嵌入式项目：STM32平衡车详解 (基础知识篇) (基于STM32F103C8T6)

1.1输出模式

1.1.1推挽输出

如图推挽输出内部结构，PMOS管和NMOS管同一时间只有一个管子会导通

当PMOS管导通，此时输出一个高电平(VCC)，称之为推

同理，当NMOS管导通，此时输出一个低电平(接地)，称之为挽

1.1.2开漏输出

如图为开漏输出，与推挽输出相比，开漏少了一个PMOS管

当NMOS导通时，此时输出一个低电平(接地)

当NMOS断开时，此时电路为高阻态的状态(此时两个MOS管都为截断状态，可被视为电阻无穷大)

开漏输出不具有高电平的输出能力，所以我们外接一个上拉电阻(下面会讲)

使电路具备输出高电平的能力

1.1.3复用推挽和开漏输出

当我们使用高频芯片内部外设时(每秒钟电平变化上万次)

像 PWM、I2C、USART 等

使用复用功能会极大方便我们的编程

1.2电阻

1.2.1 上拉电阻

作用：将电路电平提升至一个高电平的状态(可将不确定电平拉为高电平)

1.2.2下拉电阻

作用：默认状态让电路为低电平，输入高电平时也可以让电路呈高电平状态

1.3IIC通信协议(I2C)

1.3.1总线的概念

非总线通信一般有：串口通信等

总线通信一般有：I2C通信等

总线优点：可以很轻松的增加与芯片通信的通信模块数量

1.3.2 IIC通信规则

这里我们着重介绍I2C (IIC - Inter - Integrated Circuit 内部集成电路)

SCL:传输时钟信号

SDA:传输数据信号

通信规则：

1.所有设备SCL/SDA引脚必须连接到主线SCL/SDA线上

2.同一时间只允许一个设备向外发送数据

3.仅主机主动产生SCL信号控制波特率（通信速度）

4.仅主机主动发起数据传输，从机无控制权（主机主动发送数据或接收数据）

5.传输方向：主机->从机，从机->主机，不存在从机->从机

1.3.3IIC通信数据的发送和接收

从机地址最后一个比特位(x)表示数据通信方向：

x=0：主机发数据给从机

x=1：主机从从机读取数据

1.4欧拉角

欧拉角：以运动物体建立坐标系，通过绕轴旋转来表示运动物体当前的姿态

Yaw -偏航角：表示飞机绕Z轴旋转的角度，决定了飞机在水平方向上的朝向（决定飞机航行向）

Roll-翻滚角：表示飞机绕X轴旋转的角度

Pitch -俯仰角：表示飞机绕Y轴旋转的角度

一般我们可以通过加速度计和陀螺仪测量欧拉角

1.5H桥驱动电路

1.5.1基本电路图

Q1和Q3称为上桥

Q2和Q4称为下桥

单片机的4个IO口分别控制H桥的四个MOS(Qx)管，就可以实现电机的正反转、调速、刹车

(M为电机)

1.5.2正反转

打开Q1和Q4(假设此情况为正转)

电流方向Q1->M->Q4(如图所示)

打开Q3和Q2(那么此情况为反转)

1.5.3调速

单片机的PWM的输入可以给到上桥也可以给到下桥

调节PWM的占空比，占空比越大，电机转速越大，占空比越小电机转速越小

占空比即PWM在一个周期中高电平的时间与单位周期的比值

1.5.4死区

这里不过多解释，本质就是，单边上下桥不能同时导通(例如Q1和Q2不能同时导通)

否则会烧坏模块(即电源和GND短接)

1.5.5刹车

刹车基本原理：电机正负极相接

在H桥中我们可以同时打开两个上桥或两个下桥，实现刹车

1.6USART串口通信

1.6.1基本原理

在单片机中我们常用Tx表示发送端，Rx表示接收端，USART串口通信将Tx和Rx用导线相接

1.6.2波形原理

发送和接收的每条数据都有一条方形波

一条数据包括一个起始位和一个停止位

起始位永远是低电平，停止位永远是高电平

高电平发送二进制1

低电平发送二进制0

1-8为位代表数据位，为二进制，按十进制数值来算，最大可发送数字128，这个数字对应ASCII表

并且是倒过来读数

此图数据为01000001，对应ASCII码值为'A'

注意两个设备实现USART串口通信必须波特率相同

2.点亮LED

2.1模块原理图

2.2工程

2.2.1配置外部时钟

使用外部时钟的原因：比内部时钟更精准，所以通常情况我们都会使用外部时钟

打开STM32CubeMX并配置外部晶振(Crystal/Ceramic Resonator)

并将HCLK设置成72MHz(最大)

2.2.2配置引脚

打开PC13引脚

接着配置PC13引脚的模式

GPIO Output level -> Low

GPIO Mode -> Push Pull

GPIO Pull-up/Pull-down -> No

Maximum output speed -> High

User Label ->LED

1. 根据上面的原理图，PC13连接LED负极，也就是说PC13高电平LED会灭，低电平LED就会亮

2.输出模式默认是推挽输出，开漏输出用的不多，特殊情况再用

3.推挽输出不需要上下拉电阻，推挽相当于直接接负极或正极

4.点亮LED对速度(芯片功耗)无要求，特殊情况再讨论

5.给PC13重新起名字 LED

2.2.3下载程序

在这里我们选择Serial Wire 的下载方式

因为我们的芯片就是通过电脑连接芯片SWCLK和SWDIO引脚下载程序的

2.2.4创建工程

注意IDE这一栏选择MDK-ARM

接着生成代码

驱动已经用软件配置好了，下面写一下主函数
int main(void)
{

  
  HAL_Init();

  SystemClock_Config();

  MX_GPIO_Init();
 
  while (1)
  {
		HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port,LED_Pin,GPIO_PIN_RESET); //亮
		HAL_Delay(500); //延时500毫秒
		HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port,LED_Pin,GPIO_PIN_RESET); //灭
		HAL_Delay(500); 	
  }

}
接着编译，调试(烧录)就行了

3.OLED模块

3.1模块配置

本项目使用的OLED模块配置

屏幕大小：0.96寸

像素点：128*64

PIN:

GND：OLED电源接地

VCC：OLED电源正极（可接3.3V/5V）

SCL：通信，时钟信号线（I2C）

SDA：通信，数据信号线（I2C）

3.2模块原理图

注意：通信引脚通常需要后期配置，这里是通用的原理图

3.3工程

3.3.1配置通信引脚

根据原理图，OLED通信引脚SCL- PB8 SDA-PB9

在软件左边配置框里找到I2C1并进行配置

其它选项默认即可

3.3.2配置时钟

跟LED一样，时钟设置为72兆

3.3.3配置OLED驱动代码

将驱动代码(驱动代码在文章结尾)放在指定路径里

OLED\Core\Inc 放入 oled.h oledfont.h

OLED\Core\Src 放入 oled.c

3.3.4简单改写驱动配置

在include 沙盒里添加 olde.h

在工程里把.c文件添加进去(前面文件操作时.h文件已经自动添加了，.c文件需手动添加)

在oled.h检查引脚

SCK ->PB8

SDA ->PB9

跟在Cube里设置的一样，不用修改

3.3.5显示数字

OLED_ShowNum(0,0,123456,6,16);

OLED_ShowNum函数五个参数：

x坐标-1代表1个像素点

y坐标-1代表8个像素点

显示数字

数字长度

数字大小（16像素：8*16，12像素：6*12）

3.3.6显示字符串

OLED_ShowString(0,2,"hello world!",16);

OLED_ShowString函数四个参数：

x坐标-1代表1个像素点

y坐标-1代表16个像素点

显示字符串

字符串大小（16像素：8*16，12像素：6*12）

3.3.7显示汉字

着重说一下输出汉字

一个汉字像素——16*16

OLED_ShowCHinese(0,4,0);

OLED_ShowCHinese函数三个参数：

x坐标

y坐标

Hzk库

Hzk：汉字库

Hzk汉字库是用软件生成的，生成软件(PCtoLCD2002)在文章结尾

想要输入什么汉字，就用软件生成数组，写到Hzk库里，用0-x(字符数组)数字表示

3.3.8使用PCtoLCD2002生成汉字编码

首先设置基本格式

复制生成的编码到Hzk库里

3.3.9测试代码和现象

首先在主函数里添加这两个函数

OLED_Init(); //初始化
OLED_Clear();//清屏

然后添加输出函数，并配置函数的参数，下面是主函数
int main(void)
{

  HAL_Init();

  SystemClock_Config();

  MX_GPIO_Init();
  MX_I2C1_Init();

	OLED_Init(); //初始化
	OLED_Clear();//清屏
	OLED_ShowNum(0,0,123456,6,16);
	OLED_ShowString(0,2,"hello world!",16);
	OLED_ShowCHinese(0,4,0 );
	OLED_ShowCHinese(16,4,1);
	OLED_ShowCHinese(32,4,2);

  while (1)
  {

  }

}
结果

4.MPU6050

4.1MPU6050工作原理

MPU6050 内部整合了 3 轴陀螺仪和 3 轴加速度传感器，并且含有一个第二 IIC 接口，可用于连接外部磁力传感器即AUX_CL 和 AUX_DA，并利用自带的数字运动处理器（DMP: DigitalMotion Processor）硬件加速引擎，通过主 IIC 接口，向应用端输出完整的 9 轴融合演算数据

在mpu6050中我们基于欧拉角()用陀螺仪传感器测角度，用加速度传感器测加速度

4.2陀螺仪传感器

在MPU6050中有三轴陀螺仪

陀螺仪工作原理：测量角速度进而求出欧拉角

g(x/y/z)：绕x/y/z轴旋转的角速度

计算公式：

4.3加速度传感器

在MPU6050中有三轴加速度计

加速度计工作原理：分解g(重力加速度)，得到X/Y/Z三轴上的加速度

a(x/y/z):飞机在x/y/z轴上的加速度

利用三角关系求出各个方向上的加速度

4.4精确欧拉角

这两个传感器各有优缺点

我们根据实际情况分配给他们权重，以此来精确欧拉角

计算公式

α一般取值：

Δt：读取传感器的时间间隔(例如200Hz)

t：加速度计对陀螺仪纠偏时间(一般取0.1)

4.5模块原理介绍

4.6模块原理图

4.7工程

4.7.1创建工程

复制OLED工程

接着创建工程

将MPU6050驱动函数放入工程文件夹里

4.7.2设置软件IIC通信

打开工程，设置软件IIC通信(用软件编程的方式模拟IIC，因为PB3/4无IIC硬件接口)（硬件软件IIC通信效果无差别）

4.7.3添加.c文件

4.7.4添加.h文件

4.7.5详解代码与现象

main.c

初始化

定义三个角度的参数

在主函数里调用这三个参数

定义一个用于缓存的变量

添加库#include "stdio.h",用于sprintf

(sprintf函数打印到字符串中（要注意字符串的长度要足够容纳打印的内容，否则会出现内存溢出），printf函数打印输出到屏幕上)

姿态在OLED中的显示

语句sprintf((char*)display_buf, "pich:%.2f",pitch);解读：

因为OLED打印字符串，将display_buf强制类型转换成char类型，并将pitch打印到display_buf中

测试结果(数字为动态变化)

完整代码(仅显示头文件和进程部分)
#include "main.h"
#include "i2c.h"
#include "gpio.h"


#include "oled.h"
#include "IIC.h"
#include "inv_mpu.h"
#include "inv_mpu_dmp_motion_driver.h"
#include "mpu6050.h"
#include "stdio.h"


float pitch,roll,yaw; //定义三个角度的参数
uint8_t display_buf[20];  //显示缓存

void SystemClock_Config(void);


int main(void)
{

  HAL_Init();


  SystemClock_Config();


  MX_GPIO_Init();
  MX_I2C1_Init();
 
	OLED_Init(); //初始化
	OLED_Clear();//清除
	
	MPU_Init(); //初始化MPU
	mpu_dmp_init();
	OLED_ShowString(0,00,"Init succeed",16);
	

  while (1)
  {
		HAL_Delay(10);
		mpu_dmp_get_data(&pitch,&roll,&yaw);
		
		sprintf((char*)display_buf, "pich:%.2f   ",pitch);
		OLED_ShowString(0,2,display_buf,16);
		sprintf((char*)display_buf, "pich:%.2f   ",roll);
		OLED_ShowString(0,4,display_buf,16);
		sprintf((char*)display_buf, "pich:%.2f   ",yaw);
		OLED_ShowString(0,6,display_buf,16);
  }

}

5.超声波模块

5.1基本工作原理

本项目使用HC-SR04 超声波测距模块，可提供 2cm-400cm(实际上到200cm) 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm

(1)采用 IO 口 TRIG 触发测距，给最少 10us 的高电平信呈。
(2)模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；
(3)有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声
波从发射到返回的时间。

公式

测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;

超声波时序图

原理：提供一个 10uS 以上脉冲触发信号，该模块内部将发出 8 个 40kHz 周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离

建议测量周期为 60ms 以上，以防止发射信号对回响信号的影响

该内容摘自HC-SR04超声波测距模块的原理介绍与代码实现-CSDN博客，详细内容参考以上链接

5.2模块原理图

Vcc：+5V电源供电
Trig：输入触发信号（可以触发测距）
Echo：传出信号回响（可以传回时间差）
Gnd：接地

注：
1 、此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的 GND 端先连接，否则会影响模块的正常工作。
2 、测距时，被测物体的面积不少于 0.5 平方米且平面尽量要求平整，否则影响测量的结果

5.3工程

5.3.1思路

1.触发信号只需要输出10ms的高电平，所以触发引脚我们直接设置为GPIO(利用GPIO输出15ms的高电平)

2.回响信号使用外部中断(回响引脚配置成外部中断)

3.在回响信号上升沿时产生中断，利用单片机内部定时器定时，下降沿时再产生一次中断，这时读取定时器的值

4.利用定时器里的值(产生高电平的时间)根据公式计算结果

测试距离=高电平时间*声速(340M/S))/2;

5.3.2创建工程

创建MPU6050文件夹副本并改名为HC-SR04

打开副本里的CubeMx

5.3.3配置工程

设置

PA2-GPIO_EXTI2

PA3-GPIO_Output

将PA3引脚速度设置为High

选择PA2中断模式(上升沿下降沿都中断)

打开EXTI Line(不打开中断无任何作用)

5.3.4使能内部时钟

使能内部时钟并设置预分频系数为71

分频系数计算公式

5.3.5生成代码

5.3.5创建模块文件

创建并添加模块文件

sr04.c、sr04.h

5.3.6代码

main.c
#include "main.h"
#include "i2c.h"
#include "tim.h"
#include "gpio.h"



#include "oled.h"
#include "IIC.h"
#include "inv_mpu.h"
#include "inv_mpu_dmp_motion_driver.h"
#include "mpu6050.h"
#include "stdio.h"
#include "sr04.h"


float pitch,roll,yaw; //定义三个角度的参数
uint8_t display_buf[20];  //显示缓存
extern float distance;


void SystemClock_Config(void);

int main(void)
{

  HAL_Init();


  SystemClock_Config();


  MX_GPIO_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_TIM3_Init();
  
	OLED_Init(); //初始化
	OLED_Clear();//清除
	
	MPU_Init(); 
	mpu_dmp_init();
	OLED_ShowString(0,00,"Init succeed",16);
	


  while (1)
  {
		HAL_Delay(100);
		mpu_dmp_get_data(&pitch,&roll,&yaw);
		

		sprintf((char*)display_buf, "pich:%.2f   ",roll);
		OLED_ShowString(0,2,display_buf,16);
		GET_Distance();
		sprintf((char*)display_buf, "distance:%.2f   ",distance);
		OLED_ShowString(0,4,display_buf,12);

  }

}
sr04.c
#include "sr04.h"

uint16_t count; //1count=1us
float distance; //保存距离(cm)


extern TIM_HandleTypeDef htim3; //声明外部定义变量

void RCCdelay_us(uint32_t udelay)
{
  __IO uint32_t Delay = udelay * 72 / 8;//(SystemCoreClock / 8U / 1000000U)
    //见stm32f1xx_hal_rcc.c -- static void RCC_Delay(uint32_t mdelay)
  do
  {
    __NOP();
  }
  while (Delay --);
}//us级延时函数

void GET_Distance(void) //发送触发信号
{
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3,GPIO_PIN_SET); //输出高电平
	RCCdelay_us(12); //信号持续时间为10us,保险起见设置为12us
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3,GPIO_PIN_RESET); //输出低电平
}

//中断函数
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
	//判断上升沿还是下降沿
	if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_2)==GPIO_PIN_SET)
	{
		__HAL_TIM_SetCounter(&htim3,0);
		HAL_TIM_Base_Start(&htim3); //打开计时器时钟让它开始计时
	}
	else
	{
		HAL_TIM_Base_Stop(&htim3); //停止计时
		count = __HAL_TIM_GetCounter(&htim3);
		distance = count*0.017;//count/1000000*340*100/2;
	}
	
}
sr04.h
#ifndef _SR04_H
#define	_SR04_H

#include "stm32f1xx_hal.h"

void GET_Distance(void);


#endif
5.3.7现象

6.电机驱动

6.1TB6612驱动模块

本项目使用TB6612模块驱动电机

6.1.2TB6612的引脚说明

6.1.3驱动原理

1. AIN1和AIN2、BIN1和BIN2分别与AO1、AO2和BO1、BO2配合使用来控制电机的方向和速度

2.通过PWM信号控制PWMA和PWMB可以调节电机的转速

3.YSTB用于控制模块的工作状态

4.VM和VCC分别提供电机驱动和逻辑电路的电源

5.该驱动模块为高电平时有效，否则，直流电机处于停止状态

具体参考本篇第1.5节

(本篇参考stm32学习探究：利用TB6612驱动直流电机-CSDN博客)

6.2工程

6.2.1创建工程

创建HC-SR04文件夹副本并改名为MOTOR

6.2.2打开定时器TIM

我们使用定时器TIM输出PWM波

打开PA11和PA8的时钟(对应原理图)

6.2.3配置预分频系数

配置预分频系数即配置PWM输出频率(常用10KHz)(两个TIM输出频率相同，占位比可不相同)

公式以及参数：

F:频率

HCLK:主时钟(72M)

PSC+1:预分频系数

ARR:用于设置定时器的计数周期

10^4:10KHz

7200:PSC=0,ARR=7199(数字可适当不同分配，71和99有利于调占空比)

6.2.4配置占空比

公式以及参数

1：期望的比值(全速)

Pulse：信号

6.2.5配置控制方向GPIO

AIN1:PB13

AIN2:PB12

BIN1:PB14

BIN2:PB15

6.2.6创建模块文件

motor.c和motor.h

6.2.7代码

main.c
#include "main.h"
#include "i2c.h"
#include "tim.h"
#include "gpio.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "oled.h"
#include "IIC.h"
#include "inv_mpu.h"
#include "inv_mpu_dmp_motion_driver.h"
#include "mpu6050.h"
#include "stdio.h"
#include "sr04.h"
#include "motor.h"



float pitch,roll,yaw; //定义三个角度的参数
uint8_t display_buf[20];  //显示缓存
extern float distance;

/* USER CODE END PV */

void SystemClock_Config(void);

int main(void)
{
 
  HAL_Init();

  SystemClock_Config();

  MX_GPIO_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_TIM3_Init();
  MX_TIM1_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
	OLED_Init(); //初始化
	OLED_Clear();//清除
	
	MPU_Init(); 
	mpu_dmp_init();
	OLED_ShowString(0,00,"Init succeed",16);
	
	//使能PWM
	HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_1);
	HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_4);
	
	Load(1000,1000); //转速 ，注意：1000可能数值有点小，如果出现轮子不动的情况，请改大数值


 
  while (1)
  {
		HAL_Delay(100);
		mpu_dmp_get_data(&pitch,&roll,&yaw);
		

		sprintf((char*)display_buf, "pich:%.2f   ",roll);
		OLED_ShowString(0,2,display_buf,16);
		GET_Distance();
		sprintf((char*)display_buf, "distance:%.2f   ",distance);
		OLED_ShowString(0,4,display_buf,12);

  }

}
注意：1000可能数值有点小，如果出现轮子不动的情况，请改大数值

motor.c
#include "motor.h"

extern TIM_HandleTypeDef htim1;

int abs(int p)
{
	if(p>0)
		return p;
	else
		return -p;
}

//参数：左右电机转速   范围-7200~7200
void Load(int moto1,int moto2)			
{
	//两个
	if(moto1<0) //左电机
	{
		//AIN1和AIN0一个高电平一个低电平才能驱动电机，BIN同理
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_13,GPIO_PIN_SET);
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_12,GPIO_PIN_RESET);
	}
	else
	{
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_13,GPIO_PIN_RESET);
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_12,GPIO_PIN_SET);
	}
	//配置占空比
	__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_4,abs(moto1));
	
	if(moto2<0)//右电机
	{
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_14,GPIO_PIN_SET);
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_15,GPIO_PIN_RESET);
	}
	else
	{
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_14,GPIO_PIN_RESET);
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_15,GPIO_PIN_SET);
	}
	__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_1,abs(moto2));
}
motor.h
#ifndef _MOTOR_H
#define	_MOTOR_H

#include "stm32f1xx_hal.h"


void Load(int moto1, int moto2);

#endif
6.2.8现象

两个轮以一定速度转动

7.编码器测速

为了方便大家理解，本篇放入<调试篇>讲解，谢谢大家

请大家下载 6.Encoder代码以便蓝牙模块的测试

8.蓝牙模块

8.1JDY-31蓝牙模块

本项目使用JDY-31蓝牙模块

8.2模块原理图

8.3工程

8.3.1创建Uart文件

将Encoder的副本重命名为Uart

8.3.2配置USART

1.打开PB10、PB11引脚，并设置为USART

2.设置基本的串口通信模式Asynchronous(异步)

3.打开全局中断(设备需要接收信息，需要打开全局中断)

记录和确保两台设备波特率相同

(参考8.1的数据)

Tx:接收数据

Rx:发送数据

(具体可参考1.6USART串口通信)

8.3.3生成代码

8.3.4发送数据

两种发送数据方式

8.3.5缓存数据

在 stm32f1xx_it.c中定义缓存数据数组

8.3.6接收中断

打开接收中断

rx_buf:缓存数组

1:每接收到一个字节就进入一次中断

每次中断需要执行HAL_UART_Receive_IT