STM32 智能垃圾桶进阶：PWM 舵机控制 SG90 实战

在 STM32 智能垃圾桶项目中，我们需要控制垃圾桶盖的自动开合，而舵机（SG90）是一个常用的选择。本文将深入探讨如何使用 STM32 的 PWM 功能来精确控制 SG90 舵机，并分享一些实战经验。

问题场景：垃圾桶盖的精确控制

我们需要实现：

1. 当检测到垃圾桶前方有人靠近时，垃圾桶盖自动打开。
2. 在一定时间后，垃圾桶盖自动关闭。
3. 能够通过程序精确控制垃圾桶盖的开合角度。

这需要我们精确控制舵机的转动角度，而 PWM 正是实现这一目标的关键。

PWM 原理回顾

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）是一种通过改变脉冲的占空比来调节信号有效值的技术。在 STM32 中，我们可以通过配置定时器（Timer）来生成 PWM 信号。PWM 的几个关键参数包括：

• 频率（Frequency）：PWM 信号的周期，决定了舵机控制的刷新率。一般来说，舵机的工作频率在 50Hz 左右。
• 占空比（Duty Cycle）：高电平时间在一个周期中所占的比例，决定了舵机的转动角度。对于 SG90 舵机，通常使用 0.5ms-2.5ms 的高电平脉宽来控制 0-180 度的转动。
• 分辨率（Resolution）：占空比变化的最小单位，分辨率越高，舵机控制精度越高。

STM32 的定时器资源非常丰富，例如 TIM1、TIM2 等，我们可以选择合适的定时器来生成 PWM 信号。在使用定时器时，我们需要配置以下参数：

• 时钟源（Clock Source）：选择定时器的时钟源，通常选择内部时钟。
• 预分频器（Prescaler）：对时钟进行分频，降低定时器的计数频率。
• 自动重载值（Auto-Reload Value，ARR）：定时器计数到 ARR 值时，会重新开始计数。
• 比较值（Compare Value，CCR）：当定时器的计数值与 CCR 值相等时，输出 PWM 信号发生翻转。

SG90 舵机控制原理

SG90 舵机的工作原理是：通过控制输入 PWM 信号的高电平脉宽来控制舵机的转动角度。一般来说，SG90 的控制信号周期为 20ms（50Hz），高电平脉宽与转动角度的关系如下：

• 0.5ms：0 度
• 1.5ms：90 度
• 2.5ms：180 度

因此，我们需要根据所需的转动角度，计算出对应的 PWM 占空比，然后配置 STM32 的定时器，生成相应的 PWM 信号。

代码实现：STM32 控制 SG90

以下是一个使用 STM32CubeIDE 生成的工程控制 SG90 舵机的示例代码：

// 初始化 TIM1 的 PWM 输出
void PWM_Init(void) {
  TIM_HandleTypeDef htim1;
  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
  TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

  htim1.Instance = TIM1;
  htim1.Init.Prescaler = 71; // 72MHz / 72 = 1MHz
  htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; 
  htim1.Init.Period = 19999;  // 1MHz / 20000 = 50Hz (20ms)
  htim1.Init.ClockDivision = 0; 
  htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
  htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
  if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }

  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET; 
  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE; 
  if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim1, &sMasterConfig) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }

  sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; 
  sConfigOC.Pulse = 1500; // 初始角度，对应 1.5ms
  sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; 
  sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH; 
  sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE; 
  sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET; 
  sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET; 
  if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }

  HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); // 启动 PWM
}

// 设置舵机角度
void SetServoAngle(float angle) {
  // 计算对应的 PWM 脉宽
  float pulse_width = 0.5 + (angle / 180.0) * 2.0; // 0.5ms - 2.5ms
  uint32_t pulse = (uint32_t)(pulse_width * 1000); // us

  // 设置 CCR 值
  TIM1->CCR1 = pulse;  // 假设使用 TIM1_CH1
}

代码解释：

1. PWM_Init() 函数用于初始化 TIM1，配置 PWM 频率为 50Hz，并设置初始角度对应的脉宽（1.5ms）。
2. SetServoAngle() 函数用于设置舵机的转动角度，根据给定的角度计算出对应的 PWM 脉宽，然后设置 TIM1 的 CCR1 寄存器，改变 PWM 的占空比。

实战避坑经验总结

1. 电源问题：SG90 舵机需要独立的 5V 电源供电，不能直接从 STM32 的 3.3V 引脚取电，否则可能导致舵机工作不稳定甚至无法工作。
2. GND 共地：务必将 STM32 和舵机的 GND 引脚连接在一起，否则可能导致信号传输异常。
3. 抖动问题：如果舵机出现抖动，可以尝试调整 PWM 频率和分辨率，或者增加滤波电路。
4. 角度校准：由于 SG90 舵机的实际角度与 PWM 脉宽之间可能存在偏差，需要进行角度校准，以确保舵机能够精确转动到目标角度。
5. 注意舵机寿命：频繁地快速转动舵机可能会缩短其寿命，尽量避免不必要的转动。
6. CubeMX 配置要点：在使用 STM32CubeMX 配置时钟树时，需要确保 TIMx 的时钟频率是正确的，这直接影响 PWM 的频率和精度。可以使用调试器查看时钟频率，或者使用 HAL 库提供的时钟查询函数。

扩展：配合红外传感器实现智能控制

可以将代码与红外传感器或其他传感器结合，实现更智能的垃圾桶控制。例如，使用红外传感器检测到有人靠近时，自动调用 SetServoAngle() 函数打开垃圾桶盖，并在一段时间后自动关闭。

通过本文，我们详细了解了如何使用 STM32 的 PWM 功能来控制 SG90 舵机，并分享了一些实战经验。希望这些内容能够帮助你更好地完成你的 STM32 智能垃圾桶项目。