第4章 PWM与舵机控制

4、PWM与舵机控制：PWM原理、舵机角度控制、定时器库使用、实战：药盒舱门自动开合

各位同学，欢迎来到第四章。这一章我们要让药盒“动”起来。

前面几章，我们让药盒有了“大脑”（主控）和“眼睛”（传感器），也学会了联网。但药盒最终是要开门的，对吧？总不能让人用手去掰。所以，这一章的核心就是——控制舵机，实现舱门自动开合。

说白了，就是让一个电机转到指定的角度。听起来简单，但里面有个关键概念：PWM。我当年第一次接触PWM时，觉得它就是“一闪一闪的灯”。后来才发现，它几乎是所有电机控制的基石。

4.1 PWM原理：不是“开关”，是“占空比”

PWM，全称 Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制。名字很唬人，其实原理很简单。

想象一下，你用手电筒照一个房间。如果你一直开着，房间最亮。如果你快速开关，房间就会变暗。PWM就是这种“快速开关”的电子版。

关键参数有两个：

频率：每秒开关多少次。比如50Hz，就是一秒开关50次。
占空比：一个周期内，高电平（开）的时间占比。50%占空比，就是一半时间开，一半时间关。

舵机控制，用的就是固定频率（通常是50Hz），通过改变占空比来控制角度。

核心公式：

占空比 = 高电平时间 / 周期时间 × 100%

对于舵机：周期 = 20ms（50Hz），高电平时间在 0.5ms ~ 2.5ms 之间。

为什么会这样？因为舵机内部有个比较器。它把输入的PWM信号和内部电位器反馈的信号做比较。差值越大，电机转得越猛，直到两者相等，电机停止。所以，PWM的占空比直接决定了舵机的目标角度。

嗯，这里要注意：不同品牌的舵机，PWM范围可能略有差异。我遇到过一款便宜的MG996R，它的0度对应0.5ms，180度对应2.5ms。但有些舵机是0.6ms到2.4ms。所以，买舵机后，第一件事就是看数据手册。

4.2 舵机角度控制：从0°到180°

舵机通常有三根线：VCC（红）、GND（棕/黑）、Signal（橙/黄）。信号线接开发板的PWM输出引脚。

角度和脉宽的对应关系，我一般用线性映射。比如0°对应0.5ms，180°对应2.5ms。那么90°就是1.5ms。

换算成占空比：

0°：0.5ms / 20ms = 2.5%
90°：1.5ms / 20ms = 7.5%
180°：2.5ms / 20ms = 12.5%

你看，角度和占空比是线性关系。写代码时，直接用公式算就行。

我的小技巧：

我习惯把角度和脉宽的映射关系写成一个函数。这样换舵机时，只需要改两个参数（最小脉宽、最大脉宽），不用改主逻辑。

4.3 定时器库使用：别自己造轮子

要产生精确的PWM信号，需要用到定时器。ESP32有4个定时器，每个定时器可以输出多路PWM。

我个人强烈建议使用LEDC库（ESP32内置）。它专门用来产生PWM信号，使用起来非常方便。

基本步骤：

配置定时器：设置频率和分辨率（比如50Hz，12位分辨率）。
绑定通道：把定时器通道和GPIO引脚绑定。
设置占空比：直接写占空比数值，库会自动处理。

代码示例：

#include <ESP32Servo.h>

Servo myServo;  // 创建舵机对象

void setup() {
    myServo.attach(13);  // 信号线接GPIO13
    // 默认频率50Hz，脉宽范围500~2500微秒
}

void loop() {
    myServo.write(0);    // 转到0度
    delay(1000);
    myServo.write(90);   // 转到90度
    delay(1000);
    myServo.write(180);  // 转到180度
    delay(1000);
}

你看，用库就是这么简单。但注意，ESP32Servo库底层也是用LEDC实现的。它自动帮你管理了定时器通道。

避坑指南：

我曾经犯过一个低级错误：同时用了多个舵机，但没注意定时器通道冲突。结果一个舵机转，另一个也跟着抖。后来才发现，ESP32的LEDC只有8个通道，每个通道只能绑定一个定时器。如果多个舵机共用同一个定时器，频率必须一致。所以，不同频率的舵机，要用不同的定时器。

4.4 实战：药盒舱门自动开合

好了，理论讲完，咱们直接上实战。目标：当收到服药指令时，舵机转动90度打开舱门；5秒后，自动关闭。

硬件连接：

舵机VCC → 5V（外部电源，别用开发板3.3V，电流不够）
舵机GND → GND（共地）
舵机Signal → GPIO13

代码实现：

#include <ESP32Servo.h>

Servo doorServo;
const int servoPin = 13;
const int openAngle = 90;   // 打开角度
const int closeAngle = 0;   // 关闭角度
const int openDuration = 5000; // 打开持续时间（毫秒）

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    doorServo.attach(servoPin, 500, 2500); // 设置脉宽范围
    doorServo.write(closeAngle); // 初始关闭
    Serial.println("药盒初始化完成，舱门已关闭");
}

void loop() {
    // 模拟收到服药指令（实际项目中，这里会接MQTT或按键）
    if (Serial.available()) {
        char cmd = Serial.read();
        if (cmd == 'o') { // 收到 'o' 打开舱门
            openDoor();
        } else if (cmd == 'c') { // 收到 'c' 关闭舱门
            closeDoor();
        }
    }
}

void openDoor() {
    Serial.println("打开舱门...");
    doorServo.write(openAngle);
    delay(500); // 给舵机一点时间转到目标位置
    Serial.println("舱门已打开");
    delay(openDuration); // 保持打开状态
    closeDoor(); // 自动关闭
}

void closeDoor() {
    Serial.println("关闭舱门...");
    doorServo.write(closeAngle);
    delay(500);
    Serial.println("舱门已关闭");
}

这段代码很简单，但有几个细节要注意：

脉宽范围：attach()函数里我传了500和2500，对应0.5ms和2.5ms。如果你的舵机不同，记得改。
延时问题：delay(500)是为了让舵机有足够时间转到目标位置。如果立即执行下一个动作，舵机可能还没到位。
自动关闭：打开后5秒自动关闭，这是药盒的基本逻辑。实际项目中，你可能需要检测舱门是否被卡住（比如加个限位开关）。

扩展思考：

如果药盒有多个舱门，怎么办？很简单，多买几个舵机，每个舵机接不同的GPIO。但要注意电源功率。一个舵机堵转时电流可能到1A，三个同时堵转，5V电源得至少3A。我建议每个舵机单独供电，或者用一个大功率电源。

嗯，这一章的内容就到这里。PWM和舵机控制，是嵌入式开发中非常基础但又极其重要的技能。你想想看，从无人机到机械臂，从智能家居到机器人，哪个离得开舵机？

下一章，我们会把舵机控制和WiFi联网结合起来，实现远程开药盒。到时候，你就能在手机上点一下，家里的药盒就自动打开了。是不是很酷？