小白入门STM32（2）---控制SG90舵机---基础工作原理详解-Toy模板网

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序言

本人一枚软件编程人员，有一定C语言基础，目前自学STM32单片机，写下此篇一巩固所学二交流分享。

按照惯例，先介绍理论再实战上手，穿插习题，最后给出我的愚见。

SG90属于一种舵机，最适合小白入门，可直接由单片机驱动。另外，单片机中给我们封装了很多东西，所以有些地方，读者只要记住就好，不理解的地方，不要寻根究底，你就默认单片机底层给你实现了某项功能就好，不用在意其实现基础细节原理。

这篇理论讲的很浅显，是为了让大家容易看懂。

一、基础理论

1.1 舵机控制原理–PWM

舵机一般可以再0-180度或0-360度转动任意角度，经常用于小车小船转向控制和机械臂的关节等。舵机的转动角度范围不是固定的，请购买时问问商家，到底是哪个范围的。实际使用中，我们对舵机有两个基本需求：

舵机转动一定角度。
舵机转动时，控制者要求舵机转到一个新的角度。

机器如何给舵机发送其转动角度呢？首先，要低成本，信号线要少。其次，要满足任意角度和中途打断。设计者推出了一个简单的方法：用一个时长为20ms的信号去控制舵机，信号的前一段为高电平，持续时间0.5ms到2.5ms，代表转动角度0-180或者360度，后半段为低电平，这就是PWM信号，具体如下图：
小白入门STM32（2）---控制SG90舵机---基础工作原理详解
容易看出来，PWM信号利用前段为高电平持续时间控制旋转角度，本质用占空比控制了旋转角度。
运转时，舵机转到你指定的角度需要一定的时间，转动的角度越大，需要的时间越久，所以你可能需要等待一定的时间。如果你刚刚给舵机发送指令转到180度，紧接着又发送指令转到90度，舵机会不转到180度再转到90度，而是在接受到信号时直接在当前的角度直接转到90度去。

习题

习题110. 如果2.5ms为90度，那么36度的PWM信号是高电平时间长度是？
习题111. 为什么是PWM控制舵机，有没有其他的方法？
习题112. PWM信号属于串行还是并行通信？全工还是单工？为什么要这么设计？
习题113. PWM信号长度为20ms，为什么一般只用前2.5ms？

1.2 定时器

为什么要讲解定时器，要用它去产生PWM信号。

1.2.1 基础定时器

定时器，顾名思义，按照定下闹钟到了某个时刻做某件事情。比如，你定下闹钟早上6点起床跑步，或者每隔半个小时喝一次水。你也可以给机器制作一个闹钟，每隔半秒二极管发光或者熄灭，或者每隔4秒灯亮起来再过4秒灯熄灭。
为了达成“每隔4秒二极管亮起来再过4秒二极管熄灭”，咱们构造一套定时器系统，它也许很奇怪，设计的有些复杂，但是还请你压制疑问，跟我一起把它造出来。

咱们构造一个时钟装置，每过20ms，它响一次，也就是它将1秒切成50份，每份长20ms。（为什么要造这么一个时钟呢，这是因为单片机的时钟就是这种时钟，将1秒切成n份）
为了能够实现间隔4秒，咱们再做一个循环计数装置：每当时钟响1次，它的数值加一，但是智商有限，只知道0-199，到了199后再加一，数值归为0。
最后做一个开关装置，当计数装置数字为199时开关就反转一次，灯亮或者熄灭。
动画效果如下：

在上述的过程中，我们就利用制作了一个套装置，其中时钟是现实世界的时间源，循环计数装置提供实际需要的循环固定间隔，它们两个组成一个完整的简陋定时器，与单片机的基础定时器基本功能一致，下面正式介绍他们。

时钟装置

时钟装置：一般是STM32单片机的系统时钟，用变量sys_tck表示，频率72MHz，即将1秒分为7200万份，显然太细，频率太高了，需要降低频率，将原来的频率切分为原来的n分之一，即 $\frac{72,000,000}{n}$ ，术语叫做分频。如果采用720分频，即将原来72M频率除以720，即0.1MHz，每份约0.01ms。STM32单片机允许的最大分频数为65536，其为uint16类型数字，这个分频数其实是一个寄存器。

循环计数器

循环计数器：由一些寄存器构成。最重要的两个：

计数寄存器CK_CNT，可以存储一个uint16数字，时钟前进一下，其数值自动加一或减一。
自动重载寄存器ARR，当CK_CNT大于ARR时，CK_CNT会自动变化，重新循环计数。如果你会设置中断的话，当CK_CNT>ARR时，会触发一个中断。

循环计数器有三种模式：

模式名	解释	图像表示
向上计数	计数是自动加一，CK_CNT从0增长到ARR
向下计数	计数是自动减一，CK_CNT从ARR减小到0
中心对齐	计数是先自动加一，再自动减一，CK_CNT先从0加到ARR然后再减到0

1.2.2 比较定时器

只有基础时钟是无法产生PWM信号的，因为它只能提供循环固定间隔，不能将间隔分为前半段和后半段，进而产生PWM。为了做到这点，需要给循环计数器加一个比较数字CCR，当计数器的值更新时，与CCR比较，并对外输出比较的结果，以方便做其他动作。

接上面灯泡明亮的例子，我们改成灯泡在一秒亮三秒灭的模式。我们只需要在上述提到的理想装置中再加一个比较数字就好：
小白入门STM32（2）---控制SG90舵机---基础工作原理详解
CCR在STM32中是叫做比较寄存器，是循环计数器的第三个重要的寄存器。是STM32高级定时器才有的功能。

习题

习题121. 定时器的时钟装置，循环计数器各发挥了什么作用，请谈谈您的理解？
习题122. 循环计数器有哪些重要参数要设置？
习题123. STM32时钟频率为72MHz，分频数为uint16，CK_CNT为uint16，则最大循环时间间隔为多久时间？最小呢？
习题124. 如果要产生一个旋转360度的PWM信号，请设置时钟装置和循环计数器的寄存器值？

二、实战上手

STM32已经为我们在硬件上封装好了上述的提到的：时钟装置、循环计数器和对外输出装置，以及计数器的自动比较等功能，你我现阶段无需关心其细节。我们只需要对这些东西进行相关设置和接线就好。

2.1 设置定时器和单片机接线

小白入门STM32（2）---控制SG90舵机---基础工作原理详解

习题

习题211: 为什么Counter Period是这里为1999，而不是2000？

2.2 代码

小白入门STM32（2）---控制SG90舵机---基础工作原理详解

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
	TIM1->CCR1=50;
	HAL_Delay(1000);

	TIM1->CCR1=150;
	HAL_Delay(1000);
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

三、习题答案

习题110. 如果2.5ms为90度，那么36度的PWM信号是高电平时间长度是？

PWM信号最短0.5ms（对应0度），最长2.5ms（对应90度），所以:(2.5 - 0.5) / 90 * 36 + 0.5 = 1.3ms。

习题111. 为什么是PWM控制舵机，有没有其他的方法？

PWM将用时间长度表示转动角度，在硬件支持的情况下，该协议能够满足不同精度的细分转动角度。只用了一根导线来传输信号，相对价格便宜，好用。
可能有。

习题112. PWM信号属于串行还是并行通信？全工还是单工？为什么要这么设计？

一根导线，所以是串行。舵机是信息接收端，不会发信息给另一端，所以是单工。
很显然，一根导线很便宜，PWM机制很可靠，执行端不用发信息给信号源端。

习题113. PWM信号长度为20ms，为什么一般只用前2.5ms？

2.5ms为20ms的八分之一，利用率确实不高，我不知道确切原因。我的猜想是：空余出来的17.5ms，足够让执行端区分出线路上的杂音信号，并准备好接收下一次的pwm信号。

习题121. 定时器的时钟装置，循环计数器各发挥了什么作用，请谈谈您的理解？

定时器一般会循环执行某一操作。时钟装置提供了现实世界中的时间粒度，循环计数器记录一次循环中已经流失的时间以方便在特定的时刻，执行特定的操作。

习题122. 循环计数器有哪些重要参数要设置？

循环周期长度，即一个轮回的长度。

习题123. STM32时钟频率为72MHz，分频数为uint16，CK_CNT为uint16，则最大循环时间间隔为多久时间？最小呢？

uint16的值为0~65536，则分频后的时钟频率为 $\frac{72}{65536}$ ~ 72 MHZ，即时钟间隔范围为1.38e-07~0.00910秒。
CK_CNT为uint16，则ARR为1~65536。
最小循环时间间隔为1.38e-07s x 1 = 1.38e-07s。最小循环时间间隔为65536s*0.00910 = 596.3776s。