AVR单片机C程序设计与电机控制：PWM和H桥的深入理解

# 1. AVR单片机C语言基础**

AVR单片机是一种8位微控制器，以其低成本、低功耗和高性能而闻名。C语言是AVR单片机编程中广泛使用的语言，因为它提供了高效且可移植的代码。

**1.1 AVR单片机架构**

AVR单片机采用哈佛架构，具有独立的程序和数据存储器。其核心包括一个8位CPU、寄存器文件、时钟系统和I/O端口。

**1.2 C语言编程环境**

AVR单片机可以使用各种C语言编译器进行编程，例如AVR Studio和Atmel Studio。这些编译器提供了一个集成开发环境（IDE），包括编辑器、编译器、调试器和其他工具。

# 2. 脉宽调制（PWM）技术**

### 2.1 PWM的基本原理和应用

脉宽调制（PWM）是一种数字技术，通过控制数字信号的脉冲宽度来模拟模拟信号。它广泛应用于电机控制、LED调光、音频放大等领域。

PWM的基本原理是将一个周期性数字信号的脉冲宽度与模拟信号的幅度相对应。当脉冲宽度增加时，模拟信号的幅度也增加；当脉冲宽度减小时，模拟信号的幅度也减小。

### 2.2 AVR单片机中PWM的实现

#### 2.2.1 PWM寄存器的配置

AVR单片机中PWM功能由定时器/计数器（Timer/Counter）模块实现。每个定时器/计数器模块包含多个PWM通道。

要配置PWM通道，需要设置以下寄存器：

- **TCCRnA：**控制PWM模式、时钟源和输出比较模式。
- **OCRnA：**设置输出比较值，决定脉冲宽度。
- **TCNTnA：**计数器值，决定PWM周期的起始点。

#### 2.2.2 PWM中断的处理

当输出比较值与计数器值相同时，会产生PWM中断。中断服务程序（ISR）中可以更新OCRnA寄存器，以改变脉冲宽度。

// PWM中断服务程序
ISR(TIMER1_COMPA_vect) {
  // 更新OCR1A寄存器，改变脉冲宽度
  OCR1A = new_ocr1a_value;
}

### 代码示例

以下代码示例展示了如何使用AVR单片机ATmega328P配置PWM通道：

// 设置定时器1为快速PWM模式，时钟源为系统时钟
TCCR1A |= (1 << WGM10) | (1 << WGM11);

// 设置输出比较模式为非反转模式
TCCR1A |= (1 << COM1A1);

// 设置时钟预分频比为8
TCCR1B |= (1 << CS11);

// 设置输出比较值，决定脉冲宽度
OCR1A = 128;

// 使能输出比较A中断
TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);

### 逻辑分析

* `TCCR1A |= (1 << WGM10) | (1 << WGM11);`：设置定时器1为快速PWM模式，即计数器从0开始计数，达到OCR1A值时产生中断。
* `TCCR1A |= (1 << COM1A1);`：设置输出比较模式为非反转模式，即当计数器值等于OCR1A时，输出引脚输出高电平。
* `TCCR1B |= (1 << CS11);`：设置时钟预分频比为8，即定时器时钟频率为系统时钟频率的1/8。
* `OCR1A = 128;`：设置输出比较值，决定脉冲宽度。
* `TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);`：使能输出比较A中断，当计数器值等于OCR1A时产生中断。

# 3. H桥电路

### 3.1 H桥电路的原理和结构

H桥电路是一种用于控制直流电机正反转和调速的电子电路。它由四个开关（通常为晶体管或MOSFET）组成，按照桥形结构连接，可以控制电流流向电机的方向。

H桥电路的原理图如下：

         +-----+-----+
         |     |     |
         |  M1 |  M2 |
         |     |     |
         +-----+-----+
         |  M3 |  M4 |
         |     |     |
         +-----+-----+

其中，M1、M2、M3、M4分别为开关，电机连接在M1和M2之间。当M1和M3导通，M2和M4截止时，电流从电源正极流经M1、电机、M3，流回电源负极，电机正转。

当M2和M4导通，M1和M3截止时，电流从电源正极流经M2、电机、M4，流回电源负极，电机反转。

### 3.2 AVR单片机控制H桥

#### 3.2.1 H桥驱动电路的设计

要使用AVR单片机控制H桥，需要设计一个驱动电路，将单片机的输出信号转换为能够驱动H桥开关的信号。驱动电路通常使用晶体管或MOSFET，其电路图如下：

         +---