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MG945：

（1）尺寸：40mm×20mm×36.5mm （2）重量：70g （3）技术参数：无负载速度0.23秒/60度(4.8V) 、0.20秒/60度(6.0V)

（4）扭矩：13KG （5）使用温度：-30~~+60摄氏度 （6）死区设定：5微秒 （7）工作电压：4.8V-7.2V

图3.7 MG945舵机

一般来说，舵机是由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等几个重要部分组成的。

信号线把来自于微控制器的控制信号传输到舵机的控制电路板，控制电路板根据相应的控制信号控制电机的转动，同时电机带动齿轮组随之转动，经减速机构减速后传动到输出舵盘。由于舵机的输出轴和位置反馈电位计是连接在一起的，所以在舵盘转动的时候会带动位置反馈电位计，电位计根据当前位置将一个电压信号反馈到控制电路板，然后控制电路板根据电位计反馈回来的数据决定电机后续的转动方向和速度，从而使舵机运动到指定的位置后停止运动，可以实现对位置的精确控制。 3.5电源模块设计

机械臂控制系统采用双电源供电模式，STM32单片机经过AMS1117-3.3V稳压芯片供电，舵机驱动模块采用7.2V可充电电池经LM2596 DC-DC 可调降压模块实现供电。

AMS1117是正向低压降的稳压器，在1A电流下产生1.2V的压降。它的内部所集成有过热保护和限流电路，因此是电池供电和便携式计算机的最佳选择。其特点是：固定的3.3V输出电压，具有 1％的精度；低漏失电压；限流功能；过热切断；温度范围-40°C~ 125°C。经常被应用于笔记本电脑，掌上电脑，电池充电器，手机，电池供电系统，便携式设备等。

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由AMS1117-3.3V芯片构成的3.3V稳压电路如图3.8所示。

图3.8 3.3V稳压电路

LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，可以输出最高达3A的驱动电流，同时也有良好的线性和负载调节特性。可调型的LM2596甚至可以输出低于37V的各种电压。LM2596的特性如下：输出电压可调，可调范围为1.2V～37V，误差范围4%；输出特性有良好的线性，并且负载可以调节；驱动能力较强，输出电流可高达3A，输入电压可高达40V；采用150kHz的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器；功耗小、效率高，具有过热保护和限流保护功能等。常用于高效率降压调节器，单片开关电压调节器，正、负电压转换器等。

由LM2596构成的5V稳压电路如图3.9所示。

图3.9 5V稳压电路

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3.6传感器模块设计

本设计采用HC-SR04超声波测距模块，检测物体距离超声波传感器的距离。当物体到达指定位置时，控制器发出指令，使机械臂完成动作。

HC-SR04超声波测距模块由超声波发射器、超声波接收器与控制电路等三部分组成。它的基本工作原理如下：首先，采用TRIG端口触发测距信号，产生至少10μs的高电平信号；然后，超声波发射器自动发送8个40KHz的方波信号，接收器检测是否有反射的信号返回；如果有信号返回，超声波模块通过ECHO端口输出一个高电平，高电平的持续时间就是超声波从发射到返回的时间。其时序图如下。

图3.10 超声波时序图

3.7本章小结

本章首先对机械臂的关节控制系统的硬件组成进行了说明，然后按照模块化的设计思想，分别对以ARM 微处理器STM32F103ZET6为核心的主控制模块、由直流伺服电机组成的驱动模块和采用7.2V可充电电池、AMS1117-3.3V稳压芯片和LM2596 DC-DC 可调降压模块组成的电源模块和超声波传感器模块的工作原理和设计进行了仔细的分析和讨论，并给出了相应模块的实际的电路图或原理图。

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4机械臂控制系统软件设计

如果将硬件比作是机械臂控制系统的身体，那么就可以把软件比作是是整个控制系统的大脑，将连接人的思维与系统硬件连接在一起。软件系统的优劣关系到整个机械手系统的正常运行、硬件功能的发挥以及控制性能的优劣等[23]。因此，在进行软件程序的设计之前，必须要先了解整个机械臂控制系统的基本要求，主要有以下三点要求：

（1）实时性：电机控制一般都是实时控制，那么，软件就必须是实时控制软件。实时意味着计算机必须在一定的期限内，完成一系列的处理过程。

（2）可靠性：可靠性是指在运行过程中，系统防止故障发生，以及故障发生后排除解决故障的能力。因此，为了提高软件的可靠性，在软件设计过程中必须充分考虑电机在运行中出现的不正常现象。

（3）维护方便：好的控制软件不是一次设计、调试就可以应用的，往往是一边设计一边调试，经过多次修改才能达到控制要求。所以在开始整体设计时，就必须有好的结构，以提高软件调试的效率，并保证完成的软件具有结构简单、清晰的优点。

为了能够使系统调试更加顺利以及功能扩展更加方便，该机械臂控制系统的软件采用模块化结构设计，包括系统时钟与Systick定时器模块，串口通讯模块，PWM（TIM2）波输出模块，超声波传感器模块和计数（TIM4，NVIC）模块。主程序分为初始化和运行两个模块，在程序上电后初始化模块运行一次，运行模块主要用于电机的控制。 4.1初始化模块设计

初始化模块主要负责完成如下工作：系统时钟控制寄存器 RCC 的配置， SysTick 定时器，TIM 定时器，通用输入输出接口 GPIO ，嵌套向量中断控制器 NVIC， PWM 波输出，超声波传感器模块的初始化。采用库函数进行编程。 4.1.1系统时钟控制

STM32 CPU 的时钟源可以来自内部高速振荡器（HSI）、外部高速振荡器（HSE）或者内部锁相环（PLL）。锁相环需要以 HSI 或 HSE 作为时钟来源，两者的差别在于内部高速震荡器 HSI 不能产生稳定的8MHz的时钟频率。为了获得最大的工作频率，