《嵌入式实验与实践教程-基于STM32与Proteus》课件-第六章

Proteus仿真软件1认识MDK-ARM2调试STM323基础实例4目录Contents创新设计实例6综合设计实例5创新设计实例PART066.1智能温室控制系统应用实例6.2GPS定位系统设计实例6.3简易示波器设计实例6.4基于UCOSII的BLDC电机控制器设计实例6.5“推箱子”游戏设计实例6.1智能温室控制系统应用实例1.实例要求利用STM32F103R6、环境温湿度传感器SHT11设计并制作一个温室自动控制系统。要求具有如下功能：（1）LCD显示温湿度和设定的信息；（2）具有手动和自动功能；（3）加热、降温、加湿和开燥过程中具有LED指示。2.硬件电路本实例的硬件仿真电路如图6-1(a)和图6-1(b)所示图6-1(a)智能温室控制系统应用实例的控制驱动电路仿真原理图图6-1(b)智能温室控制系统应用实例的MCU控制电路仿真原理图U1（STM32F103R6）的PC3~PC12引脚连接到LCD1（LM016L）的D0~D7、RS、RW和E引脚，PA10~PA14引脚驱动5个LED发光二极管，SHT11的SCK和DATA引脚分别连接到U1（STM32F103R6）的PA1和PA0引脚，按键K1~K3连接到U1的PB2~PB4引脚，从U1（STM32F103R6）的PA6~PA9分别控制着加热器、降温电机、加湿电机和干燥电机。3.程序设计。根据实例要求，设计的程序如下：6.1智能温室控制系统应用实例4.实例总结本实例展示了STM32F103R6微控制器和SHT11温湿度传感器结合实现温度、湿度的实时采集并显示，并根据设定的要求具有自动控制相应的电机动作完成相应的功能。主要涉及的程序如下：（1）SHT11的IIC接口协议模拟和SHT11的温湿度数据的读取；（2）Get_TH和TH_Set函数用于获取温湿度和设定温湿度功能；（3）ModeNot5_handler函数用于手动模式；（4）Mode5handler函数用于自动模式，在自动模式下，系统会根据当前的环境温湿度情况进行自动开启不同的电机工作；（5）Main主程序的按键识别和处理。6.1智能温室控制系统应用实例6.2GPS定位系统设计实例1.实例要求利用STM32F103R6的串口连接到虚拟GPS软件的串口上实现GPS定位信息的显示。2.硬件电路硬件仿真电路如图6-2所示。图6-2GPS定位系统设计实例电路仿真原理图U1（STM32F103R6）的PA3/RXD2、PA2/TXD2引脚连接到P1（COMPIM）虚拟串口端的RXD和TXD引脚，用于虚拟串口数据的发送和接收；U1（STM32F103R6）的PC0~9引脚连接到LCD1的D0~D7、RS、R/W、E引脚上。3.程序设计。根据实例要求，设计的程序如下：6.2GPS定位系统设计实例4.实例总结本实例展示了如何利用STM32F103R6的串口接收GPS的信息，并正确解码在LCD上显示。程序中涉及的主要内容有：（1）STM32F103R6的USART2串口配置和串口中断函数的编写；（2）1602液晶显示模块的初始化和字符串显示，其中LCD_Init()函数实现LCD初始化，LCD_Write_String()函数实现字符串的显示；（3）GPS协议的确码，这部分内容由uartBufferDeal()函数实现。本实例要用到VSPD虚拟串口驱动和GPS模拟软件。6.2GPS定位系统设计实例6.3简易示波器设计实例1.实例要求利用STM32F103R6内置的A/D转换器、定时器等资源实现一个可以测量信号的波形，并通过128X64图形点阵LCD模块显示，功能如下：（1）128X64图形点阵LCD显示信号的波形；（2）具有背景网格显示；（3）横坐标的时间轴可在10us~10ms之间调节；（4）纵坐标的波形幅度可放大和缩小；2.硬件电路硬件仿真电路如图6-3所示。图6-3简易示波器设计实例电路仿真原理图U1（STM32F103R6）的GPIOC端口引脚PC0~PC7连接到128X64图形点阵LCD模块的数据引脚DB0~DB7，PB8~PB11分别驱动LCD的E、RS、CS1和CS2引脚。外部输入的信号经过C1耦合电容到U2（LM358）的正端输入引脚，R1和R2构成2.5V的参考电平也加到U3的正输入端，经过U2的跟随输出到U1的PA0/AIN0引脚上，实现模拟量的输入。按键K1~K4分别连接到U1的PA9~PA12引脚上。3.程序设计。根据实例要求，设计的程序如下：6.3简易示波器设计实例6.3简易示波器设计实例4.实例总结本实例充分利用STM32F103R6的内置12位A/D的快速采样率实现波形的显示。程序设计涉及主要内容如下：（1）时间轴的扫描周期通过16位定时器TIM2实现，其中XTimepos变量用于设定16位定时周期值。（2）通过TrigLevel变量来调节波形显示的触发点，该值在0~4095之间变化。（3）在TIM2_IRQHandler中断函数中采集指定的波形数据存储到ADCBuffer缓冲区中，当缓冲区存储满置UpdateFlag。（4）Main主程序根据UpdateFlag标志来处理被显示波形的幅度值数据在LCD显示屏上显示。（5）背景网格通过建立Grid二维数组实现，在背景网格上显示波形时，通过逻辑或的方式显示对应的像素点。6.3简易示波器设计实例6.4基于UCOSII的BLDC电机控制器设计实例1.实例要求利用STM32F103R6T6和电机驱动器件

L293D和IRF540MOS管设计驱动电路来驱动BLDC电机实现如下功能：（1）可调转速。（2）可控转换方向。（3）显示转速和目标转速。2.硬件电路硬件仿真电路如图6-4(a)、6-4(b)和6-4(c)所示。BLDC的电机控制器的显示和按键输入、速度调节等控制电路如图6-4(a)所示：图6-4(a)基于UCOSII的BLDC电机控制器设计实例的MCU控制电路仿真原理图在图6-4(a)中，U1（STM32F103R6）的GPIOC端口引脚PC0~PC7分别连接到LCD1（LM016L）的D0~D7引脚，U1（STM32F103R6）的GPIOA端口引脚PA11~PA13分别连接到LCD1（LM016L）的RS、RW和E引脚，可调电阻RV1（1K）的可调端连接到U1（STM32F103R6）的PA3引脚。按键Start、Reserve和Forward分别连接到U1（STM32F103R6）的GPIOB端口PB5、PB6和PB7引脚。BLDC的电机控制器的电机驱动电路如图6-4(b)所示：U1（STM32F103R6）的PA8/TIM1_CH1和PA7/TIM1_CH1N连接到U2(L293D)的IN1和IN2引脚，PA9/TIM1_CH2和PB0/TIM1_CH2N连接到U2(L293D)的IN3和IN4引脚，PA10/TIM1_CH3和PB1/TIM1_CH3N连接到U3(L293D)的IN1和IN2引脚。电阻R7~R10分别为下拉电阻，R12和R13为U3的IN1和IN2引脚的下拉电阻。图6-4(b)基于UCOSII的BLDC电机控制器设计实例的电机驱动电路仿真原理图6.4基于UCOSII的BLDC电机控制器设计实例3.程序设计根据实例要求，设计的程序如下：LCD.H头文件和LCD.C源文件（1）LCD.H头文件LCD.H头文件中实现驱动1602液晶引脚的宏定义和相关函数声明。6.4基于UCOSII的BLDC电机控制器设计实例（2）LCD.C源文件LCD.c源文件中，lcd_command_write()函数实现向LCD写命令功能的驱动函数，lcd_char_write()函数实现向LCD指令的位置显示字符功能的驱动函数，lcd_system_reset()函数实现LCD的上电初始化功能。具体的操作函数源程序如下：6.4基于UCOSII的BLDC电机控制器设计实例gpio.c源文件实现对电路中应用到的指定GPIO引脚进行配置。配置程序如下：6.4基于UCOSII的BLDC电机控制器设计实例tim.H头文件和tim.C源文件（1）tim.H头文件tim.H头文件中实现了与TIM1和TIM2相关的宏定义和相关函数声明。6.4基于UCOSII的BLDC电机控制器设计实例（2）tim.C源文件tim.C源文件实现TIM1和TIM2的初始化以及与输入捕获及PWM输出的相关引脚配置。MX_TIM1_Init()函数实现了TIM1的3通道的PWM输出功能的配置，MX_TIM2_Init()函数实现了TIM2的3通道的输入捕获功能的配置。HAL_TIM_Base_MspInit()函数实现TIM2的外设时钟使能，PB10/TIM2_CH3,PA15/TIM2_CH1和PB3/TIM2_CH2的引脚复用功能的配置以及TIM2的中断使能。HAL_TIM_MspPostInit()函数实现TIM1的外设时钟使能，PA7/TIM1_CH1N,PB0/TIM1_CH2N,PB1/TIM1_CH3N,PA8/TIM1_CH1,PA9/TIM1_CH2,PA10/TIM1_CH3的引脚复用功能的配置。BLDC_PHASE_CHANGE()函数是BLDC电机的驱动换相函数。BLDC_Start()函数和BLDC_Stop()函数通过直接操作TIM1和TIM2寄存器方式实现BLDC的启动和停止操作。6.4基于UCOSII的BLDC电机控制器设计实例adc.h头文件和adc.c源文件（1）adc.h头文件adc.h头文件包含了外部变量的声明和函数的声明。（2）adc.c源文件adc.c源文件中，MX_ADC1_Init()函数实现ADC1外设的配置，主要包括工作模式、数据对齐方式、ADC的启动转换模式、通道数等参数的配置。HAL_ADC_MspInit()函数实现ADC1外设时钟使能、PA3/ADC_IN3引脚的模拟输入通道ADC_IN3的复用功能配置和GPIOA外设时钟使能。6.4基于UCOSII的BLDC电机控制器设计实例pid.h头文件和pid.c源文件（1）pid.h头文件pid.h头文件的定义如下：（2）pid.c源文件pid.c源文件包含了常量的宏定义，PID结构体的声明，定义。Speed_PIDInit()函数为实现初始BLDC电机速度的PID初始值，Speed_PIDAdjust()函数实现BLDC电机速度的PID自动调节，函数中只采用了P算法。6.4基于UCOSII的BLDC电机控制器设计实例（1）main.h头文件main.h头文件包含了宏定义和函数声明。（2）main.c源文件6.4基于UCOSII的BLDC电机控制器设计实例本实例展示了在STM32F103R6微控制器上运行UCOSII操作系统下的BLDC电机控制。在main.c程序中，设置好向量控制器的优先级后，通过调用OSInit()函数完成UCOSII操作系统的初始化工作，通过OSTaskCreate()函数创建UCOSII操作系统下的任务。首先，创建一个start_task()任务，接着STM32F103R6的底层硬件驱动的初始化工作，主要包括：硬件初始化由HAL_Init()函数完成，系统时钟初始化由SystemClock_Config()函数完成，GPIO外设初始化由MX_GPIO_Init()函数完成，TIM1外设初始化由MX_TIM1_Init()函数完成，ADC1外设初始化由MX_ADC1_Init()函数完成，TIM2外设初始化由MX_TIM2_Init()函数完成，最后调用OSStart()函数启动UCOSII操作系统工作。在start_task()函数的任务中完成对TIM1的三通道的PWM占空比的设定，并使能TIM2的三个通道的输入捕获功能的中断，启动六个通道的PWM信号互补输出。接着初始化BLDC的相位、并通过调用Speed_PIDInit()函数完成PID的初始化值设定。同时开启led0_task()的LED发光二极管指示任务和speed_adc_task()的实时检测ADC输入的控制BLDC速度设定的UCOSII操作系统下的任务。本实例的可调转速通过可调电阻和STM32的ADC功能，实现500-4596范围的速度调节。使用的是简单的比例控制，并未使用复杂的PID控制。通过定时器1的PWM互补输出六路PWM控制电机的转动，驱动器使用L293D和IRF540MOS管。换向使用的是外部中断，测速使用的是定时器2的三鹿输入捕获。正反转使用的是外部中断。使用ucosii进入分功能多任务处理。基于UCOSII的BLDC电机控制器设计实例的波形及仿真效果图如图6-4(c)所示：图6-4(c)基于UCOSII的BLDC电机控制器设计实例的波形及仿真效果图6.4基于UCOSII的BLDC电机控制器设计实例6.5“推箱子”游戏设计实例1.实例要求利用STM32F103R6微控制器、160X128图形点阵LCD显示屏和5个按键实现“推箱子”游戏。游戏具有9关。2.硬件电路硬件仿真电路如图6-5所示。160X128图形LCD显示屏的数据引脚D0~D7、控制引脚C/D、CE、WR和RD分别连接到STM32F103R6的PC0~PC11引脚上，控制操作的上/下/左/右和OK键分别连接到PA9~PA13引脚上。图6-5“推箱子”游戏设计实例的波形及仿真效果图3.程序设计在程序设计前，需要完成以下两件事情：（1）制作可以显示16X16的人物、砖块、箱子、目的、成功等图标，将这些图标数据放置在Lattice[]

数组中，以便在程序运行前装载到LCD显示缓存中。（2）需要将不同关卡下的人物、砖块、箱子、目的、成功等图标所在点的位置信息存储到一个LEVEL[][8][8]的三维数组中，以便程序根据进入不同关卡时可以根据LEVEL数组中的信息绘制人物、砖块、箱子、目的、成功所在点图标。在该数组中采用8X8点阵方式来表达不同图标的信息点，其中定义显示人物图标用数字“1”表示，砖块用数字“2”表示，箱子用数字“3”表示，目标用数字“4”表示，成功用数字“5”表示。程序设计主要包括的内容如下：（1）160X128图形LCD显示屏的驱动程序设计，这部分内容体现在LCD160X128.H头文件和LCD160X128.C源文件中。在LCD160X128.H头文件中主要有引脚配置的宏定义、T6963C控制器的指令集的宏定义以及相关函数的外部声明，在LCD160X128.C源文件中实现了驱动T6963C控制器的读写操作时序的模拟的函数、指令集操作的函数和LCD初始化函数功能。（2）初始化显示界面，等待按下OK键进入第1关。（3）方向按键识别并执行相关的操作，这部分内容在Keyoard()函数中实现

。6.5“推箱子”游戏设计实例LCD160X128图形LCD模块驱动程序设计（1）LCD160X128.H头文件LCD160X128.H头文件包含主要内容有：驱动PG160128A的引脚功能宏定义；T6963指令集宏定义；操作函数的声明。6.5“推箱子”游戏设计实例（2）LCD160X128.C源文件在LCD160X128.C源文件中，涉及以下方面的内容：与硬件相关的操作时序函数LCD_WriteCommand函数实现向PG160128A写命令时序模拟函数；LCD_ReadStatus函数实现从PG160128A读取操作状态信息时序模拟函数；LCD_WriteData函数实现向PG160128A写数据时序模拟函数；LCD_ReadData函数实现从PG160128A读数据时序模拟函数。与指令相关的功能操作函数lcd_enable函数实现STA0和STA1读写状态信息判断；atrd_enable函数实现STA2数据自动读状态判断；atwr_enable函数实现STA3数据自动写状态判断；write_cmd0函数实现向PG160128A写入不带参数的命令操作；write_cmd1函数实现向PG160128A写入带1个参数的命令操作；write_cmd2函数实现向PG160128A写入带2