畢業(yè)設計（論文）-基于stm32的仿生機械手的設計與實現(xiàn).docx

學年論文題目：基于stm32的仿生機械手的設計與實現(xiàn)學生姓名：學 號：專業(yè)班級：14級自動化1班指導教師：2016年8月5日目錄第1章 引言1第2章 STM32的基本理論知識3 2.1 STM32芯片的介紹.3 2.2 STM32的庫函數(shù)10第3章 設計的主體內(nèi)容12 3.1 大腦STM32開發(fā)板12 3.2 思想用庫函數(shù)寫程序.12 3.3 實物的機械設計273.4 實物的花樣展示27第4章 結果的分析與討論28第5章 結論28參考文獻 .29第1章 引言世界首個走向市場的最先進的仿生手“i-LIMB”贏得英國科技創(chuàng)新頭獎。仿生手手有5根可自由活動的手指，它擊敗了其他進入決賽的三項發(fā)明，榮獲英國皇家工程學院2008年的麥克羅伯特(MacRobert)杰出科技創(chuàng)新獎。在此次評獎中，其它進入決賽的三項發(fā)明包括一套照看保存在零度以下的數(shù)百萬份生物樣品的機器人系統(tǒng)、一個可以探測早期疾病跡象的化學傳感器和一種專為柴油汽車設計的壓縮型過濾器。截至2007年7月，這項仿生手技術已用在200多人身上，包括在伊拉克戰(zhàn)爭中失去四肢的美國士兵和截肢者協(xié)會首席執(zhí)行官雷愛德華茲等。英國最早配備這種裝置的愛德華茲1987年因患霍奇金病而導致手腳都截肢了，他在裝上i-LIMB仿生手1個月后說它改變了他的生活。觸摸仿生公司首席執(zhí)行官斯圖亞特米德說：“i-LIMB仿生手是世界假肢市場中最引人注目的產(chǎn)品之一。這種仿生手有2個主要的獨特特點。一是我們把發(fā)電機放進每個手指，讓每個手指通過關節(jié)連接具有獨立性；二是它的拇指能像我們的拇指一樣彎曲90度。它是首個在形狀和功能上模仿人手的仿生手?！庇|摸仿生公司小組的努力獲得了英國科技界的認可，他們這次獲得5英鎊的獎金和一塊金牌。公眾可以在2008年9月前到倫敦科學博物館觀看i-LIMB仿生手。仿生手最早是為了幫助受鎮(zhèn)靜催眠藥撒利多胺危害的兒童，作為一項研究項目的一部分，i-LIMB看起來和動起來就像真手一樣。之后，世界第一家“仿生手”工廠觸摸仿生公司在英國蘇格蘭正式成立，并開始為客戶量身定做這種假手。如今經(jīng)過改進的仿生手采用了最前沿的電子和機械技術，并由高強度的塑料制成，此輕便手首次成了世界新一代假肢產(chǎn)品。第2章 STM32的基本理論知識2.1 STM32芯片的介紹STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內(nèi)核，按內(nèi)核架構分為不同產(chǎn)品：其中STM32F1系列有：STM32F103“增強型”系列STM32F101“基本型”系列STM32F105、STM32F107“互聯(lián)型”系列增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是32位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設接口的組合。時鐘頻率72MHz時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當于0.5mA/MHz。內(nèi)核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz。單周期乘法和硬件除法。存儲器：片上集成32-512KB的Flash存儲器。6-64KB的SRAM存儲器。時鐘、復位和電源管理：2.0-3.6V的電源供電和I/O接口的驅(qū)動電壓。上電復位（POR）、掉電復位（PDR）和可編程的電壓探測器（PVD）。4-16MHz的晶振。內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8MHz RC振蕩電路。內(nèi)部40 kHz的RC振蕩電路。用于CPU時鐘的PLL。帶校準用于RTC的32kHz的晶振。低功耗：3種低功耗模式：休眠，停止，待機模式。為RTC和備份寄存器供電的VBAT。調(diào)試模式：串行調(diào)試（SWD）和JTAG接口。DMA：12通道DMA控制器。支持的外設：定時器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。3個12位的us級的A/D轉(zhuǎn)換器（16通道）：A/D測量范圍：0-3.6V。雙采樣和保持能力。片上集成一個溫度傳感器。最多高達112個的快速I/O端口：根據(jù)型號的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16個外部中斷向量。除了模擬輸入，所有的都可以接受5V以內(nèi)的輸入。最多多達11個定時器：4個16位定時器，每個定時器有4個IC/OC/PWM或者脈沖計數(shù)器。2個16位的6通道高級控制定時器：最多6個通道可用于PWM輸出。2個看門狗定時器（獨立看門狗和窗口看門狗）。Systick定時器：24位倒計數(shù)器。2個16位基本定時器用于驅(qū)動DAC。最多多達13個通信接口：2個IIC接口（SMBus/PMBus）。5個USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，調(diào)試控制）。3個SPI接口（18 Mbit/s），兩個和IIS復用。CAN接口（2.0B）。USB 2.0全速接口。SDIO接口。ECOPACK封裝：STM32F103xx系列微控制器采用ECOPACK封裝形式。系統(tǒng)作用1、集成嵌入式Flash和SRAM存儲器的ARM Cortex-M3內(nèi)核。和8/16位設備相比，ARM Cortex-M3 32位RISC處理器提供了更高的代碼效率。STM32F103xx微控制器帶有一個嵌入式的ARM核，所以可以兼容所有的ARM工具和軟件。2、嵌入式Flash存儲器和RAM存儲器：內(nèi)置多達512KB的嵌入式Flash，可用于存儲程序和數(shù)據(jù)。多達64KB的嵌入式SRAM可以以CPU的時鐘速度進行讀寫（不待等待狀態(tài)）。3、可變靜態(tài)存儲器（FSMC）：FSMC嵌入在STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE中，帶有4個片選，支持四種模式：Flash,RAM,PSRAM,NOR和NAND。3個FSMC中斷線經(jīng)過OR后連接到NVIC。沒有讀/寫FIFO，除PCCARD之外，代碼都是從外部存儲器執(zhí)行，不支持Boot，目標頻率等于SYSCLK/2，所以當系統(tǒng)時鐘是72MHz時，外部訪問按照36MHz進行。4、嵌套矢量中斷控制器（NVIC）：可以處理43個可屏蔽中斷通道（不包括Cortex-M3的16根中斷線），提供16個中斷優(yōu)先級。緊密耦合的NVIC實現(xiàn)了更低的中斷處理延遲，直接向內(nèi)核傳遞中斷入口向量表地址，緊密耦合的NVIC內(nèi)核接口，允許中斷提前處理，對后到的更高優(yōu)先級的中斷進行處理，支持尾鏈，自動保存處理器狀態(tài)，中斷入口在中斷退出時自動恢復，不需要指令干預。5、外部中斷/事件控制器（EXTI）：外部中斷/事件控制器由用于19條產(chǎn)生中斷/事件請求的邊沿探測器線組成。每條線可以被單獨配置用于選擇觸發(fā)事件（上升沿，下降沿，或者兩者都可以），也可以被單獨屏蔽。有一個掛起寄存器來維護中斷請求的狀態(tài)。當外部線上出現(xiàn)長度超過內(nèi)部APB2時鐘周期的脈沖時，EXTI能夠探測到。多達112個GPIO連接到16個外部中斷線。6、時鐘和啟動：在啟動的時候還是要進行系統(tǒng)時鐘選擇，但復位的時候內(nèi)部8MHz的晶振被選用作CPU時鐘?？梢赃x擇一個外部的4-16MHz的時鐘，并且會被監(jiān)視來判定是否成功。在這期間，控制器被禁止并且軟件中斷管理也隨后被禁止。同時，如果有需要（例如碰到一個間接使用的晶振失?。?，PLL時鐘的中斷管理完全可用。多個預比較器可以用于配置AHB頻率，包括高速APB(PB2)和低速APB（APB1），高速APB最高的頻率為72MHz，低速APB最高的頻率為36MHz。7、Boot模式：在啟動的時候，Boot引腳被用來在3種Boot選項種選擇一種：從用戶Flash導入，從系統(tǒng)存儲器導入，從SRAM導入。Boot導入程序位于系統(tǒng)存儲器，用于通過USART1重新對Flash存儲器編程。8、電源供電方案：VDD ，電壓范圍為2.0V-3.6V，外部電源通過VDD引腳提供，用于I/O和內(nèi)部調(diào)壓器。VSSA和VDDA，電壓范圍為2.0-3.6V，外部模擬電壓輸入，用于ADC，復位模塊，RC和PLL，在VDD范圍之內(nèi)（ADC被限制在2.4V），VSSA和VDDA必須相應連接到VSS和VDD。VBAT，電壓范圍為1.8-3.6V，當VDD無效時為RTC，外部32KHz晶振和備份寄存器供電（通過電源切換實現(xiàn)）。9、電源管理：設備有一個完整的上電復位（POR）和掉電復位（PDR）電路。這條電路一直有效，用于確保從2V啟動或者掉到2V的時候進行一些必要的操作。當VDD低于一個特定的下限VPOR/PDR時，不需要外部復位電路，設備也可以保持在復位模式。設備特有一個嵌入的可編程電壓探測器（PVD），PVD用于檢測VDD，并且和VPVD限值比較，當VDD低于VPVD或者VDD大于VPVD時會產(chǎn)生一個中斷。中斷服務程序可以產(chǎn)生一個警告信息或者將MCU置為一個安全狀態(tài)。PVD由軟件使能。10、電壓調(diào)節(jié)：調(diào)壓器有3種運行模式：主（MR），低功耗（LPR）和掉電。MR用在傳統(tǒng)意義上的調(diào)節(jié)模式（運行模式），LPR用在停止模式，掉電用在待機模式：調(diào)壓器輸出為高阻，核心電路掉電，包括零消耗（寄存器和SRAM的內(nèi)容不會丟失）。11、低功耗模式：STM32F103xx支持3種低功耗模式，從而在低功耗，短啟動時間和可用喚醒源之間達到一個最好的平衡點。休眠模式：只有CPU停止工作，所有外設繼續(xù)運行，在中斷/事件發(fā)生時喚醒CPU；停止模式：允許以最小的功耗來保持SRAM和寄存器的內(nèi)容。1.8V區(qū)域的時鐘都停止，PLL，HSI和HSE RC振蕩器被禁能，調(diào)壓器也被置為正?；蛘叩凸哪Ｊ?。設備可以通過外部中斷線從停止模式喚醒。外部中斷源可以使16個外部中斷線之一，PVD輸出或者TRC警告。12、待機模式：追求最少的功耗，內(nèi)部調(diào)壓器被關閉，這樣1.8V區(qū)域斷電。PLL,HSI和HSE RC振蕩器也被關閉。在進入待機模式之后，除了備份寄存器和待機電路，SRAM和寄存器的內(nèi)容也會丟失。當外部復位（NRST引腳），IWDG復位，WKUP引腳出現(xiàn)上升沿或者TRC警告發(fā)生時，設備退出待機模式。進入停止模式或者待機模式時，TRC,IWDG和相關的時鐘源不會停止。2.2 STM32的庫函數(shù)意法半導體在推出STM32微控制器之初，也同時提供了一套完整細致的固件開發(fā)包，里面包含了在STM32開發(fā)過程中所涉及到的所有底層操作。通過在程序開發(fā)中引入這樣的固件開發(fā)包，可以使開發(fā)人員從復雜冗余的底層寄存器操作中解放出來，將精力專注應用程序的開發(fā)上，這便是ST推出這樣一個開發(fā)包的初衷。但這對于許多從51/AVR這類單片機的開發(fā)轉(zhuǎn)到STM32平臺的開發(fā)人員來說，勢必有一個不適應的過程。因為程序開發(fā)不再是從寄存器層次起始，而要首先去熟悉STM32所提供的固件庫。那是否一定要使用固件庫呢？當然不是。但STM32微控制器的寄存器規(guī)?？刹皇浅Ｒ姷?位單片機可以比擬，若自己細細琢磨各個寄存器的意義，必然會消耗相當?shù)臅r間，并且對于程序后續(xù)的維護，升級來說也會增加資源的消耗。對于當前“時間就是金錢”的行業(yè)競爭環(huán)境，無疑使用庫函數(shù)進行STM32的產(chǎn)品開發(fā)是更好的選擇。本文將通過一個簡單的例子對STM32的庫函數(shù)做一個簡單的剖析。以最常用的GPIO設備的初始化函數(shù)為例，如下程序段一：GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed =GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_Init(GPIOA , &GPIO_InitStructure 這是一個在STM32的程序開發(fā)中經(jīng)常使用到的GPIO初始化程序段，其功能是將GPIOA.4口初始化為推挽輸出狀態(tài)，并最大翻轉(zhuǎn)速率為50MHz。第3章 設計的主體內(nèi)容3.1 大腦STM32開發(fā)板STM32開發(fā)板就是一種STM32的最小系統(tǒng)，它上面鏈接有基礎的功能電路，而且耐用，附有學習光盤，對初學者十分的合適。通過對程序的編寫，可以得到所需要的果。3.2 思想用庫函數(shù)寫程序Main.c#include public.h#include pwm.h#include systick.h#include jixieshou.hint main() pwm_init(); while(1) if(anjian=0) shouzhang();tiaoxin();Systick.c#include systick.hvoid delay_ms(u32 i) u32 temp; SysTick-LOAD=9000*i; SysTick-CTRL=0X01;SysTick-VAL=0;dotemp=SysTick-CTRL; while(temp&0x01)&(!(temp&(1CTRL=0;SysTick-VAL=0;Systick.h#ifndef _systick_H#define _systick_H#includevoid delay_us(u32 i);void delay_ms(u32 i);#endifPwm.cvoid pwm_init()GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOE|RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3|RCC_APB1Periph_TIM4|RCC_APB1Periph_TIM5|RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_All;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_All;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_2;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;GPIO_Init(GPIOE,&GPIO_InitStructure);TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 9999; TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 143;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = 0;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInit(TIM1, TIM_TimeBaseInitStructure);TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseInitStructure);TIM_TimeBaseInit(TIM4,&TIM_TimeBaseInitStructure);TIM_TimeBaseInit(TIM5, TIM_TimeBaseInitStructure);TIM_TimeBaseInit(TIM2, TIM_TimeBaseInitStructure); GPIO_PinRemapConfig(GPIO_FullRemap_TIM2,ENABLE);TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1;TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High;TIM_OC1Init(TIM3,&TIM_OCInitStructure);TIM_OC2Init(TIM3,&TIM_OCInitStructure);TIM_OC3Init(TIM3,&TIM_OCInitStructure);TIM_OC4Init(TIM3,&TIM_OCInitStructure);TIM_OC1Init(TIM5,&TIM_OCInitStructure);TIM_OC4Init(TIM5,&TIM_OCInitStructure);TIM_OC2Init(TIM5,&TIM_OCInitStructure);TIM_OC3Init(TIM5,&TIM_OCInitStructure);TIM_OC1Init(TIM4,&TIM_OCInitStructure);TIM_OC2Init(TIM4,&TIM_OCInitStructure);TIM_OC3Init(TIM4,&TIM_OCInitStructure);TIM_OC4Init(TIM4,&TIM_OCInitStructure);TIM_OC3Init(TIM2,&TIM_OCInitStructure);TIM_OC4Init(TIM2,&TIM_OCInitStructure);TIM_OC2Init TIM_OCInit TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); TIM_OC3PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); TIM_OC4PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);TIM_OC1PreloadConfig(TIM5, TIM_OCPreload_Enable);TIM_OC2PreloadConfig(TIM5, TIM_OCPreload_Enable);TIM_OC3PreloadConfig(TIM5,TIM_OCPreload_Enable);TIM_OC4PreloadConfig(TIM5,TIM_OCPreload_Enable);TIM_OC1PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable); TIM_OC2PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable); TIM_OC3PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable);TIM_OC4PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable);TIM_OC4PreloadConfig(TIM2,TIM_OCPreload_Enable); TIM_OC3PreloadConfig(TIM2,TIM_OCPreload_EnablTIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);TIM_ARRPreloadConfig(TIM2, ENABLE);TIM_ARRPreloadConfig(TIM4, ENABLE);TIM_ARRPreloadConfig(TIM5, ENABLE);TIM_CtrlPWMOutputs(TIM2,ENABLE);TIM_CtrlPWMOutputs(TIM3,ENABLE);TIM_CtrlPWMOutputs(TIM4,ENABLE);TIM_CtrlPWMOutputs(TIM5,ENABLE);TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);TIM_Cmd(TIM4,ENABLE);TIM_Cmd(TIM5,ENABLE);TIM_Cmd(TIM2,ENABLE); Pwm.h#ifndef _pwm_H#define _pwm_H#include stm32f10x.hvoid pwm_init(void);#define anjian GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE, GPIO_Pin_2)#endifJixieshou.cvoid tiaoxin() swxz=1250; swqh=950;TIM_SetCompare4(TIM3, swqh); delay_ms(500); TIM_SetCompare4(TIM4, swxz); delay_ms(700); szqd=460; szzd=270; szhd=300; zzqd=410; zzzd=270; zzhd=270; wmzqd=385; wmzzd=270; wmzhd=400; dmzhd=700; dmzzd=270; dmzqd=430;TIM_SetCompare1(TIM3, szqd);delay_ms(500);TIM_SetCompare2(TIM3, szzd);delay_ms(500);TIM_SetCompare3(TIM3, szhd);delay_ms(500);TIM_SetCompare2(TIM5, zzqd);delay_ms(500);TIM_SetCompare3(TIM5, zzzd);delay_ms(500);TIM_SetCompare4(TIM5, zzhd);delay_ms(500);TIM_SetCompare3(TIM2, wmzqd);delay_ms(500);TIM_SetCompare4(TIM2, wmzzd);delay_ms(500);TIM_SetCompare1(TIM5, wmzhd);delay_ms(500);TIM_SetCompare3(TIM4, dmzhd);delay_ms(500);TIM_SetCompare2(TIM4, dmzzd);delay_ms(500);TIM_SetCompare1(TIM4, dmzqd);delay_ms(500); swxz=280; TIM_SetCompare4(TIM4, swxz); delay_ms(700);szqd=800; szzd=760; szhd=800;TIM_SetCompare3(TIM3, szhd);delay_ms(500);TIM_SetCompare2(TIM3, szzd);delay_ms(500);TIM_SetCompare1(TIM3, szqd);delay_ms(500); dmzhd=900; dmzzd=270; dmzqd=270;TIM_SetCompare3(TIM4, dmzhd);delay_ms(500);TIM_SetCompare2(TIM4, dmzzd);delay_ms(500);TIM_SetCompare1(TIM4, dmzqd);delay_ms(500); swqh=500; TIM_SetCompare4(TIM3, swqh); delay_ms(1000); swqh=950; TIM_SetCompare4(TIM3, swqh); delay_ms(1000); swxz=1250; TIM_SetCompare4(TIM4, swxz); delay_ms(700); swqh=1250; TIM_SetCompare4(TIM3, swqh); delay_ms(1000); szqd=800; szzd=760; szhd=800; zzqd=800; zzzd=720; zzhd=800; wmzqd=750; wmzzd=760; wmzhd=850; dmzqd=680; dmzzd=760; dmzhd=600;TIM_SetCompare3(TIM4, dmzhd);TIM_SetCompare2(TIM4, dmzzd);TIM_SetCompare1(TIM4, dmzqd);delay_ms(500); TIM_SetCompare1(TIM3, szqd);TIM_SetCompare2(TIM3, szzd);TIM_SetCompare3(TIM3, szhd);TIM_SetCompare2(TIM5, zzqd);TIM_SetCompare3(TIM5, zzzd);TIM_SetCompare4(TIM5, zzhd);TIM_SetCompare3(TIM2, wmzqd);TIM_SetCompare4(TIM2, wmzzd);TIM_SetCompare1(TIM5, wmzhd);delay_ms(500); szzd=500; zzzd=500; wmzzd=500; TIM_SetCompare2(TIM3, szzd); TIM_SetCompare3(TIM5, zzzd); TIM_SetCompare4(TIM2, wmzzd);delay_ms(200);szzd=760; zzzd=720; wmzzd=760; TIM_SetCompare2(TIM3, szzd); TIM_SetCompare3(TIM5, zzzd); TIM_SetCompare4(TIM2, wmzzd);delay_ms(200);szzd=500; zzzd=500; wmzzd=50