STM32学习笔记（四）TIM定时中断、PWM的简单应用（舵机、直流电机）

Whisper_Yu

已于 2024-12-15 20:36:31 修改

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文章标签： stm32 学习笔记

于 2024-12-15 19:52:33 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Whisper_Yu/article/details/144253320

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该系列为笔者在学习STM32过程（主线是江科大的视频）中的记录与发散思考。

初学难免有所纰漏、错误，还望大家不吝指正，感谢~

一、TIM 简介

定时器（Timer，简称 TIM）是 STM32 中非常重要的外设之一，广泛应用于定时、计数、PWM 输出、事件触发等多种场景。STM32 提供了多个定时器，每个定时器的功能和性能有所不同，但基本原理类似。

定时器的工作原理是通过不断计数来产生定时事件，计数器会在每个周期到达预设值时触发中断，允许用户在中断服务程序（ISR）中执行相应的操作。

STM32 的定时器可以用于：

时间延迟：精确控制程序执行的时间。
PWM 输出：用于控制电机、LED 等设备的亮度和速度。
外部事件计数：用于计数外部信号的发生次数。
定时中断：定期触发中断，进行周期性操作。

二、定时器类型

STM32 提供了多种类型的定时器：

每种定时器的功能根据其应用场景和资源不同而有所差异，但它们都具备基础的定时和中断功能。

三、定时器中断的基本结构

定时器的中断通常由 计数器溢出（或者达到某个比较值）引发。当定时器的计数器值与设定的比较值匹配时，定时器会触发中断请求。中断服务程序会在定时器中断触发时被调用。

时基单元的组成：ARR、PSC、CNT

ARR（自动重载寄存器）：
- ARR 定义了定时器的计数周期，也就是定时器从 0 到 ARR 的计数范围。例如，设置 ARR 为 9999，定时器将从 0 开始计数，直到 9999 后重新计数。
- 该寄存器的值决定了定时器的计数周期，通常与预分频器配合使用，以确定计时器的实际时间间隔。
PSC（预分频器寄存器）：
- PSC 用来设置定时器时钟的预分频器。定时器时钟源的频率会被预分频器分频，然后驱动计数器进行计数。
- 预分频器值为 PSC，可以计算出定时器的实际计数频率：定时器频率＝时钟频率 / （PSC+1）
- 通过设置不同的预分频器值，可以调整定时器的计数速度。
CNT（计数器寄存器）：
- CNT 存储定时器当前的计数值，通常从 0 开始计数，在到达 ARR 设置的值后溢出，并触发中断。

简单流程如下图

四、输出比较与 PWM

在 STM32 中，输出比较和PWM广泛应用于控制设备的响应，如舵机、直流电机等。定时器的输出比较功能可以用于产生精确的时间间隔或频率信号，PWM 通常用于调节输出信号的占空比，以控制设备的工作状态。

1. 输出比较简介

输出比较是定时器的一种功能，允许定时器与外部事件同步，或者用于产生精确的定时事件。定时器的计数器值与设定的比较值进行比对，当计数器值达到比较值时，定时器将输出相应的信号。

输出比较可以配置为不同的模式，主要用于：

产生定时信号：通过输出一个精确的波形或频率。
事件触发：当计数器与比较值匹配时，可以触发外部事件或中断。

2. PWM 简介

PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是一种通过控制信号的高电平时间（占空比）来调节电力输出的技术。它广泛用于电机控制、LED 调光等应用。通过调节 PWM 信号的占空比，可以控制外设的输出功率。

PWM 信号的基本结构为一个周期性的方波信号，其中占空比（高电平持续时间与周期的比例）决定了信号的平均功率。占空比越高，输出功率越大。

3. 输出比较模式

输出比较有多个模式，常见的模式如下图所示：

（CNT：自带的计数器 CCR：自己设置的一个用于和CNT比较的值）

4. PWM 基本结构

PWM 信号的基本结构是一个周期性的方波，其中周期由定时器的 ARR（自动重载寄存器）设置，占空比由 CCR（比较寄存器）设置。

ARR（自动重载寄存器）：设置 PWM 信号的周期。定时器从 0 开始计数，直到 ARR 设置的值，然后重新计数。
CCR（比较寄存器）：设置 PWM 信号的占空比。通过调整 CCR 值，可以改变高电平持续的时间，从而改变占空比。

5. PWM 参数计算

PWM 的参数计算通常涉及以下几个步骤：

PWM 周期 = ARR + 1
PWM 占空比 = (CCR / ARR) * 100%

例如，假设系统时钟为 72 MHz，定时器的 ARR 设置为 9999，CCR 设置为 5000，那么：

PWM 周期 = 9999 + 1 = 10000（时钟周期数）。
PWM 占空比 = (5000 / 10000) * 100% = 50%。

通过调整 CCR 和 ARR 的值，可以控制 PWM 信号的频率和占空比。

（ARR+1的原因是计数器从0开始计数，PSC+1的原因是，PSC=1时为二分频，=2时为三分频.....）

6. 舵机简介

舵机是一种常用于控制角度的电动执行器。舵机通常使用 PWM 信号来控制其角度位置。PWM 信号的占空比决定了舵机转动的角度，一般来说，舵机的工作范围是 0° 到 180°，而占空比通常对应于某个特定的角度。

舵机控制：常用的舵机控制方法是将 PWM 信号的占空比调整为一定的值，从而让舵机转到相应的角度。例如，占空比为 5% 时，舵机对应 0°，则占空比为 10% 时，舵机对应 90°，占空比为 15% 时，舵机对应 180°。

8. 直流电机及驱动简介

直流电机（DC Motor）是通过电流在电磁场中产生运动的电动机，广泛用于自动化控制和电动工具中。直流电机的转速和转向可以通过调节电流和电压来控制。

PWM 控制直流电机：通过调节 PWM 信号的占空比，可以控制电机的转速。占空比越大，电机的平均电压越高，转速也越快。

五、代码部分

（为便于复习，给出来自江科大的相关代码。）

1.PWM初始化

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

/**
  * 函    数：PWM初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void PWM_Init(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);			//开启TIM2的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);			//开启GPIOA的时钟
	
	/*GPIO初始化*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);							//将PA1引脚初始化为复用推挽输出	
																	//受外设控制的引脚，均需要配置为复用模式
	
	/*配置时钟源*/
	TIM_InternalClockConfig(TIM2);		//选择TIM2为内部时钟，若不调用此函数，TIM默认也为内部时钟
	
	/*时基单元初始化*/
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;				//定义结构体变量
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;     //时钟分频，选择不分频，此参数用于配置滤波器时钟，不影响时基单元功能
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //计数器模式，选择向上计数
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 20000 - 1;				//计数周期，即ARR的值
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;				//预分频器，即PSC的值
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;            //重复计数器，高级定时器才会用到
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);             //将结构体变量交给TIM_TimeBaseInit，配置TIM2的时基单元
	
	/*输出比较初始化*/ 
	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;							//定义结构体变量
	TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);                         //结构体初始化，若结构体没有完整赋值
	                                                                //则最好执行此函数，给结构体所有成员都赋一个默认值
	                                                                //避免结构体初值不确定的问题
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;               //输出比较模式，选择PWM模式1
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;       //输出极性，选择为高，若选择极性为低，则输出高低电平取反
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;   //输出使能
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;								//初始的CCR值
	TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);                        //将结构体变量交给TIM_OC2Init，配置TIM2的输出比较通道2
	
	/*TIM使能*/
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);			//使能TIM2，定时器开始运行
}

/**
  * 函    数：PWM设置CCR
  * 参    数：Compare 要写入的CCR的值，范围：0~100
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：CCR和ARR共同决定占空比，此函数仅设置CCR的值，并不直接是占空比
  *           占空比Duty = CCR / (ARR + 1)
  */
void PWM_SetCompare2(uint16_t Compare)
{
	TIM_SetCompare2(TIM2, Compare);		//设置CCR2的值
}

2.舵机初始化

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "PWM.h"

/**
  * 函    数：舵机初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void Servo_Init(void)
{
	PWM_Init();									//初始化舵机的底层PWM
}

/**
  * 函    数：舵机设置角度
  * 参    数：Angle 要设置的舵机角度，范围：0~180
  * 返 回 值：无
  */
void Servo_SetAngle(float Angle)
{
	PWM_SetCompare2(Angle / 180 * 2000 + 500);	//设置占空比
												//将角度线性变换，对应到舵机要求的占空比范围上
}

3.直流电机初始化

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "PWM.h"

/**
  * 函    数：直流电机初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void Motor_Init(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);		//开启GPIOA的时钟
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);						//将PA4和PA5引脚初始化为推挽输出	
	
	PWM_Init();													//初始化直流电机的底层PWM
}

/**
  * 函    数：直流电机设置速度
  * 参    数：Speed 要设置的速度，范围：-100~100
  * 返 回 值：无
  */
void Motor_SetSpeed(int8_t Speed)
{
	if (Speed >= 0)							//如果设置正转的速度值
	{
		GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);	//PA4置高电平
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);	//PA5置低电平，设置方向为正转
		PWM_SetCompare3(Speed);				//PWM设置为速度值
	}
	else									//否则，即设置反转的速度值
	{
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);	//PA4置低电平
		GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);	//PA5置高电平，设置方向为反转
		PWM_SetCompare3(-Speed);			//PWM设置为负的速度值，因为此时速度值为负数，而PWM只能给正数
	}
}

感谢阅读，跟着光。