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不想写注释本文将深入探讨在 STM32 智能垃圾桶项目中如何使用 PWM 控制舵机 SG90。在之前的项目中，我们已经完成了基础的硬件搭建和软件框架设计。现在，我们需要实现自动开盖功能，而舵机正是完成这一任务的关键组件。本文将回顾 PWM 的基本原理，并详细介绍如何在 STM32 上配置 PWM，最终实现对舵机 SG90 的精确控制。
PWM 基础回顾
脉冲宽度调制 (PWM) 是一种通过改变数字信号的高电平持续时间（即脉冲宽度）来模拟模拟信号的技术。PWM 常用于控制电机速度、LED 亮度以及舵机的角度。在 STM32 中，我们可以利用其内置的定时器/计数器模块生成 PWM 信号。
PWM 的关键参数包括：
- 频率 (Frequency)：PWM 信号的重复频率，决定了信号变化的快慢。过低的频率可能导致舵机抖动，过高的频率则可能超出舵机的响应能力。
- 占空比 (Duty Cycle)：高电平持续时间与整个周期时间的比例，决定了输出电压的平均值。对于舵机控制，占空比与舵机的角度成正比。
- 分辨率 (Resolution)：PWM 信号的精度，决定了我们可以精细调节占空比的程度。STM32 的定时器通常提供较高的分辨率，可以实现对舵机的精确控制。
STM32 PWM 配置步骤
以 STM32CubeIDE 为例，配置 PWM 的一般步骤如下：
使能定时器时钟：首先，需要在 RCC (Reset and Clock Control) 模块中使能所选定时器的时钟。例如，使用定时器 TIM3：
__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE(); // 使能 TIM3 时钟配置 GPIO：将定时器的 PWM 输出引脚配置为复用功能 (Alternate Function)。需要查找 STM32 的数据手册，确定哪个 GPIO 引脚对应于所选定时器的 PWM 输出通道。例如，TIM3 的通道 1 通常对应于 GPIOA 的引脚 6：
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 复用推挽输出 GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 无上下拉 GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; // 低速 GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF2_TIM3; // 选择 TIM3 复用功能 HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);配置定时器 (TIMx)：配置定时器的基本参数，包括预分频值 (Prescaler)、计数模式 (Counter Mode)、自动重载值 (Auto-reload value)。预分频值用于降低定时器的计数频率，自动重载值决定了 PWM 的频率。例如，将 PWM 频率设置为 50Hz：
TIM_HandleTypeDef htim3 = {0}; TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0}; TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0}; TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0}; htim3.Instance = TIM3; // 选择 TIM3 htim3.Init.Prescaler = 71; // 预分频，降低计数频率 htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 向上计数 htim3.Init.Period = 1999; // 自动重载值，决定 PWM 频率 (72MHz / (71+1) / (1999+1) ≈ 50Hz) htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; htim3.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE; if (HAL_TIM_Base_Init(&htim3) != HAL_OK) { Error_Handler(); } sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL; // 选择内部时钟源 if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim3, &sClockSourceConfig) != HAL_OK) { Error_Handler(); } if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim3) != HAL_OK) { Error_Handler(); } sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET; sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE; if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3, &sMasterConfig) != HAL_OK) { Error_Handler(); }配置 PWM 通道：配置 PWM 通道的模式 (PWM Mode)、极性 (Pulse Polarity)、占空比 (Pulse)。占空比的值决定了舵机的角度。例如，配置通道 1 为 PWM Mode 1，初始占空比为 0：
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; // PWM 模式 1 sConfigOC.Pulse = 0; // 初始占空比为 0 sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; // 高电平有效 sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE; // 禁用快速模式 if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK) { Error_Handler(); }启动 PWM：启动定时器和 PWM 通道：
HAL_TIM_Base_Start(&htim3); // 启动定时器 HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1); // 启动 PWM 通道 1
舵机 SG90 控制实现
舵机 SG90 通常需要一个 50Hz 的 PWM 信号，占空比在 0.5ms 到 2.5ms 之间，对应于 0 度到 180 度。由于我们的 PWM 频率为 50Hz，周期为 20ms，因此占空比的计算公式为：Pulse = (Angle / 180.0 * 2.0 + 0.5) / 20.0 * (ARR + 1)，其中 Angle 为目标角度，ARR 为自动重载值 (1999)。
void setServoAngle(float angle) {
uint32_t pulse = (uint32_t)((angle / 180.0 * 2.0 + 0.5) / 20.0 * 2000); // 计算占空比
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pulse); // 设置占空比
}
实战避坑经验总结
- 电源问题：舵机在运行过程中需要较大的电流。如果使用 STM32 的 3.3V 电源直接驱动舵机，可能会导致电压不足，舵机无法正常工作。建议使用外部 5V 电源为舵机供电，并确保 STM32 的地与舵机的地连接在一起。
- 抖动问题：舵机抖动可能是由于 PWM 频率不准确、电源不稳定、或者舵机本身质量问题引起的。可以尝试调整 PWM 频率、更换电源、或者更换舵机。
- 角度范围：不同型号的舵机角度范围可能略有不同。在使用前，需要仔细阅读舵机的数据手册，确定其角度范围，并根据实际情况调整占空比的计算公式。
- 软件延时：频繁地设置舵机角度可能会导致 STM32 的 CPU 占用率过高。建议在设置舵机角度后，添加适当的软件延时，以降低 CPU 占用率。
STM32 智能垃圾桶项目 PWM 舵机控制的优化方向
在实际项目中，我们可以考虑以下优化方向：
- PID 控制：使用 PID 控制算法，可以提高舵机控制的精度和稳定性。PID 控制器可以根据目标角度和实际角度之间的误差，自动调整 PWM 的占空比，从而使舵机更快更准确地到达目标位置。
- 自适应调整：根据垃圾桶的使用情况，自动调整舵机的开盖角度和速度。例如，在光线较暗的环境下，可以将开盖角度适当增大，以便用户更方便地投放垃圾。
- 低功耗设计：在垃圾桶空闲时，可以关闭舵机的电源，以降低功耗。当检测到有人靠近时，再重新启动舵机。
通过本文的介绍，相信读者已经掌握了 STM32 PWM 的基本原理和舵机 SG90 的控制方法。在实际项目中，可以根据具体需求进行调整和优化，最终实现一个功能完善、性能稳定的智能垃圾桶。
