【单片机PWM控制秘籍】：揭秘PWM原理，解锁应用场景

# 1. PWM（脉冲宽度调制）的基本原理

PWM（脉冲宽度调制）是一种通过改变脉冲宽度来控制输出功率或幅度的技术。它广泛应用于各种电子设备中，如LED调光、电机转速控制和伺服电机角度控制。

### PWM的工作原理

PWM的工作原理是将一个周期性的方波信号输出，该信号的占空比（高电平时间与周期时间的比值）可变。通过改变占空比，可以控制输出的平均功率或幅度。例如，当占空比为 50% 时，输出的平均功率为输入功率的一半。

### PWM的优点

PWM相对于其他控制技术具有以下优点：

- 高效率：PWM不会像线性调节器那样产生热量，因此具有更高的效率。
- 高精度：PWM可以精确控制输出功率或幅度，即使在低功率水平下也能实现。
- 广泛的应用：PWM可用于控制各种类型的负载，如 LED、电机和伺服电机。

# 2. 单片机PWM编程技巧

PWM（脉冲宽度调制）是一种广泛应用于单片机开发中的技术，通过控制输出脉冲的宽度来实现对模拟信号的调制。本节将深入探讨单片机PWM编程技巧，包括PWM定时器的配置和初始化、PWM输出波形的控制以及PWM中断处理。

### 2.1 PWM定时器的配置和初始化

#### 2.1.1 PWM定时器的寄存器结构

PWM定时器通常由以下寄存器组成：

- **控制寄存器 (CR)**：控制定时器的启动、停止和模式选择。
- **计数器寄存器 (CNT)**：存储当前计数值。
- **周期寄存器 (ARR)**：定义定时器的周期。
- **比较寄存器 (CCR)**：定义PWM输出脉冲的宽度。

#### 2.1.2 PWM定时器的时钟设置

PWM定时器的时钟源可以是内部时钟或外部时钟。内部时钟通常由单片机的系统时钟分频得到，外部时钟则由外部晶振或其他时钟源提供。

时钟设置的公式为：

PWM频率 = 时钟频率 / (ARR + 1)

其中：

- PWM频率：希望输出的PWM波形频率。
- 时钟频率：PWM定时器的时钟源频率。
- ARR：周期寄存器的值。

### 2.2 PWM输出波形的控制

#### 2.2.1 PWM占空比的计算和设置

PWM占空比是指PWM波形中高电平时间占整个周期的比例。占空比的计算公式为：

占空比 = CCR / (ARR + 1)

其中：

- 占空比：希望输出的PWM波形的占空比。
- CCR：比较寄存器的值。
- ARR：周期寄存器的值。

#### 2.2.2 PWM频率的调整

PWM频率可以通过调整周期寄存器的值 (ARR) 来调整。频率调整的公式为：

PWM频率 = 时钟频率 / (ARR + 1)

其中：

- PWM频率：希望输出的PWM波形频率。
- 时钟频率：PWM定时器的时钟源频率。
- ARR：周期寄存器的值。

### 2.3 PWM中断处理

#### 2.3.1 PWM中断的配置和响应

PWM中断通常在PWM波形达到比较寄存器的值 (CCR) 时触发。中断配置的步骤如下：

1. 启用PWM定时器中断。
2. 设置中断触发条件 (例如，上升沿、下降沿或比较匹配)。
3. 编写中断服务程序 (ISR) 来响应中断。

#### 2.3.2 PWM中断的应用场景

PWM中断广泛应用于以下场景：

- **PWM输出波形同步：**通过中断同步多个PWM通道，实现多通道PWM波形的同步输出。
- **PWM波形调制：**通过中断动态调整PWM占空比或频率，实现对模拟信号的调制。
- **PWM故障检测：**通过中断检测PWM波形的异常情况，实现PWM系统的故障保护。

# 3.1 PWM控制LED亮度

#### 3.1.1 LED驱动电路设计

LED是一种发光二极管，它需要一个正向偏置才能发光。PWM控制LED亮度时，需要通过PWM输出引脚为LED提供一个可变的脉冲宽度信号。为了保护LED，需要在PWM输出引脚和LED之间串联一个限流电阻。

限流电阻的计算公式为：

R = (Vcc - Vf) / I

其中：

* Vcc：电源电压
* Vf：LED正向导通电压
* I：LED正向导通电流

#### 3.1.2 PWM控制LED亮度程序

PWM控制LED亮度程序的流程如下：

1. 配置PWM定时器，设置PWM输出频率和占空比。
2. 在PWM中断服务程序中，根据占空比控制LED的导通时间。
3. 通过改变PWM占空比，可以控制LED的亮度。

// PWM控制LED亮度程序

#include <stm32f10x.h>

// PWM输出引脚
#define PWM_PIN GPIO_Pin_8
// PWM定时器
#define PWM_TIM TIM3

// 初始化PWM定时器
void PWM_Init(void)
{
    // 时钟配置
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

    // 定时器配置
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000; // PWM频率为1kHz
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7200; // 分频系数为7200
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(PWM_TIM, &TIM_TimeBaseStructure);

    // PWM输出配置
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; // 初始占空比为0
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(PWM_TIM, &TIM_OCInitStructure);

    // PWM中断配置
    TIM_ITConfig(PWM_TIM, TIM_IT_Update, ENABLE);
    NVIC_EnableIRQ(TIM3_IRQn);

    // 启动PWM定时器
    TIM_Cmd(PWM_TIM, ENABLE);
}

// PWM中断服务程序
void TIM3_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    TIM_ClearITPendingBit(PWM_TIM, TIM_IT_Update);

    // 控制LED的导通时间
    TIM_SetCompare1(PWM_TIM, PWM_DutyCycle);
}

// 设置PWM占空比
void PWM_SetDutyCycle(uint16_t dutyCycle)
{
    PWM_DutyCycle = dutyCycle;
}

// 主函数
int main(void)
{
    // 初始化PWM定时器
    PWM_Init();

    // 设置PWM占空比
    PWM_SetDutyCycle(500); // 初始占空比为50%

    while (1)
    {
        // ...
    }
}

### 3.2 PWM控制电机转速

#### 3.2.1 电机驱动电路设计

PWM控制电机转速时，需要使用一个电机驱动电路。电机驱动电路可以将PWM信号转换为电机需要的驱动信号。常用的电机驱动电路有H桥电路和全桥电路。

H桥电路的结构如下：

+-----+-----+
|     |     |
|  +  |  -  |
|     |     |
+-----+-----+
    |     |
    |  M  |
    |     |

其中：

* +：正电源
* -：负电源
* M：电机

全桥电路的结构如下：

+-----+-----+
|     |     |
|  +  |  +  |
|     |     |
+-----+-----+
    |     |
    |  M  |
    |     |

其中：

* +：正电源
* -：负电源
* M：电机

#### 3.2.2 PWM控制电机转速程序

PWM控制电机转速程序的流程如下：

1. 配置PWM定时器，设置PWM输出频率和占空比。
2. 在PWM中断服务程序中，根据占空比控制电机驱动电路的输出。
3. 通过改变PWM占空比，可以控制电机的转速。

// PWM控制电机转速程序

#include <stm32f10x.h>

// PWM输出引脚
#define PWM_PIN GPIO_Pin_8
// PWM定时器
#define PWM_TIM TIM3

// 电机驱动电路引脚
#define MOTOR_A GPIO_Pin_9
#define MOTOR_B GPIO_Pin_10

// 初始化PWM定时器
void PWM_Init(void)
{
    // 时钟配置
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

    // 定时器配置
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000; // PWM频率为1kHz
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7200; // 分频系数为7200
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(PWM_TIM, &TIM_TimeBaseStructure);

    // PWM输出配置
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; // 初始占空比为0
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(PWM_TIM, &TIM_OCInitStructure);

    // PWM中断配置
    TIM_ITConfig(PWM_TIM, TIM_IT_Update, ENABLE);
    NVIC_EnableIRQ(TIM3_IRQn);

    // 启动PWM定时器
    TIM_Cmd(PWM_TIM, ENABLE);
}

// PWM中断服务程序
void TIM3_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    TIM_ClearITPendingBit(PWM_TIM, TIM_IT_Update);

    // 控制电机驱动电路的输出
    if (PWM_DutyCycle > 500)
    {
        GPIO_SetBits(GPIOB, MOTOR_A);
        GPIO_ResetBits(GPIOB, MOTOR_B);
    }
    else
    {
        GPIO_ResetBits(GPIOB, MOTOR_A);
        GPIO_SetBits(GPIOB, MOTOR_B);
    }
}

// 设置PWM占空比
void PWM_SetDutyCycle(uint16_t dutyCycle)
{
    PWM_DutyCycle = dutyCycle;
}

// 主函数
int main(void)
{
    // 初始化PWM定时器
    PWM_Init();

    // 设置PWM占空比
    PWM_SetDutyCycle(500); // 初始占空比为50%

    while (1)
    {
        // ...
    }
}

# 4. 单片机PWM进阶应用

### 4.1 PWM波形分析和优化

#### 4.1.1 示波器测量PWM波形

使用示波器测量PWM波形时，需要正确设置示波器的参数：

- **时间基准：**设置合适的采样率，确保波形显示清晰。
- **触发方式：**选择边沿触发，并设置触发电平为PWM波形的中间值。
- **垂直刻度：**调整垂直刻度，使波形在屏幕上显示清晰。

#### 4.1.2 PWM波形优化方法

PWM波形优化可以提高系统效率和性能：

- **消除毛刺：**使用滤波电路或软件滤波算法去除PWM波形中的毛刺。
- **降低谐波失真：**采用多级PWM或调制技术降低PWM波形的谐波失真。
- **提高效率：**优化PWM定时器的配置，减少PWM波形中的死区时间。

### 4.2 PWM多通道同步控制

#### 4.2.1 多通道PWM定时器的配置

多通道PWM定时器允许同时输出多个PWM波形：

- **配置定时器：**设置定时器时钟、计数模式和计数范围。
- **配置输出比较寄存器：**设置每个PWM通道的占空比和频率。
- **使能输出：**使能PWM输出，并将PWM波形输出到相应的引脚。

#### 4.2.2 多通道PWM同步控制程序

// 配置多通道PWM定时器
TIM_TypeDef *TIMx;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;

// 初始化定时器
TIMx->PSC = (SystemCoreClock / 1000000) - 1; // 设置时钟预分频器
TIMx->ARR = 1000; // 设置自动重装载寄存器
TIMx->CNT = 0; // 清除计数器
TIMx->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 使能定时器

// 配置输出比较通道
TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; // 设置输出比较模式为PWM1
TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; // 使能输出
TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = 500; // 设置占空比
TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; // 设置输出极性为高电平有效

TIM_OC1Init(TIMx, &TIM_OCInitStruct); // 初始化通道1
TIM_OC2Init(TIMx, &TIM_OCInitStruct); // 初始化通道2

// 使能输出比较通道
TIMx->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // 使能通道1输出
TIMx->CCER |= TIM_CCER_CC2E; // 使能通道2输出

### 4.3 PWM与其他外设的联动

#### 4.3.1 PWM与ADC的联动

PWM与ADC联动可以实现闭环控制：

- **PWM输出控制：**使用PWM控制执行器（如电机）。
- **ADC输入反馈：**使用ADC测量执行器的反馈信号（如转速）。
- **闭环控制：**根据ADC反馈信号调整PWM输出，实现对执行器的闭环控制。

#### 4.3.2 PWM与UART的联动

PWM与UART联动可以实现远程控制：

- **PWM输出控制：**使用PWM控制执行器（如LED）。
- **UART接收命令：**使用UART接收来自远程设备的控制命令。
- **远程控制：**根据UART接收的命令调整PWM输出，实现对执行器的远程控制。

# 5. 单片机PWM应用案例

### 5.1 可调光LED灯

#### 应用原理

可调光LED灯利用PWM技术控制LED的亮度。通过调整PWM占空比，可以改变LED流过的平均电流，从而实现亮度的调节。

#### 电路设计

可调光LED灯的电路设计主要包括以下部分：

- 电源模块：提供稳定可靠的电源。
- 单片机模块：负责PWM信号的产生和控制。
- LED驱动模块：驱动LED发光。

#### 程序设计

可调光LED灯的程序设计主要包括以下步骤：

1. 初始化PWM定时器，设置时钟和占空比。
2. 根据按键或其他控制信号，调整PWM占空比。
3. 输出PWM信号，驱动LED发光。

### 5.2 智能风扇

#### 应用原理

智能风扇利用PWM技术控制风扇的转速。通过调整PWM占空比，可以改变风扇电机的供电时间，从而实现转速的调节。

#### 电路设计

智能风扇的电路设计主要包括以下部分：

- 电源模块：提供稳定可靠的电源。
- 单片机模块：负责PWM信号的产生和控制。
- 风扇驱动模块：驱动风扇电机转动。

#### 程序设计

智能风扇的程序设计主要包括以下步骤：

1. 初始化PWM定时器，设置时钟和占空比。
2. 根据温度传感器或其他控制信号，调整PWM占空比。
3. 输出PWM信号，驱动风扇电机转动。

### 5.3 伺服电机控制系统

#### 应用原理

伺服电机控制系统利用PWM技术控制伺服电机的角度。通过调整PWM占空比，可以改变伺服电机电枢的供电时间，从而实现角度的调节。

#### 电路设计

伺服电机控制系统的电路设计主要包括以下部分：

- 电源模块：提供稳定可靠的电源。
- 单片机模块：负责PWM信号的产生和控制。
- 伺服电机驱动模块：驱动伺服电机转动。

#### 程序设计

伺服电机控制系统的程序设计主要包括以下步骤：

1. 初始化PWM定时器，设置时钟和占空比。
2. 根据编码器或其他控制信号，调整PWM占空比。
3. 输出PWM信号，驱动伺服电机转动。