1、项目功能介绍
该项目使用了磁性传感器MT6521以及其他硬件，实现了一个基于磁性传感器MT6521读取电机数据的设计，它的主要功能为：读取对应轴的磁数据；读取当前电机角度、记录电机旋转圈数和角度、归零对齐。
2、方案框图
MT6521：霍尔传感器，xy模式，采集磁铁角度，模拟信号输出。
按键：通过按键控制电机转动方向、回零、置零。
STM32F103C8T6：采集模拟信号，采集按键输入、控制电机转动以及OLED显示。
步进电机：单四拍转动
OLED：显示角度、转动方向、圈数。
3、电路介绍
3.1 单片机电路：
核心板上集成单片机工作所需的晶振、复位、电源电路，不需要外部电路进行驱动。
3.2 MT6521电路：
参考MT6521官方手册模拟方式输出电路进行设计，OUT1、OUT2分别为两路模拟信号输出，本设计只使用一路信号。芯片工作电压5V，输出电压也是0~5V，单片机无法采集3.3V以上的信号，所以采用下图的分压电路，将5V电压降低至3.3V以内。
3.3 电机驱动电路
电机及电机驱动芯片使用5V供电，1B对应1C，其余同理，PB15输出高电平时，1C会输出一个更大电流的高电平，同理依次输入高电平信号，控制电机转动。通过控制1-4的输出电平顺序，可以控制电机的正反转。
3.4 按键电路
3.5 显示电路
OLED采用IIC通信，SCL、SDA引脚为开漏输出，所以外接10K上拉电阻。
3.6 PCB板
系统PCB使用两层板进行设计，合理规划各个模块的摆放位置，其中电源线线宽较大，信号线线宽较小，铺地铜，各个滤波电容放置在电源引脚处，起到更好的滤波效果。
重点在于霍尔传感器与电机之间的相对位置摆放，结合MT6521的芯片手册可知，该传感器敏感元位于芯片正中间，故结合电机位置，绘制定位孔以及辅助线，确保磁铁中心尽可能对齐芯片中心敏感源，提高测量准确度。
4、软件介绍
4.1 主函数
主函数中循环读取按键状态、读取角度，根据按键检测实现电机转动控制、显示函数封装在角度读取函数中循环运行。
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while(1)
{
/* USER CODE END WHILE */
Key_Scan();
ReadAngle();
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
}
4.2 按键扫描程序
uint8_t Key_GetNum(void);
void Key_Scan(void);
uint8_t KeyNum = 0;
uint8_t Key_GetNum(void)
{
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == 0)
{
HAL_Delay(20);
while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == 0);
HAL_Delay(20);
KeyNum = 1;
}
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == 0)
{
HAL_Delay(20);
while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == 0);
HAL_Delay(20);
KeyNum = 2;
}
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_2) == 0)
{
HAL_Delay(20);
while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_2) == 0);
HAL_Delay(20);
KeyNum = 3;
}
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_3) == 0)
{
HAL_Delay(20);
while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_3) == 0);
HAL_Delay(20);
KeyNum = 4;
}
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_4) == 0)
{
HAL_Delay(20);
while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_4) == 0);
HAL_Delay(20);
KeyNum = 5;
}
return KeyNum;
}
void Key_Scan(void)
{
uint8_t key_push;
key_push=Key_GetNum();
if(key_push==1)
{
motor_cw();
OLED_ShowString(50,4,"CW ",16,0);
}
if(key_push==2)
{
motor_ccw();
OLED_ShowString(50,4,"CCW ",16,0);
}
if(key_push==3)
{
KeyNum=0;
OLED_ShowString(50,4,"STOP",16,0);
}
if(key_push==4)
{
Calibration();
OLED_ShowString(50,4,"STOP",16,0);
KeyNum=0;
}
if(key_push==5)
{
motor_zero();
}
}
此函数完成按键检测，根据检测IO状态判断按键哪个被按下，然后进入对应的状态，在key_scan函数中，判断key_push的值，执行顺时针、逆时针、停止、置零、回零操作。
4.3 角度检测程序
void ReadAngle(void)
{
static float last_real_angle = 0;
float adc_sum = 0;
for (int i = 0; i < SAMPLE_COUNT; i++) {
HAL_ADC_Start(&hadc1);
if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 1) == HAL_OK) {
adc_sum += HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
}
HAL_ADC_Stop(&hadc1);
}
current_angle = adc_sum / SAMPLE_COUNT;
Angle_out = -(current_angle - 190) * 20.2;
refer_angle_out = Angle_out + refer_angle;
if (refer_angle_out > 65535) refer_angle_out -= 65535;
if (refer_angle_out < 0) refer_angle_out += 65535;
real_angle = refer_angle_out / 65535.0f * 360.0f;
float angle_diff = real_angle - last_real_angle;
if (angle_diff > 180.0f) {
angle_diff -= 360.0f;
} else if (angle_diff < -180.0f) {
angle_diff += 360.0f;
}
static float accumulated_angle = 0;
accumulated_angle += angle_diff;
if (accumulated_angle >= 360.0f) {
motor_loop++;
accumulated_angle -= 360.0f;
} else if (accumulated_angle <= -360.0f) {
motor_loop--;
accumulated_angle += 360.0f;
}
last_real_angle = real_angle;
OLED_ShowNum(55, 0, real_angle, 5, 16, 0);
OLED_ShowNum(45, 2, motor_loop, 5, 16, 0);
}
这段代码通过ADC采集电压值，进而转换为角度值。MT6521能够在0~360°范围内输出0~5V的电压（并非一一对应，只是范围相同），经过分压电路，检测0-3.3V电压，芯片输出以及ADC都有噪声，所以采用多次采样后计算平均值得到更稳定的角度值。
Angle_out = -(current_angle - 190) * 20.2;
refer_angle_out = Angle_out + refer_angle;
if (refer_angle_out > 65535) refer_angle_out -= 65535;
if (refer_angle_out < 0) refer_angle_out += 65535;
real_angle = refer_angle_out / 65535.0f * 360.0f;
这段代码将采集到的原始角度按照实测的误差，先减190再乘20.2，转换为内部寄存器的值，MT6521的满量程为0~65535，转换为内部寄存器后，再均分为360°，即可得到实际角度值。其中refer_angle是清零时使用的角度偏差，目的是为了在清零按键按下时，角度值直接归0。
float angle_diff = real_angle - last_real_angle;
if (angle_diff > 180.0f) {
angle_diff -= 360.0f;
} else if (angle_diff < -180.0f) {
angle_diff += 360.0f;
}
static float accumulated_angle = 0;
accumulated_angle += angle_diff;
if (accumulated_angle >= 360.0f) {
motor_loop++;
accumulated_angle -= 360.0f;
} else if (accumulated_angle <= -360.0f) {
motor_loop--;
accumulated_angle += 360.0f;
}
last_real_angle = real_angle;
这段代码会实时记录当前角度以及第一次开始转动时的角度值，判断角度值累计变化量大于360°后，控制圈数加一，同时也考虑到了边界跨越，防止误判。
void Calibration(void)
{
refer_angle=-Angle_out+80;
;
motor_loop=0;
}
void motor_zero(void)
{
float target = 65535;
float error = target - refer_angle_out;
motor_loop=0;
if (error < 100.0f)
{
KeyNum = 0;
OLED_ShowString(50,4,"STOP",16,0);
refer_angle+=150;
return;
}
if (error > 32768)
{
motor_ccw();
}
else
{
motor_cw();
}
}
清零函数按下时，单片机直接记录当前角度值，并且将这个角度送到角度计算函数中，这样可以让采集到的角度值直接归0，角度值加上80是因为电机停转会产生一定的延迟，用于修正该输出。
归零函数也是通过计算当前角度与零点角度的偏差，根据偏差值的大小判断顺时针还是逆时针能够更快的回到零点。
5、实物展示
磁铁转动效果如下图：
磁铁在安装时需要将NS级平行于芯片放置，这样产生的磁感应线才会在MT6521芯片内部产生均匀变化的磁场，进而计算出磁铁的变化角度，当磁铁转动时，磁感应线在芯片内部的X、Y轴霍尔盘具有不同的磁场大小分量，芯片通过计算分量大小得到实际角度。
6、遇到的主要难题及解决方法
- 缺少电路搭建经验，通过b站学习逐步解决
- 缺少部分硬件与工具，通过求助同学和有相应经验的前辈解决
7、未来的计划
进一步研究MT6521传感器的特性，用以实现更多功能
sllyyds2758：郭富城的