STM32 PWM 驱动舵机 教学笔记

基于示例工程：D:\下载\STM32入门教程资料\程序源码\STM32Project-有注释版\6-4 PWM驱动舵机
硬件：STM32F103C8 + 标准外设库 V3.5.0（Keil 工程）
前置：已学完你的《STM32_中断定时器PWM学习笔记》。本篇就是把 PWM 用在一个真实外设——舵机上，是一次"拿学过的知识做产品功能"的实战。

一、舵机是什么？为什么用 PWM 控制它？

1.1 舵机（Servo）是什么

舵机是一种可以转到指定角度并保持住的电机。常见的有：

• SG90 9g（本项目用的，玩具级、便宜）
• MG995 / MG996R（金属齿轮，力大）
• 数字舵机、总线舵机（更高级）

它内部长这样（不用记，有个印象）：

                    ┌─────────────┐
   电源 + 地 + 信号  │  控制电路    │
   ───────────────► │  电位器反馈  │──► 电机 ──► 减速齿轮 ──► 输出轴（摇臂）
                    └─────────────┘

控制电路不断读取输出轴的当前位置（电位器反馈），和你要的目标角度比，有误差就转，转到位就停——这是一个闭环系统。你不需要懂内部细节，只需要知道：给它一条符合要求的 PWM 波，它就把轴转到对应角度。

1.2 舵机到底要什么样的 PWM？

SG90 的要求是固定的：

频率 50Hz（周期 20ms），高电平脉宽 0.5ms ~ 2.5ms，对应 0° ~ 180°

关键点：舵机看的是"脉宽"（高电平持续多久），频率必须是 50Hz。 同一个 20ms 周期里，高电平占 0.5ms 就是 0°，占 2.5ms 就是 180°。

对照你学过的知识：这就是 PWM 的"占空比"——只不过舵机只用了占空比里很窄的一段（见 5.3）。这就是为什么控制舵机和给 LED 调光用的是同一套 PWM 硬件，参数却完全不同。

1.3 换个角度理解：PWM 在这里"骗"的是舵机控制电路

回想你的《前置基础》：PWM 能"骗"过人眼（LED 调光）。对舵机，PWM 是在"骗"它的控制电路——控制电路把脉宽当成"目标角度指令"。同样的 PWM 硬件，输出不同的脉宽，驱动不同的外设。

二、接线与硬件准备

SG90 舵机一般引出三根线：

⚠️ 供电是舵机最容易出问题的地方：

• 舵机转动瞬间电流可达几百 mA，不能直接从 STM32 的 3.3V 引脚取电。
• 正确做法：舵机 VCC 接 外部 5V 电源，GND 与 STM32 的 GND 共地，信号线接 PA1。
• 开发板上有 5V 输出引脚，但舵机电流大时可能把板子电压拉垮，建议用独立电源或用开发板 5V（视板子供电能力而定）。

本项目信号脚是 PA1 = TIM2_CH2（下面会讲为什么 PA1 能输出 PWM）。

三、工程结构与分层思想（先看懂骨架）

6-4 PWM驱动舵机/
├── User/           main.c, stm32f10x_it.c ...
├── Hardware/       OLED, Key, Servo, PWM, LED   ← 硬件驱动模块
├── System/         Delay
├── Library/        标准外设库
├── Start/          启动文件、内核文件
├── Objects/        编译产物
└── Listings/       编译产物

调用关系（重要，记住这个分层）：

main.c
  │  只用"语义化"的函数
  ▼
Servo.c（舵机驱动）        Servo_SetAngle(角度)
  │  只调 PWM 模块
  ▼
PWM.c（PWM 驱动）          PWM_SetCompare2(CCR值)
  │  调标准库
  ▼
标准外设库                TIM_SetCompare2(...)  → 寄存器

为什么这样分层？

这是嵌入式开发最重要的习惯之一：把硬件细节封装起来，上层用"人类语言"调用。你以后写任何外设，都应该按这个思路分层。

四、PWM 初始化逐行精讲（PWM.c）

这是整个工程的核心。我们一行一行拆。

4.1 开启时钟

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);   // 开 TIM2 时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);  // 开 GPIOA 时钟

• TIM2 在 APB1 总线上（所以用 RCC_APB1PeriphClockCmd）。
• GPIOA 在 APB2 总线上（用 RCC_APB2PeriphClockCmd）。
• 回忆你的笔记：用任何外设前必须先开时钟，忘了就什么都没反应。

4.2 配置 GPIO：PA1 为复用推挽输出

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;   // 复用推挽
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

• 为什么要 AF_PP（复用推挽）？ 因为 PA1 这个脚现在交给 TIM2 控制，不再由 GPIO 自己控制。凡是被外设（定时器、串口、SPI…）控制的输出脚，都要配"复用模式"。
• 对比：你自己手动 GPIO_SetBits/ResetBits 控制 LED 时用 Out_PP（普通推挽）。
• PA1 为什么能输出 PWM？ 因为 PA1 的"复用功能"之一就是 TIM2_CH2（定时器2的通道2）。每个引脚能复用成什么功能，查数据手册的"引脚复用功能表"。

4.3 选择时钟源

TIM_InternalClockConfig(TIM2);   // 选择内部时钟（不调也是默认内部时钟，可省略）

• TIM2 用内部时钟（来自系统时钟链）。这一行可写可不写，写上更明确。

4.4 时基单元配置（决定 PWM 频率）

TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;     // 滤波器时钟不分频
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode   = TIM_CounterMode_Up; // 向上计数
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period        = 20000 - 1;        // ARR = 19999
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler     = 72 - 1;           // PSC = 71
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;            // 高级定时器才用
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);

这里的两个数字是全局的精华，下面第 5 节专门推导。 先记住结论：PSC=71、ARR=19999 → PWM 频率 = 50Hz，周期 = 20ms。

4.5 输出比较通道配置（决定占空比 / 脉宽）

TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);                    // 先给结构体填默认值
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode     = TIM_OCMode_PWM1;      // PWM 模式1
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;  // 高电平有效
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; // 使能输出（易忘！）
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse      = 0;                    // 初始 CCR = 0
TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);                   // 配置通道2

• TIM_OC2Init 里的"2"是通道号：我们用的是 TIM2 的通道 2（PA1），所以是 OC2。如果信号脚接 PA0（通道1）就要改成 TIM_OC1Init。
• TIM_OCMode_PWM1：回忆 PWM 笔记——计数 CNT < CCR 时输出高，CNT ≥ CCR 时输出低。脉宽就是 CCR 个计数节拍。
• TIM_Pulse = 0：初始 CCR 为 0，相当于一直输出低电平（舵机先不转）。真正的脉宽由后面 Servo_SetAngle 动态设置。
• TIM_OCStructInit：防止结构体里有成员没赋值导致初值不确定，这是个好习惯。

4.6 使能定时器

TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);   // 启动 TIM2，PWM 开始输出

• 这一步最容易被漏。没有它，前面全白配。

五、关键计算：为什么是 PSC=71、ARR=19999？

这是本篇最重要的一节，把数字算明白，你就真正懂了。

5.1 套公式

PWM 频率 = 定时器时钟 ÷ (PSC + 1) ÷ (ARR + 1)

本项目定时器时钟 = 72 MHz（标准 72MHz 系统时钟下，TIM2 在 APB1，APB1 分频为 2 时定时器时钟 = 72MHz，详见你的定时器笔记）。

定时器时钟 = 72 MHz
PSC + 1    = 72        → 计数时钟 = 72MHz / 72 = 1 MHz（每 tick = 1μs）
ARR + 1    = 20000     → PWM 频率 = 1MHz / 20000 = 50 Hz

50 Hz 的周期 = 1 / 50 Hz = 20 ms，正好是舵机要求的频率！

5.2 为什么"刚好"要这样拆？

舵机要求周期 20ms。我们有两个旋钮：

关键妙处：计数时钟 = 1MHz，意味着 CCR 的数值直接就是"脉宽的微秒数"！

CCR = 500   → 高电平 500μs = 0.5ms
CCR = 1500  → 高电平 1500μs = 1.5ms
CCR = 2500  → 高电平 2500μs = 2.5ms

这让你在写 Servo_SetAngle 时能直接用"毫秒/微秒"思考，不用来回换算。选 PSC=71 是为了让"1 tick = 1μs"这个换算关系成立。

5.3 舵机占空比只有一段窄范围

回忆 PWM 笔记：占空比 = CCR / (ARR + 1)。本项目：

0°  → CCR=500  → 占空比 = 500/20000 = 2.5%
180°→ CCR=2500 → 占空比 = 2500/20000 = 12.5%

舵机只工作在 2.5% ~ 12.5% 占空比这一段，而 LED 调光可以用 0~100%。这就是为什么"同样是 PWM，参数却差很多"——先看外设要求，再算参数。

5.4 对照：LED 呼吸灯 vs 舵机

六、Servo_SetAngle 角度换算（Servo.c）

这是把"人类角度"翻译成"舵机脉宽"的地方，也是一行魔法公式：

void Servo_SetAngle(float Angle)
{
    PWM_SetCompare2(Angle / 180 * 2000 + 500);   // 角度 → CCR
}

6.1 公式推导（重点）

目标：把 0° ~ 180° 线性映射到 CCR = 500 ~ 2500（也就是 0.5ms ~ 2.5ms）。

CCR = Angle / 180 * 2000 + 500
      └────────┬────────┘   └┬┘
       角度占 180° 的比例   基础脉宽(0.5ms=500)
       × 总脉宽跨度(2.5-0.5=2ms=2000)

代入验证：

公式拆成两段理解：+500 是"0° 对应的基础脉宽"，Angle/180×2000 是"在 0.5ms 基础上，每多 1° 多加多少"。180° 总共跨 2000μs，所以每度 = 2000/180 ≈ 11.1μs。

6.2 为什么 Angle 是 float

角度可能带小数（比如 90.5°），用 float 保留精度。公式里的除法也是浮点除法，最后结果会自动转成整数传给 PWM_SetCompare2（它收 uint16_t）。

6.3 舵机模块存在的意义

如果没有 Servo 模块，main 里得写：

TIM_SetCompare2(TIM2, (uint16_t)(Angle / 180 * 2000 + 500));   // 又长又难懂

有了 Servo 封装，main 里只写 Servo_SetAngle(Angle)。这就是分层带来的可读性。

七、main.c 主程序逻辑

uint8_t KeyNum;   // 键码
float   Angle;    // 当前角度

int main(void)
{
    OLED_Init();      // OLED 初始化
    Servo_Init();     // 舵机初始化（内部就是 PWM_Init）
    Key_Init();       // 按键初始化

    OLED_ShowString(1, 1, "Angle:");   // 第一行显示 "Angle:"

    while (1)
    {
        KeyNum = Key_GetNum();          // 读按键
        if (KeyNum == 1)                // 按键1按下
        {
            Angle += 30;                // 角度 +30°
            if (Angle > 180)            // 超过 180°
                Angle = 0;              // 归零
        }
        Servo_SetAngle(Angle);          // 让舵机转到 Angle
        OLED_ShowNum(1, 7, Angle, 3);   // 在 OLED 上显示角度（3位）
    }
}

流程逻辑：主循环无限转——读按键 → 有按键就改角度 → 把角度发给舵机 → 显示。按下一次按键 1，舵机转 30°；到 180° 后再按回 0°。

可以改进的小地方（后面练习用）：

• Servo_SetAngle 每次都调用，即使角度没变也重复设值。可以只在 KeyNum != 0 时才设置。
• KeyNum 判断只处理了 1，按键 2（PB11）被忽略了。

八、配套模块简单带过（Key / OLED）

8.1 按键（Key.c）——阻塞式扫描

if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 0)   // PB1 为低 = 按下
{
    Delay_ms(20);                                     // 消抖
    while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 0);  // 等松手
    Delay_ms(20);                                     // 再消抖
    KeyNum = 1;
}

• PB1、PB11 配成上拉输入（GPIO_Mode_IPU），按下接地 → 读到 0。
• 消抖：机械按键按下瞬间会弹跳，加 20ms 延时等电平稳定（数电里的"抖动"问题）。
• 阻塞式：while(等待松手) 会卡住主循环。简单教学够用，但如果你以后要用中断，就不能这么写。

8.2 OLED（OLED.c）——显示调试信息

OLED_ShowString(1,1,"Angle:") 和 OLED_ShowNum(1,7,Angle,3) 在屏幕第 1 行显示角度数值。OLED 的作用就是"让你看见程序在干什么"，和串口打印一样，是最重要的调试手段之一。

九、常见问题与调试

不同舵机的脉宽范围可能不同（有的 0.5~~2.5ms，有的 1~~2ms，有的 0~270°）。用前先查舵机说明书，改 Servo.c 里的 2000 和 500 两个常数即可。这就是为什么标定代码要集中放在 Servo.c 一个地方——改一处，全工程生效。

十、动手扩展练习（强烈建议至少做一个）

1. 按键 2 减小角度：main 里加 else if (KeyNum == 2) Angle -= 30;，并处理下限。
2. 自动往复"扫舵机"：用定时器中断，每 100ms 让角度在 0~180 来回摆动（把定时器笔记和这篇合起来）。
3. 电位器控制：用 ADC 读电位器电压 → 映射到 0~180° → Servo_SetAngle。等你学完 ADC 再来做。
4. 串口控制：用串口发一个角度数字，舵机转到对应角度。
5. 改角度步进：把 30° 改成 10° 或 45°，观察舵机转动的差异。

附录：本工程用到的标准库函数

本篇一句话总结：舵机是"吃脉宽"的外设——固定 50Hz、0.5~~2.5ms 对应 0~~180°。用定时器输出 PWM 时，PSC=71 把计数时钟变成 1MHz（1 tick=1μs），ARR=19999 把周期定成 20ms，于是 CCR 数值 = 脉宽微秒数，Servo_SetAngle 一行公式 Angle/180*2000+500 就把角度变成了脉宽。整篇就是"外设要求 → 反推 PSC/ARR/CCR → 封装成好用的模块"的完整流程。