利。在主界面的左侧的顶部带有功能按钮的功能选择栏，里面可以更改自己需要调教的设置，左边一列部分显示波形名称、颜色以及数值，可根据需求选择性勾选，界面的底部是波形清除按钮，用于清除之前的历史数据。功能区与波形区间有一条蓝色竖线，在单击此线后会隐藏并显示功能区。主界面最大面积显示的是波形显示区，波形的横坐标为数据帧数大小， X轴都会随着时间增加而增大。波形的纵坐标单位是数值大小，波形数据Y值的基准单位数值大小会随着最小值和最大值进行自动的缩放。匿名上位机（如图5.4所示）可以配置20条波形的数据源，

44、每条数据拥有不同的颜色，其功能绘制各个波形的所有数据点。本次所需要显示车身的数据有X轴、Y轴、Z轴的加速度和陀螺仪项，为此需要勾选上ACC_X、ACC_Y、ACC_Z、GYR_X、GYR_Y、GYR_Z这六项。在设置内打开“显示所有数据”功能这一项时，当一页需要显示的数据太多时，上位机会自动隐藏一些数据点但并不会影响数据直接观察，只有当每页的X轴点数太大时才会加载该功能。例如，电脑的显示器的水平分辨率为1080P，但一页上的x轴被设置为1600点时就会出现一定有一些数据点无法绘制。若未打开此功能，隐藏点则可以忽略，波形绘制的速度可以大大加快也便于直观观察数据。图 5.4 匿名上位机示意图6程序

45、底层配置与系统软件设计6.1 STM32芯片底层配置6.1.1底层代码的意义建立在STM32芯片的开发必须要对其底层进行合理的配置，否则无法进行之后的代码编写，STM官方提供了基于寄存器的底层代码和基于固件库的底层代码，可以依照官方的配置内容进行相应的配置，固件库的操作更加灵活和简单因此本次的代码选用了基于固件库的底层代码。操作库函数的目的在底层代码里操作寄存器，官方提供的库函数头文件就已编写好了寄存器的定义。反之由于寄存器没有引入库函数的相关定义，所以并不可以在寄存器底层代码调用库函数。将底层的代码配置好之后在开发过程中方信手拈来，游刃有余。倘若使用寄存器进行程序编写，在察觉到底层代码配置有

46、问题就需要查阅大量资料和数据手册才能找到BUG，因为调试代码底层只能通过查看寄存器相关配置,STM32底层固件库整体配置结果如图6.1图6.1 STM32底层固件库架构图所示。6.1.2固件库配置过程在新建工程之后还必须添加启动代码此外，以C语言文件为例，在添加了启动代码会运行堆栈的初始化以及定义出现异常问题的入口地址的向量表，不过最主要的目的还是实现main函数调用。由于不同STM32芯片的容量大小有所差异，因此ST公司提供了startup_stm32f10x_ld.s、startup_stm32f10x_md.s以及startup_stm32f10x_hd.s 三种不同的启动文件给用户，其中ld.s适合低容量的芯片；md.s适合中等容量芯片，hd.s适合大容量芯片；而我们所使用的STM32F103RCT6内存为256KB属于大容量的