M5Stack是一個(gè)模塊化、可堆疊和可編程的開發(fā)模塊，專為快速輕松地構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目和創(chuàng)建原型而設(shè)計(jì)。該模塊基于ESP32 微控制器，帶有各種傳感器、輸入、輸出和彩色液晶顯示器 (LCD)。此外，M5Stack 內(nèi)核采用矩形模塊封裝，尺寸為 54 x 54 x 18 mm，并配有 2 英寸薄膜晶體管 (TFT) LCD。

如前所述，該裝置有多個(gè)輸入和輸出選項(xiàng)，例如三個(gè)按鈕、一個(gè)揚(yáng)聲器和一個(gè) microSD 卡插槽。圖 1 說明了 M5Stack 內(nèi)核。

圖1.M5Stack 。圖片由M5Stack提供

M5Stack 內(nèi)核獨(dú)特的功能之一是其模塊化設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)。該模塊可以輕松地與其他 M5Stack 模塊堆疊，允許用戶添加額外的功能并擴(kuò)展其項(xiàng)目的功能。M5Stack 模塊化生態(tài)系統(tǒng)提供各種模塊，例如攝像頭、GPS 和電池模塊單元。

在本文中，我們將探討 采用 M5Stack 內(nèi)核的角度傳感器和伺服電機(jī)單元。這個(gè)動(dòng)手項(xiàng)目的成果是構(gòu)建了一個(gè)基于電位器的伺服電機(jī)控制器，帶有 M5Stack TFT 顯示器。

項(xiàng)目概覽——了解人機(jī)交互 (HCI)

基于 M5Stack 電位器的伺服電機(jī)控制器項(xiàng)目將展示使用現(xiàn)成的電子產(chǎn)品和軟件構(gòu)建人機(jī)交互 (HCI) 設(shè)備的多功能性和易用性。該項(xiàng)目的目的是說明如何使用基于 ESP32 的小型控制器實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互等 HCI 概念?；?ESP32 的平臺(tái)將與機(jī)電對象進(jìn)行人機(jī)交互。該項(xiàng)目將使讀者了解如何使用 M5Stack 的 TFT LCD 從機(jī)電系統(tǒng)顯示和獲取交互數(shù)據(jù)。此類數(shù)據(jù)可用于使用Python、PyTorch 和 Pandas 等編程語言探索網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng) (CPS) 的機(jī)器學(xué)習(xí)概念。

作為本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)來源，推薦參考M5Stack電子藍(lán)圖書。更具體地說，第二章“M5Stack 單元?jiǎng)邮謱?shí)踐”提供了對 ESP32 模塊化控制器和可編程傳感和控制單元的電子電路和設(shè)置的技術(shù)見解。本書還包括動(dòng)手項(xiàng)目和互動(dòng)測驗(yàn)以吸引讀者?；旧希梢詫⒋隧?xiàng)目視為本書的延伸；因此，本項(xiàng)目將不解釋詳細(xì)的軟件設(shè)置說明。 

設(shè)置 M5Stack

該項(xiàng)目的總體概念是說明使用 M5Stack 內(nèi)核作為主要 ESP32 嵌入式平臺(tái)的小型伺服電機(jī)控制器的原型構(gòu)建。該項(xiàng)目的初始設(shè)置是添加一個(gè)外部電位器來控制伺服電機(jī)。電位器將向 M5Stack 內(nèi)核提供旋轉(zhuǎn)信息。然后，M5Stack 將模擬分壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為等效脈寬調(diào)制 (PWM)控制信號，從而操作電氣有線伺服電機(jī)。圖 2 顯示了原型的系統(tǒng)框圖。

圖 2.基于 M5Stack 電位器的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)框圖。

接下來，使用與角度傳感器相同的內(nèi)部電子元件，將電位器電路連接到 M5Stack 的 ESP32 微控制器。M5Stack 角度傳感器由一個(gè) 1 KΩ 電阻器與一個(gè) 10 KΩ 電位計(jì)串聯(lián)而成。此電路配置提供分壓功能，允許一系列離散模擬信號值出現(xiàn)在指定的 ESP32 模數(shù)通用輸入輸出 (GPIO)引腳上。圖 3 顯示了 M5Stack 角度傳感器。 

圖 3. M5Stack 角度傳感器單元。圖片由M5Stack提供

此外，該電路方法允許電位器相對于地的輸出電壓為 +3.3 V，而且 ESP32 微控制器的 GPIO 引腳符合 +3.3 V 標(biāo)準(zhǔn)。因此分壓電路的輸出電壓+3.3V不會(huì)損壞ESP32單片機(jī)。自制角度傳感器的電子電路原理圖如圖 4 所示。

圖 4.自制角度傳感器電子電路原理圖。

請注意，J1 參考標(biāo)志代表焊接到角度傳感器 PCB 上的四針母連接器。

從這里，您可以使用圖 5 中所示的電氣接線圖作為參考將自制軟件角度傳感器連接到 M5Stack ，從而在無焊面包板上連接電子電路。

圖 5.自制角度傳感器無焊面包板圖。

請記住，可以使用 UiFlow 軟件設(shè)計(jì) M5Stack 的 TFT LCD 布局——我們將在下一節(jié)中對此進(jìn)行介紹。 

接下來，您將使用杜邦線在 M5Stack 和自制角度傳感器無焊面包板電路之間創(chuàng)建一個(gè)延長線束。如圖 5 所示，將三根杜邦線插入白色四針母頭連接器，用于將電路與 M5Stack 控制器進(jìn)行電氣連接。圖 6 說明了這種電氣布線接口連接和連接方法。

圖 6.電位器到 M5Stack 內(nèi)核的無焊面包板接線。

UiFlow軟件介紹

對于這個(gè)項(xiàng)目，我使用了一個(gè)名為UiFlow的程序。UiFlow 是一個(gè)軟件開發(fā)平臺(tái)，旨在簡化控制器、模塊、傳感器和單元的 M5Stack 產(chǎn)品的編程和原型制作過程。該軟件提供了一個(gè)圖形用戶界面 (GUI)，用于對 M5Stack ESP32 微控制器進(jìn)行編程。開發(fā)人員可以拖放代碼塊并創(chuàng)建邏輯代碼來對 ESP32 微控制器進(jìn)行編程。UiFlow 允許使用在線編輯器或桌面可軟件包進(jìn)行編碼。

UiFlow 在線編輯器可以從 M5Stack 網(wǎng)站獲得，網(wǎng)址如下。還有適用于 Windows、Apple 和基于 Linux 的計(jì)算機(jī)的桌面版本。

M5Stack內(nèi)核TFT LCD顯示電位器轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)的版圖設(shè)計(jì)如圖7所示。 

圖 7.配置 M5Stack Core TFT LCD 以顯示電位器角度信息。

要了解有關(guān) UiFlow 的更多信息，您可以前往 M5Stack 電子藍(lán)圖書的第 2 章了解更多信息。

顯示電位器讀數(shù)

將電位器連接到 M5Stack 內(nèi)核后，需要軟件來顯示電氣元件的旋轉(zhuǎn)值。UiFlow 軟件將用于顯示電位器的旋轉(zhuǎn)角度（以度為單位），代碼塊包含伺服電機(jī)控制器的三個(gè)主要操作。

指令代碼塊功能包括：

• 從電位器讀取原始數(shù)據(jù)到變量
• 提供適當(dāng)?shù)目勺儽壤蜃右源_保正確的角度顯示
• 以度數(shù)顯示角度

UiFlow 代碼塊如圖 8 所示。

圖 8. UiFlow 電位器角度顯示代碼塊。

除了代碼塊之外，伺服和角度傳感器單元也包含在代碼塊調(diào)色板中。這些單元將添加一組新的代碼塊，以便在整個(gè)控制器產(chǎn)品原型中正確操作這些設(shè)備。如圖8所示，“servo_0，servo_0旋轉(zhuǎn)角度”和“獲取angle_0值”是添加到代碼塊調(diào)色板中的新單元指令。您可以通過選擇單位加號按鈕來包含這些代碼塊。從設(shè)備列表中選擇伺服和角度單元會(huì)將所需的代碼塊添加到調(diào)色板，以完成項(xiàng)目控制器的代碼構(gòu)建。通過選擇軟件 IDE 控制面板上的 RUN 按鈕，UiFlow 代碼塊將在 M5Stack 上執(zhí)行。

使用 UiFlow 控制伺服電機(jī)

除了顯示電位器的旋轉(zhuǎn)角度外，UiFlow 代碼塊（如圖 8 所示）還控制伺服電機(jī)。將伺服電機(jī)連接到 M5Stack 需要使用與電位器相同的電氣接線技術(shù)。部分電子電路示意圖，如圖 9 所示，說明了連接到 M5Stack ESP32 GPIO13 引腳的伺服電機(jī)電氣接線。 

圖 9.部分電子電路原理圖：附在 M5Stack ESP32 微控制器上的伺服電機(jī)。

電子電路原理圖上的 J2_A 連接器代表 M5Stack 上的 A 端口。J2_B 參考標(biāo)志代表插入伺服電機(jī)黑色三針母連接器的電線跳線線束針腳。

M5Stack Core 到伺服電機(jī)的電氣接線如圖 10 所示。

圖 10. 伺服電機(jī)與 M5Stack 進(jìn)行電氣連接。

完成的基于 M5Stack 電位器的伺服電機(jī)控制器原型如圖 11 所示。

圖 11.終的 M5Stack 基于電位器的伺服電機(jī)控制器原型構(gòu)建。

作為該項(xiàng)目的終參考，圖 12 顯示了基于 M5Stack 電位器的伺服電機(jī)控制器的完整電子電路原理圖。 

圖 12.基于 M5Stack 電位器的伺服電機(jī)控制器電子電路原理圖。