基于 STM32 的無線控制小桌寵

60 多年過去了，盡管輝光管已經(jīng)停產(chǎn)，有很多工程師仍然對(duì)它情有獨(dú)鐘。我用 8 塊液晶顯示屏制作了一個(gè)擬輝光管時(shí)鐘，感受復(fù)古元素的美感，表達(dá)對(duì)過去經(jīng)典的敬意。

小桌寵是一款智能桌面機(jī)器人，它擁有在水平方向上的移動(dòng)能力，并具備上下、左右、前后的運(yùn)動(dòng)能力，可以在桌面上自由行走并做出簡(jiǎn)單的動(dòng)作。這款智能桌面機(jī)器人既可用于教育和娛樂，也可作為簡(jiǎn)單的辦公輔助工具。

演示視頻

本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一款成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的無線控制小桌寵。我充分利用現(xiàn)有的材料，并采用簡(jiǎn)單的機(jī)械設(shè)計(jì)，結(jié)合微控制器和無線通信模塊，致力打造一款經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、易于制作和維護(hù)的智能桌面機(jī)器人。該小桌寵不僅是一款富有趣味的娛樂設(shè)備，更是一個(gè)能夠展示無線通信和微控制技術(shù)的實(shí)用項(xiàng)目。

在設(shè)計(jì)中，機(jī)身承載框被設(shè)計(jì)作為軀干，用于收納 PCB 和 SG90 舵機(jī)的多余線路。此舉可提升整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并確保外觀整潔。通用四肢件在 SG90 舵機(jī)普通擺臂的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，使其具備上下、左右、前后的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)能力，并可在水平方向移動(dòng)。

電源方面，我采用了 18650 電池（見圖 1），輸出電壓為 3.7V，并采用了 TP4056 充電模塊（見圖 2）進(jìn)行充放電管理。主控芯片選用了意法半導(dǎo)體 F1 系列的 STM32F103C8T6模塊（見圖 3），該模塊采用 ARM Cortex-M3 32 位 RISC 核 心， 運(yùn)行頻率可達(dá) 72MHz，具備豐富的外設(shè)接口，易于 PCB 布局與焊接，并支持多種低功耗模式，廣泛用于嵌入式系統(tǒng)。

圖 1 18650 電池

圖 2 TP4056 充電模塊

圖 3 STM32F103C8T6 模塊

此外，我還采用了 nRF24L01 無線通信模塊（見圖4），作為一款低成本、低功耗的 2.4GHz 無線收發(fā)器，該模塊適用于中短距離無線通信。在用戶交互方面，我采用了 0.96 英寸 OLED顯示屏（見圖 5），為小桌寵提供生動(dòng)的表現(xiàn)力，此模塊適用于對(duì)功耗有限制的小型電子設(shè)備，具備優(yōu)秀的顯示效果和易用的通信接口。舵機(jī)部分我選擇了 SG90 舵機(jī)（見圖 6），這種體形小巧、價(jià)格低廉的舵機(jī)能夠在小型機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子設(shè)備控制中提供經(jīng)濟(jì)、方便的解決方案。

圖 4 nRF24L01 無線通信模塊

圖 5 0.96 英寸 OLED 顯示屏

圖 6 SG90 舵機(jī)

在系統(tǒng)的調(diào)試方面，我添加了LED 和微動(dòng)按鍵，這些部件能夠便于進(jìn)行調(diào)試。

材料清單見附表，基本工具、耗材如電烙鐵、焊錫絲等則不再進(jìn)行介紹。

機(jī)械結(jié)構(gòu)

外觀設(shè)計(jì)

通過多次測(cè)試，我確定整個(gè)機(jī)器的外觀大小為 62.9mm×99mm×99mm。這一大小經(jīng)過精心改良，旨在滿足小桌寵設(shè)計(jì)的需求。受限于電池大小、主控模塊大小以及舵機(jī)大小，目前我難以對(duì)此設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。

PCB設(shè)計(jì)

我使用了立創(chuàng) EDA（專業(yè)版）作為 PCB 設(shè)計(jì)工具，這是一款易于上手的 PCB 繪制軟件，其模塊化設(shè)計(jì)可以充分利用主控模塊。同時(shí)，這樣的設(shè)計(jì)也進(jìn)一步降低了復(fù)刻和維修的難度。值得一提的是，本設(shè)計(jì)并未使用主控模塊的全部引腳，并且主控模塊可拆卸，以避免在項(xiàng)目擱置時(shí)主控模塊閑置。電路布局和 PCB 外觀如圖 7 所示。

圖 7 電路布局和 PCB 外觀

建模過程

PCB 設(shè)計(jì)完成后，我根據(jù) PCB大小進(jìn)行外殼設(shè)計(jì)，并使用 PLA 材料通過 3D 打印技術(shù)打印外殼。PLA 材料在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，進(jìn)一步降低了制造成本?？紤]到舵機(jī)的大小和走線，我對(duì)外殼進(jìn)行了適當(dāng)?shù)南峦谠O(shè)計(jì)，以確保舵機(jī)的安裝，外殼模型如圖 8 所示。

圖 ８ 外殼模型

接下來，進(jìn)行通用四肢件的設(shè)計(jì)，我參考了市面上的 4 足仿生機(jī)器人。我計(jì)劃在模型關(guān)節(jié)處采用 120°固定關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)方式，通過編程解決行走和姿態(tài)控制的問題。考慮到 4 個(gè)通用四肢件的方向存在差異，我采用挖空設(shè)計(jì)，以便后續(xù)打印。最終的通用四肢件模型如圖 9 所示，提供了更好的機(jī)械穩(wěn)定性和靈活性，為小桌寵的運(yùn)動(dòng)提供了更多可能。

圖 9 通用四肢件模型

電路設(shè)計(jì)

我設(shè)計(jì)的整體電路如圖 10 所示。

圖 10 整體電路

程序設(shè)計(jì)

我選擇 C 語言作為主要編程語言， 并 在 Keil 5 中 進(jìn) 行 開 發(fā)， 通 過Keil 5 編譯小桌寵的程序，采用 STLink 仿真燒錄器進(jìn)行燒錄。開發(fā)過程基于 STM32 標(biāo)準(zhǔn)庫展進(jìn)行，這一設(shè)計(jì)具備高度的可移植性，使得未來項(xiàng)目的開發(fā)更加便捷。

在算法部分，我借鑒了 4 足機(jī)器人步態(tài)數(shù)據(jù)，以行走步態(tài)（見圖 11）為藍(lán)本，并根據(jù)行走步態(tài)的格式進(jìn)行編寫。通過控制舵機(jī)在不同相位下的不同旋轉(zhuǎn)角度，小桌寵順利實(shí)現(xiàn)了行走步態(tài)。

圖 11 行走步態(tài)

我通過 final.h 對(duì)所有使用的程序進(jìn)行封裝。這種做法不僅增強(qiáng)了程序的安全性，還有助于更好地管理各個(gè)模塊，提高了程序的可維護(hù)性和復(fù)用性，從而使程序更加穩(wěn)定和易于擴(kuò)展。

final.c 包含對(duì)各個(gè)模塊的定義，并負(fù)責(zé)校準(zhǔn)舵機(jī)角度。通過硬件仿真，可以識(shí)別并解決舵機(jī)誤差，確保舵機(jī)能夠按預(yù)期運(yùn)行，具體如程序 1 所示。

程序 2 介紹了前進(jìn)步態(tài)函數(shù)，為了確保能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)操作，我精確設(shè)計(jì)了各項(xiàng)函數(shù)的延遲。這一步驟的實(shí)施有助于確保小桌寵能夠在各種情況下做出即時(shí)而準(zhǔn)確的反應(yīng)，從而增強(qiáng)了其互動(dòng)性和穩(wěn)定性。

程序 3 主要負(fù)責(zé) nRF24L01 模塊通過 SPI 協(xié)議進(jìn)行通信，用于接收控制信號(hào)。這一模塊確保小桌寵能夠可靠地接收并解析來自遙控器或其他控制設(shè)備的指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小桌寵的靈活操控。

程 序 4 負(fù) 責(zé) 舵 機(jī) PWM 控 制 信號(hào)的初始化和占空比。在該模塊中，我 將 舵 機(jī) 控 制 周 期 設(shè) 定 為 20ms，占 空 比 設(shè) 定 為 2.5%~12.5%， 對(duì) 應(yīng)0°~180°，以便進(jìn)行模塊化編寫。

程序 5 負(fù)責(zé)控制板載 LED，實(shí)現(xiàn)所需的各種 LED 效果。在實(shí)際演示中，僅在自檢時(shí)向 LED 發(fā)送全亮指令，以確保其正常工作，這一設(shè)計(jì)能夠?yàn)樾∽缹櫟牟煌瑺顟B(tài)提供視覺指示，并進(jìn)一步增強(qiáng)其交互性。

程 序 6 是 OLED 顯 示 函 數(shù)， 通過 I2C 協(xié)議通信，以實(shí)現(xiàn)用戶交互。這一模塊的設(shè)計(jì)使得小桌寵能夠通過OLED 顯示屏向用戶展示各種信息和狀態(tài)，提升用戶體驗(yàn)。

結(jié)語

最 后， 我 把 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu)、PCB、電池等部件進(jìn)行組裝，然后上電并燒錄編譯好的程序。通過與任意使用nRF24L01 模塊的遙控器進(jìn)行通信，我可以發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)小桌寵的無線控制。大家可以掃描文章開頭的二維碼觀看演示視頻。現(xiàn)在可以好好欣賞智能小桌寵（見圖 12）啦！

圖 12 智能小桌寵