STM32单片机PWM进阶教程：生成可变占空比脉冲，控制电机和灯光

# 1. PWM基础**

脉冲宽度调制（PWM）是一种调制技术，通过改变脉冲的宽度来控制输出信号的平均值。在电子系统中，PWM广泛用于控制电机、灯光和其他设备。

PWM波形由一系列脉冲组成，每个脉冲都有一个高电平和一个低电平。脉冲的宽度，即高电平持续的时间，决定了输出信号的平均值。当脉冲宽度增加时，输出信号的平均值也增加。

PWM的优点包括：
- 高效率：PWM信号的平均值可以精确控制，从而最大限度地减少功率损耗。
- 广泛的应用：PWM可用于控制各种设备，包括电机、灯光、传感器和致动器。
- 灵活的配置：PWM波形的频率和占空比可以通过寄存器配置进行调整，提供高度的灵活性。

# 2. STM32单片机PWM编程

### 2.1 PWM外设寄存器介绍

STM32单片机上的PWM外设通常包含多个寄存器，用于配置和控制PWM波形。主要寄存器包括：

- **TIMx_CR1**：控制寄存器1，用于使能PWM输出、选择计数模式、预分频器和时钟源等。
- **TIMx_ARR**：自动重装载寄存器，定义PWM波形的周期。
- **TIMx_CCR1**：捕获/比较寄存器1，用于设置PWM波形的占空比。
- **TIMx_PSC**：预分频器寄存器，用于分频时钟源，降低PWM波形的频率。
- **TIMx_EGR**：事件生成寄存器，用于触发PWM波形的更新或重新启动。

### 2.2 PWM波形配置

#### 2.2.1 占空比设置

PWM波形的占空比由TIMx_CCR1寄存器控制。该寄存器指定PWM波形高电平持续的时间，占空比计算公式为：

占空比 = (TIMx_CCR1 / TIMx_ARR) * 100%

例如，要设置占空比为50%，需要将TIMx_CCR1寄存器设置为TIMx_ARR寄存器的50%。

#### 2.2.2 频率设置

PWM波形的频率由TIMx_PSC寄存器和TIMx_ARR寄存器共同决定。计算公式为：

频率 = 时钟频率 / (TIMx_PSC + 1) / TIMx_ARR

例如，如果时钟频率为72MHz，TIMx_PSC设置为10，TIMx_ARR设置为1000，则PWM波形的频率为72MHz / (10 + 1) / 1000 = 7.2kHz。

### 2.3 PWM中断配置

STM32单片机上的PWM外设支持多种中断，包括更新中断、捕获/比较中断和触发中断。这些中断可以用于监测PWM波形的变化，并触发相应的处理程序。

- **更新中断**：当TIMx_ARR寄存器重新加载时触发。
- **捕获/比较中断**：当TIMx_CCR1寄存器与TIMx_CNT寄存器相等时触发。
- **触发中断**：当TIMx_EGR寄存器中的触发位被置位时触发。

中断配置通常涉及到以下步骤：

1. 在NVIC中使能PWM外设的中断。
2. 在TIMx_DIER寄存器中使能特定的中断。
3. 定义中断服务程序。

# 3. PWM电机控制

### 3.1 直流电机控制原理

直流电机是一种常见的电机类型，其转速与施加在其两端的电压成正比。通过控制PWM占空比，可以改变施加在直流电机上的平均电压，从而控制其转速。

// 设置占空比
TIMx->CCR1 = (uint32_t)(ARR * duty_cycle);

**代码逻辑分析：**

* `TIMx->CCR1`：PWM比较寄存器，用于设置占空比。
* `ARR`：PWM自动重装载寄存器，用于设置PWM周期。
* `duty_cycle`：占空比，取值范围为0~1。

### 3.2 步进电机控制原理

步进电机是一种将电脉冲转换为机械角位移的电机。通过控制PWM脉冲的频率和占空比，可以控制步进电机的转速和方向。

// 设置脉冲频率
TIMx->PSC = (uint16_t)(SystemCoreClock / (PWM_FREQUENCY * ARR));

// 设置脉冲占空比
TIMx->CCR1 = (uint32_t)(ARR * duty_cycle);

**代码逻辑分析：**

* `TIMx->PSC`：PWM预分频寄存器，用于设置PWM时钟频率。
* `SystemCoreClock`：系统时钟频率。
* `PWM_FREQUENCY`：PWM脉冲频率。
* `duty_cycle`：脉冲占空比，取值范围为0~1。

### 3.3 伺服电机控制原理

伺服电机是一种闭环控制电机，具有高精度和快速响应。通过控制PWM脉冲的宽度，可以控制伺服电机的角度。

// 设置脉冲宽度
TIMx->CCR1 = (uint32_t)(MIN_PULSE_WIDTH + (MAX_PULSE_WIDTH - MIN_PULSE_WIDTH) * duty_cycle);

**代码逻辑分析：**

* `TIMx->CCR1`：PWM比较寄存器，用于设置脉冲宽度。
* `MIN_PULSE_WIDTH`：最小脉冲宽度，对应于伺服电机最小角度。
* `MAX_PULSE_WIDTH`：最大脉冲宽度，对应于伺服电机最大角度。
* `duty_cycle`：脉冲宽度占整个PWM周期的比例，取值范围为0~1。

**表格：PWM电机控制参数**

| 参数 | 直流电机 | 步进电机 | 伺服电机 |
|---|---|---|---|
| 控制方式 | 占空比 | 脉冲频率和占空比 | 脉冲宽度 |
| 控制目标 | 转速 | 转速和方向 | 角度 |

# 4. PWM灯光控制

PWM在灯光控制中有着广泛的应用，它可以实现LED灯亮度调节、RGB灯颜色控制、背光灯闪烁控制等功能。

### 4.1 LED灯亮度调节

LED灯的亮度可以通过控制PWM占空比来调节。占空比越大，LED灯越亮；占空比越小，LED灯越暗。

// 设置PWM占空比
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 500; // 占空比为50%
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

### 4.2 RGB灯颜色控制

RGB灯是由红、绿、蓝三色LED组成，通过控制这三色的亮度可以实现各种颜色的显示。

// 设置RGB灯颜色
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 500; // 红色LED亮度为50%
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

sConfigOC.Pulse = 250; // 绿色LED亮度为25%
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2);