基于STM32和舵機的智能測高儀

本文介紹了一種基于STM32單片機和舵機的智能測高儀。該儀器通過激光定位，GY-25傾斜度模塊水平較準，通過STM32單片機產生PWM波形，精確控制其占空比，從而精確控制舵機角度輸出，運用三角形原理得出高度值，對數據進行線性回歸擬合，從而得出高精度的測量數據，經過試驗驗證，該儀器具有較高的測量精度。

【關鍵詞】測高 STM32單片機 舵機 GY-25傾斜度模塊

1 引言

傳統的測量高度方法按是否接觸可分為接觸式和非接觸式。接觸式測量是指用卷尺直接測量高度。接觸式測量比較準確，但勞動強度大，測量較高的物體很困難，且受物體布置的影響。非接觸式測量主要包括目測、激光測量和超聲波測量等。超聲測量安全、快速、精確度高，但超聲波在空氣中傳播衰減很快，可測量的高度比激光測高儀低，并且硬件成本高。

本文介紹一種成本低、精確高的智能測高儀。該儀器通過線狀激光光源精確其測量軌跡，點狀激光光源進行定位，使得測量距離較遠；通過MPU6050陀螺儀進行水平校準，使得測量角度的0度基準值更加精確；通過STM32單片機輸出PWM波形，精準控制其占空比，使得舵機的輸出角度精確度較高，從而確保其最終測量角度較為準確。測量獲得的數據經過STM32單片機進行數據處理后，通過TFT液晶顯示屏進行顯示。整個測量過程全部使用按鍵進行操作，簡單方便，集成度較高。

2 測量原理和方法

測量原理如圖1所示，測高桿固定高度為1米，點F處固定有點狀光源和線狀光源。當被測物體確定后，首先由線狀光源固定其測量軌跡，確保所測高度垂直于水平面，測量軌跡如圖直線CED所示；其次，點狀光源進行水平校準，MPU6050陀螺儀固定于點狀激光燈，待校準角度位于0度時，固定點狀激光光源，所射光線為射線EF；再次，按下主控板按鍵，點狀激光燈在舵機控制下，緩慢向上、向下移動，直至到達被測物體頂端和底端，按下按鍵，舵機停止，單片機記錄當前位置，進而獲得測量角度。最后，按下測量按鍵，TFT液晶屏顯示其高度數值，根據三角形幾何原理，高度值為

米。

3 儀器的方案設計

該測高裝置主要包括機械測量機構和微控制器控制部分組成，機械測量機構包括，固定長度的測量桿，其上固定線狀光源和點狀光源，點狀光源連接有MPU6050陀螺儀和舵機。微控制器連接結構如圖2所示，微控制器連接有液晶顯示單元、按鍵控制單元、傳感器測量單元、晶振與復位單元、電源電路單元。

該裝置微控制器采用選擇STM32F103C8T6芯片，工作頻率72MHz，工作速度快，低功耗，芯片集成包括PWM輸出、SPI通訊、USART串行通訊等外設，使測量更精確、迅速。晶振與復位單元，使用CAT811芯片對主控芯片進行復位，使用8MHz無源晶體振蕩器作為其主控芯片的晶振。該芯片的最小系統如圖3所示。

該裝置液晶顯示屏選用1.8寸TFT液晶顯示屏幕，與微控制器采用SPI通訊，在芯片的管腳上只占用四根線，節約了芯片的管腳。GY-25模塊是一款低成本傾斜度模塊，其工作原理是通過陀螺儀與加速度傳感器經過數據融合算法最后得到直接的角度數據。舵機是一種位置（角度）伺服的驅動器，用來實時的控制點狀光源角度不斷的變化并且可以實時保持。舵機控制效果是影響測量精確度的重要因素。本裝置采用STM32單片機輸出的PWM波形精確控制舵機旋轉角度。STM32控制器的定時器產生20ms的定時周期，PWM輸出的占空比分成1024檔進行漸變，從而精確控制舵機的漸變角約為0.18度，進而達到精確控制舵機角度的目的。

系統運行后，進行時鐘初始化、串口初始化、按鍵初始化、定時器PWM初始化、SPI接口初始化、TFT液晶初始化，GY-25模塊輸出水平角度值，TFT液晶屏實時顯示數值，點狀光源進行水平校準；校準結束后，按下按鍵一，舵機開始從水平位置向上漸漸移動，直到被測物體上側邊緣，按下按鍵一，舵機停止，輸出角度1；再次按下按鍵一，舵機開始恢復到水平位置并向下漸漸移動，直到被測物體下側邊緣，按下按鍵一，舵機停止，并輸出角度2；按下按鍵二，對角度數值進計算處理，TFT液晶屏顯示高度數值，一個測量過程結束。

4 測量數據處理

5 結論

本文介紹的基于STM32單片機和舵機的智能測高儀，通過激光定位、GY-25水平較準、按鍵控制舵機輸出角度、TFT輸出測量高度。實現了一定范圍內對物體高度的準確測量，整個過程采用程序控制，自動化程度高，操作方便，測量精度較高，儀器成本較低，滿足實際的工程應用需求。

參考文獻

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作者簡介

公鑫（1993-），山東省臨沂市人。碩士研究生，主要研究方向為電力系統自動化。

作者單位

山東科技大學電氣與自動化工程學院 山東省青島市 266510