STM32 智能垃圾桶项目笔记（四）：PWM 回顾与舵机（SG90）控制实现

本系列笔记是笔者学习 B 站 up 主 "技术探索者" STM32 系列视频所作的记录，不理解的地方推荐观看视频~

一、前言
[二、PWM 快速回顾与舵机（SG90）控制](#二、PWM 快速回顾与舵机（SG90）控制)
- [2.1 PWM 核心概念快速回顾](#2.1 PWM 核心概念快速回顾)
- [2.2 舵机（SG90）工作原理与控制逻辑](#2.2 舵机（SG90）工作原理与控制逻辑)
- [2.3 CubeMX 配置（定时器 2 生成 50Hz PWM）](#2.3 CubeMX 配置（定时器 2 生成 50Hz PWM）)
- [2.4 舵机驱动代码实现（driver_SG90）](#2.4 舵机驱动代码实现（driver_SG90）)
- [2.5 主函数测试与预期现象](#2.5 主函数测试与预期现象)
三、下一篇预告：语音合成模块（SYN6288）
四、总结

一、前言

大家好，我是 Hello_Embed。上一篇我们完成了蓝牙模块（JDY-31）的通信验证，实现了 "手机指令控制 LED"。本次笔记将聚焦智能垃圾桶的 "执行核心"------ 舵机 SG90，通过 PWM 信号控制舵机转动，为后续 "自动开盖" 功能铺垫。

舵机控制的核心是 特定频率的 PWM 信号，因此先快速回顾 PWM 的核心概念（具体细节可参考笔者之前的 "STM32HAL 快速入门" 系列笔记），再逐步讲解舵机的原理、配置与代码实现。

二、PWM 快速回顾与舵机（SG90）控制

2.1 PWM 核心概念快速回顾

PWM（脉宽调制）本质是 "高低电平周期性交替的矩形波"，核心参数为频率和占空比，是控制舵机、电机、LED 亮度的基础。

2.1.1 核心参数定义

占空比 ：高电平持续时间占整个周期的比例，公式为 占空比 = 高电平时间（t2） / 周期（t）× 100%。

例：5V 设备接入占空比 50% 的 PWM 信号，实际等效工作电压约为 5V × 50% = 2.5V，可通过调节占空比控制设备功率（如电机调速）。
PWM 频率 ：单位时间内周期的数量，公式为 PWM 频率 = 时钟频率 / 预分频值 / (ARR + 1)（ARR 为自动重载值）。

2.1.2 PWM 输出原理

定时器计数器（CNT）从 0 向上累加，与捕获比较寄存器（CCR）实时比较：

当 CNT < CCR 时，输出高电平；
当 CNT ≥ CCR 时，输出低电平；
当 CNT = ARR 时，CNT 清零，开始下一个周期。

例：若 ARR=1000、CCR=800，则高电平占比 800/1000=80%（高电平有效）。

2.1.3 PWM 控制 LED 示例

以定时器 3 为例，配置预分频值 71、ARR=1000（频率 1kHz），代码启动 PWM 并设置占空比：

c 复制代码

// 启动定时器3 通道1 PWM 输出
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
// 设置 CCR1=500，占空比 50%（1000 周期内高电平 500）
TIM3->CCR1 = 500;

逻辑分析仪抓取的 50% 占空比波形如下：

若将 CCR1 改为 200，占空比则变为 20%。

2.2 舵机（SG90）工作原理与控制逻辑

2.2.1 舵机特性与原理

SG90 是 180° 模拟舵机，核心由 "信号调制芯片、电机、减速齿轮、电位器" 组成，工作原理如下：

接收 PWM 控制信号后，内部基准电路生成 20ms 周期、1.5ms 高电平的基准信号；
控制信号的高电平时间与基准信号比较，产生电压差；
电压差驱动电机正转 / 反转，通过减速齿轮带动电位器旋转；
当电位器电压与控制信号电压一致时，电压差为 0，电机停止，舵机稳定在目标角度。

舵机使用说明图如下：

2.2.2 舵机控制核心：PWM 时基脉冲

SG90 需 20ms 周期（频率 50Hz） 的 PWM 信号，高电平时间决定转动角度，180° 舵机的 "高电平时间 - 角度" 对应关系如下：

高电平时间	对应角度	占空比（20ms 周期）
0.5ms	0°	2.5%
1.0ms	45°	5%
1.5ms	90°	7.5%
2.0ms	135°	10%
2.5ms	180°	12.5%

关键结论：只要生成 50Hz PWM 信号，并调节高电平时间在 0.5ms~2.5ms 之间，即可控制舵机转动到对应角度。

2.3 CubeMX 配置（定时器 2 生成 50Hz PWM）

由于定时器 1 无法配置通道 1 为 PWM 输出，选择 定时器 2 通道 1（PA0 引脚） 生成 50Hz PWM 信号，配置步骤如下：

2.3.1 参数计算（50Hz 频率）

已知系统时钟 72MHz，目标 PWM 频率 50Hz，根据频率公式推导参数：

频率 = 72MHz / (预分频值 + 1) / (ARR + 1) = 50Hz
选择预分频值 = 720 - 1（720 分频后，时钟频率 = 72MHz / 720 = 100kHz）；
则 ARR + 1 = 100kHz / 50Hz = 2000 → ARR = 2000 - 1 = 1999。

2.3.2 定时器 2 配置

进入 Timers → TIM2，模式选择 Internal Clock；
参数配置：
- Prescaler（预分频值）：719（720 分频）；
- Counter Period（ARR）：1999（2000 周期）；
- PWM 模式：通道 1 设为 PWM Generation CH1；
- 极性：默认 High（高电平有效，不影响舵机控制）；
引脚：TIM2 通道 1 对应 PA0，无需手动修改；
配置截图如下：

2.3.3 生成工程

确认基础配置（HCLK=72MHz、Debug=Serial Wire）不变，点击 Generate Code 生成工程，编译确保无错误。

2.4 舵机驱动代码实现（driver_SG90）

新建 driver_SG90.c 和 driver_SG90.h 驱动文件，封装 "舵机初始化" 和 "角度设置" 函数，核心是将 "角度" 线性映射为 "CCR 值"。

2.4.1 驱动头文件（driver_SG90.h）

定义角度对应的 CCR 值宏（0° 对应 50、180° 对应 250，推导：2000 周期内 0.5ms 占 50 个计数单位，2.5ms 占 250 个计数单位）：

c 复制代码

#ifndef __DRIVER_SG90_H
#define __DRIVER_SG90_H

#include "tim.h"  // 包含定时器句柄定义

/* 舵机角度-CCR 值映射宏（2000 周期，50Hz） */
#define SG90_0_DEGREE       50    // 0° 对应 CCR 值（0.5ms 高电平）
#define SG90_90_DEGREE      150   // 90° 对应 CCR 值（1.5ms 高电平）
#define SG90_180_DEGREE     250   // 180° 对应 CCR 值（2.5ms 高电平）

/* 函数声明 */
void SG90_Init(void);            // 舵机初始化（启动 PWM + 复位到 90°）
void SG90_SetAngle(uint8_t angle); // 设置舵机角度（0-180°）

#endif

2.4.2 驱动源文件（driver_SG90.c）

实现初始化和角度设置函数，包含角度范围限制和线性映射逻辑：

c 复制代码

#include "driver_SG90.h"

// 声明定时器2 句柄（CubeMX 自动生成在 tim.c 中）
extern TIM_HandleTypeDef htim2;

/**
 * @brief  舵机 SG90 初始化函数
 * @param  无
 * @retval 无
 * @note   启动定时器2 通道1 PWM，初始化舵机到中间位置（90°）
 */
void SG90_Init(void)
{
    // 启动 TIM2 通道1 PWM 输出（舵机信号线接 PA0）
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
    // 初始化角度为 90°（避免舵机上电后无规律转动）
    SG90_SetAngle(90);
}

/**
 * @brief  设置舵机 SG90 目标角度
 * @param  angle：目标角度（范围 0-180°，超过 180° 自动限制为 180°）
 * @retval 无
 * @note   线性映射：角度 → CCR 值（0°→50，180°→250）
 */
void SG90_SetAngle(uint8_t angle)
{
    uint16_t ccr_value = 0;  // 存储计算后的 CCR 值

    // 限制角度范围（避免超出舵机物理极限）
    if (angle > 180)
    {
        angle = 180;
    }

    // 线性映射公式：ccr = 最小CCR + (最大CCR-最小CCR) × 角度/180
    ccr_value = SG90_0_DEGREE + (uint16_t)((SG90_180_DEGREE - SG90_0_DEGREE) * angle / 180);

    // 设置 TIM2 通道1 的 CCR 值（更新 PWM 高电平时间）
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, ccr_value);
}

2.5 主函数测试与预期现象

在 main.c 中调用舵机驱动函数，实现 "每秒转动 45°" 的测试逻辑：

c 复制代码

#include "driver_SG90.h"

// 全局变量：舵机当前角度、计时变量
uint8_t sg90_current_angle = 0;
uint32_t sg90_tick = 0;

int main(void)
{
    SG90_Init();
    while (1)
    {
        // 500ms 定时（避免转动过快导致舵机卡顿）
        if (HAL_GetTick() - sg90_tick > 500)
        {
            sg90_tick = HAL_GetTick();  // 更新计时基准

            // 设置舵机到当前角度
            SG90_SetAngle(sg90_current_angle);

            // 角度累加 45°，超过 180° 重置为 0°
            sg90_current_angle += 45;
            if (sg90_current_angle >= 180)
            {
                sg90_current_angle = 0;
            }
        }
    }
}

三、下一篇预告：语音合成模块（SYN6288）

完成舵机控制后，下一篇将聚焦智能垃圾桶的 "语音提示" 功能 ------ 基于语音合成模块 SYN6288 实现 "开盖提示""关盖提示" 等语音输出。内容包括：

SYN6288 模块特性与接线（串口通信）；
CubeMX 串口配置（与模块匹配的波特率）；
语音合成代码实现（发送文本指令，模块转换为语音）；
功能整合：舵机开盖时触发 "欢迎使用" 语音，关盖时触发 "谢谢使用" 语音。

四、总结

本次笔记围绕 "PWM 控制舵机" 展开，核心收获包括：

回顾 PWM 频率与占空比的计算逻辑，理解 "特定频率 PWM 信号" 对舵机控制的重要性；
掌握 SG90 舵机的控制原理（20ms 周期 PWM + 高电平时间 - 角度映射）；
封装通用舵机驱动函数，实现 "角度 - CCR 值" 线性映射，为后续 "自动开盖" 功能提供可复用代码。

至此，智能垃圾桶的 "感知（超声波）- 通信（蓝牙）- 执行（舵机）" 三大核心模块已全部覆盖，下一篇将通过语音模块丰富项目交互体验。请关注 Hello_Embed，后续笔记持续更新！

STM32 智能垃圾桶项目笔记（四）：PWM 回顾与舵机（SG90）控制实现

目录

一、前言

二、PWM 快速回顾与舵机（SG90）控制

2.1 PWM 核心概念快速回顾

2.1.1 核心参数定义

2.1.2 PWM 输出原理

2.1.3 PWM 控制 LED 示例

2.2 舵机（SG90）工作原理与控制逻辑

2.2.1 舵机特性与原理

2.2.2 舵机控制核心：PWM 时基脉冲

2.3 CubeMX 配置（定时器 2 生成 50Hz PWM）

2.3.1 参数计算（50Hz 频率）

2.3.2 定时器 2 配置

2.3.3 生成工程

2.4 舵机驱动代码实现（driver_SG90）

2.4.1 驱动头文件（driver_SG90.h）

2.4.2 驱动源文件（driver_SG90.c）

2.5 主函数测试与预期现象

三、下一篇预告：语音合成模块（SYN6288）

四、总结