STM32F1基于HAL库的学习记录实用使用教程分享(五、PWM驱动舵机、呼吸灯)

往期内容

STM32F1基于HAL库的学习记录实用使用教程分享(一、GPIO_Output)

STM32F1基于HAL库的学习记录实用使用教程分享(二、GPIO_Input 按键)

STM32F1基于HAL库的学习记录实用使用教程分享(三、外部中断 按键)

STM32F1基于HAL库的学习记录实用使用教程分享(四、OLED IIC驱动 软件IIC 硬件IIC)

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前言

本文记录了通过使用STM32F103ZET6单片机PWM的学习

随着嵌入式行业的兴起，于此记录个人的一些学习过程并进行分享，本次是单片机控制里很重要的一个功能PWM

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声明：本文章在编写过程中，我始终致力于尊重并保护所有原创内容及其知识产权。然而，由于信息来源的多样性和复杂性，可能存在个别内容未明确标注出处、存在事实性错误或无意中侵犯了他人的知识产权的情况。对于任何可能存在的上述问题，我深感歉意，并在此提前向受影响的作者表示最诚挚的歉意。我始终秉持着尊重原创、维护知识产权的原则，绝无意侵犯任何人的合法权益。一旦收到您的反馈，我将立即核实并在第一时间内对文章进行修改。这包括但不限于补充相关引用信息、更正错误内容或删除涉嫌侵权的内容。再次感谢您的关注与支持，期待与您共同营造一个更加美好的知识共享空间。新手文章诸多不足，还望海涵。

一、PWM

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制），是一种通过调整数字信号中脉冲的“宽度”（即高电平持续时间），来模拟控制电压或电流大小的技术。简单来说，它能让数字信号“伪装”成模拟信号，从而实现对设备的精细控制。
例如，在嵌入式系统中，虽然LED只能完全点亮或熄灭（数字特性），但通过PWM技术，可以让LED快速闪烁，利用人眼的视觉暂留效应，让人感觉亮度被“调暗”或者“调亮”了，即为“呼吸灯”。

PWM如何控制LED亮度？

核心原理：占空比

占空比 = （高电平时间 / 一个完整周期时间）× 100%。

例如：若占空比为50%，表示LED在半个周期内亮，半个周期内灭；若占空比为20%，则亮的时间更短，平均亮度更低。

通过调节占空比，可以等效改变LED的平均电压，从而实现亮度的连续调节。

为什么需要“惯性系统”？

PWM的效果依赖于系统的“惯性”。例如：

LED余晖：LED熄灭时不会瞬间变暗，而是逐渐衰减。

人眼视觉暂留：人眼对快速变化的亮灭无法分辨，会感知为持续亮度。

如果没有这种惯性，PWM的快速开关会直接被察觉为闪烁，而非平滑的亮度变化。

PWM的应用场景

电机调速：通过调节占空比控制电机转速。

智能家居：调光LED灯、风扇转速控制。

电源管理：高效DC-DC电压转换。

PWM的核心参数与STM32的实现原理

PWM的三大参数：频率、占空比、分辨率

频率（Frequency）

• 定义：每秒内完整脉冲周期的数量，单位赫兹（Hz）。
• STM32实现：由定时器时钟源、预分频器（Prescaler）和自动重装载值（AutoReload）共同决定。
• 计算公式：
  $$\text{PWM频率}=\frac{\text{定时器时钟}}{(\text{Prescaler}+1)\times (\text{AutoReload}+1)}$$
• 典型场景：
  • 舵机控制：50Hz（周期20ms）
  • LED调光：1kHz~10kHz（避免人眼感知闪烁）
  • 电机调速：10kHz~20kHz（降低噪声）

占空比（Duty Cycle）

• 定义：高电平时间占整个周期的百分比，决定等效输出的平均电压。
• STM32设置：通过修改捕获比较寄存器（CCR）实现，取值范围为 0 到 AutoReload。
• 计算公式：
  $$\text{占空比}=\frac{\text{CCR值}}{\text{AutoReload}+1}\times 100\%$$

3. 分辨率（Resolution）

• 定义：占空比的最小调节步长，由AutoReload值决定。
• 提高分辨率的方法：增大AutoReload值（需权衡频率限制）。
• 示例：
  • AutoReload=199 → 分辨率≈0.5%
  • AutoReload=9999 → 分辨率≈0.01%

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1.2 STM32F103的定时器资源与PWM通道分配

STM32F103的定时器分为三类（以ZET6为例）：

定时器类型	包含定时器	功能特性
高级定时器	TIM1、TIM8	支持互补输出、死区控制，适合电机驱动
通用定时器	TIM2~TIM4	4通道PWM输出，支持输入捕获
基本定时器	TIM6、TIM7	仅支持基础计时功能

关键引脚映射表：

定时器	通道	典型引脚（以C8T6为例）
TIM1	CH1~CH4	PA8, PA9, PA10, PA11
TIM2	CH1~CH4	PA0, PA1, PA2, PA3
TIM3	CH1~CH4	PA6, PA7, PB0, PB1

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二、配置

在选择好芯片并进入配置界面后的操作如下进行

1.RCC

2.SYS

3.时钟树

以上三个部分再前三期文章中都已赘述过，而且也很基础，故在从今以后的文章中都会省略，有需要的同学可翻阅往期文章查阅。
STM32F1基于HAL库的学习记录实用使用教程分享(一、GPIO_Output)

4.引脚配置

定时器参数设置：

• Prescaler：71 → 分频后时钟 = 72MHz / (71+1) = 1MHz
• Counter Mode：Up（向上计数）
• AutoReload：999 → PWM频率 = 1MHz / (999+1) = 1kHz
• Pulse：初始占空比（例如500，对应50%）

三、代码

// 将角度转换为CCR值（假设AutoReload=19999，对应20ms周期）
uint32_t angle_to_ccr(float angle) {
    return (500 + (angle / 180.0) * 2000); // 0.5ms~2.5ms → 500~2500
}

// 调用示例：设置舵机为90°
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, angle_to_ccr(90));

// 全局变量
volatile uint16_t pwm_val = 0;
volatile int8_t dir = 1;  // 方向：1为渐亮，-1为渐暗

// 在定时器中断回调函数中更新占空比
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    if (htim == &htim4) {  // 假设TIM4用于控制呼吸节奏
        pwm_val += dir * 10;
        if (pwm_val >= 1000) dir = -1;
        else if (pwm_val <= 0) dir = 1;
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pwm_val);
    }
}

//别忘记启动定时器
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);

四、演示效果

呼吸灯演示视频

舵机一点一点转动

总结

本篇内容略少，但这也是为后期的内容做铺垫衔接。后面的内容“干货”会更多一些，敬请期待。

又是经过一个充实而忙碌的夜晚，深知文章中仍不免有诸多省略和未及细讲之处。对于那些在阅读过程中仍感意犹未尽、存有疑问的同学，建议大家不妨拓宽视野，多阅读几篇来自不同作者、风格各异的优秀文章。相信通过多角度、多层次的学习，你们定能集百家之长从而对单片机有更加深入和全面的理解。

在此，我的初衷不仅是为初学者提供一份学习路上的指引，也是对自己学习历程的一次回顾与总结。通过分享，我希望能激发更多人对单片机技术的兴趣，共同探索这片充满挑战与机遇的领域。

为了保持内容的连贯性和避免不必要的重复，我计划在未来的博客中，对于本文中已提及但未深入展开的话题，将通过链接的方式引导大家回到本文进行查阅。同时，我也将不断优化和完善文章内容，力求为大家提供更加准确、全面、易于理解的学习资源。

感谢大家的关注与支持！接下来我可能新开一个栏目讲解舵机机械臂的控制

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参考文献引用

STM32——PWM原理及应用（附代码）

【STM32】HAL库 STM32CubeMX教程七—PWM输出(呼吸灯)