利用PWM原理，實(shí)現(xiàn)呼吸燈功能

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

利用STM32定時(shí)器產(chǎn)生PWM信號(hào)；

利用PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)呼吸燈。

什么是PWM信號(hào)呢？

PWM，英文名Pulse Width Modulation。 

PWM信號(hào)是一種脈寬調(diào)制信號(hào)，廣范用于LED和電機(jī)控制等場(chǎng)合。

PWM信號(hào)其實(shí)類(lèi)似于方波，只有0和1兩種狀態(tài)。

PWM信號(hào)可以調(diào)節(jié)占空比。

不同占空比可以使LED產(chǎn)生不同的亮度。

占空比就是指在一個(gè)周期內(nèi)， 信號(hào)處于高電平的時(shí)間占據(jù)整個(gè)信號(hào)周期的百分比， 例如上圖中所示脈沖的占空比就是25%。

PWM波可以由GPIO口產(chǎn)生，通過(guò)GPIO口輸出高電平，延時(shí)，輸出低電平，延時(shí)來(lái)產(chǎn)生PWM波。

還可以使用定時(shí)器，利用比較寄存器形成PWM。

本實(shí)驗(yàn)就是利用PWM信號(hào)這一特性控制LED產(chǎn)生不同亮度，從而實(shí)現(xiàn)呼吸燈的效果。

PWM信號(hào)應(yīng)用場(chǎng)景

我們經(jīng)常見(jiàn)到的就是交流調(diào)光電路，高電平占多一點(diǎn)，也就是占空比大一點(diǎn)亮度就亮一點(diǎn)，占空比小一點(diǎn)亮度就沒(méi)有那么亮，前提是PWM的頻率要大于我們?nèi)搜圩R(shí)別頻率，要不然會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。

除了在調(diào)光電路應(yīng)用，還有在直流斬波電路、蜂鳴器驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、逆變電路、加濕機(jī)霧化量等都會(huì)有應(yīng)用。

PWM信號(hào)如何輸出呢？

1）可以直接通過(guò)芯片內(nèi)部模塊輸出PWM信號(hào)，前提是這個(gè)I/O口要有PWM集成模塊，自帶PWM功能的芯片只需要簡(jiǎn)單幾步操作即可實(shí)現(xiàn)PWM功能。這種自帶有PWM輸出的功能模塊在程序設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)便，同時(shí)數(shù)據(jù)更精確。如下圖，一般的IO口都會(huì)標(biāo)明這個(gè)GPIO是否是PWM口； 

STM32單片機(jī)就是標(biāo)識(shí)如下形式：TIMx_CHy這樣的形式，下圖中所示的PWM引腳即占用TIM1的通道1。

2）但是如果IC內(nèi)部沒(méi)有PWM功能模塊，或者要求不是很高的話(huà)可以利用I/O口結(jié)合定時(shí)器輸出PWM信號(hào)，因?yàn)镻WM信號(hào)其實(shí)就是一高一低的一系列電平組合在一起。具體方法是給I/O加一個(gè)定時(shí)器，輸出的PWM信號(hào)頻率與你的定時(shí)器一致，用定時(shí)器中斷來(lái)計(jì)數(shù)，但是這種方法一般不采用，除非對(duì)于精度、頻率等要求不是很高可以這樣實(shí)現(xiàn)。

LED使用的引腳：

原理圖

由上面的原理圖可知，當(dāng)LED1和LED2引腳為高電平的時(shí)候，LED滅；當(dāng)引腳為低電平的時(shí)候，LED亮。

一個(gè)周期內(nèi)低電平占比越來(lái)越少，高電平占空比越來(lái)越高，LED越來(lái)越暗。

具體實(shí)現(xiàn)

1.  LED引腳PB8、PB9初始化

注意 GPIO_Mode 要設(shè)置為：GPIO_Mode_AF_PP

void LED_Init(void)
{
 
 GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
  
 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
 
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9;
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; 
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}

2. TIM4_CH3和TIM4_CH4初始化

void Led_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef       TIM_OCInitStructure;
    NVIC_InitTypeDef        NVIC_InitStructure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);   

    LED_Init();

    TIM_DeInit(TIM4);

    /* Time Base configuration */
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period            = arr;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler         = psc;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode       = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision     = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;

    TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);

    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode             = TIM_OCMode_PWM2;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState        = TIM_OutputState_Enable;  
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse                   = 0;  
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC3Init(TIM4, &TIM_OCInitStructure);
    TIM_OC4Init(TIM4, &TIM_OCInitStructure);

    TIM_CtrlPWMOutputs(TIM4, ENABLE);
 
    TIM_OC3PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable);
    TIM_OC4PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable);
 
    TIM_ARRPreloadConfig(TIM4, ENABLE);
    
    TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
}

其中參數(shù)arr為重載值，psc為T(mén)IMx時(shí)鐘頻率的預(yù)分頻系數(shù)。

設(shè)置定時(shí)器的周期：

PWM的周期一般要設(shè)置到50Hz以上，否則，我們會(huì)看到明顯的視覺(jué)閃爍。

設(shè)置定時(shí)器的周期需要改變ARR和PSC兩個(gè)寄存器的值來(lái)控制輸出PWM的周期。

在STM32的庫(kù)函數(shù)中， 

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period即設(shè)置的ARR寄存器，溢出計(jì)數(shù)值，（如有中斷）達(dá)到這個(gè)值就中斷，對(duì)應(yīng)參數(shù)arr；

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler即設(shè)置的PSC寄存器，對(duì)應(yīng)預(yù)分頻系數(shù)參數(shù)psc。

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure);  

3. 應(yīng)用

Led_PWM_Init(899, 0);

psc為0，表示初始化PWM對(duì)應(yīng)的定時(shí)器不分頻，仍舊為72MHz，arr為899，代表PWM的頻率為：72000/(899+1)=80KHz。周期等于頻率的倒數(shù)，即1/80KHz=12.5us。

while(1) 
{  
    //呼吸燈
    if(dir)
        led0pwmval++;   
    else 
        led0pwmval--;      

    if(led0pwmval>900)
        dir=0;   
    if(led0pwmval==0)
        dir=1;             

    TIM_SetCompare3(TIM4,led0pwmval);   //CH3 綠色
    TIM_SetCompare4(TIM4,led0pwmval);   //CH4 紅色  

    delay_ms(1); 
}

其中代碼:

TIM_SetCompare3(TIM4,led0pwmval);   //CH3 綠色
TIM_SetCompare4(TIM4,led0pwmval);   //CH4 紅色

就是調(diào)節(jié)定時(shí)器TIM4的通道3和通道4的占空比，當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)間達(dá)到led0pwmval時(shí)電平翻轉(zhuǎn)，比如默認(rèn)0-arr都為高電平，如TIM_SetCompare的值為arr/2，就是0-arr/2 為低電平，arr/2-arr為高電平，占空比 50%。

TIM_SetCompare設(shè)置的值就是設(shè)置的CCRx。由上面的圖可知，CCRx/ARR就是占空比，由于占空比不能大于1，CCRx的值肯定不能大于ARR了。

比如我們執(zhí)行如下代碼：

TIM_SetCompare3(TIM4,450);   //CH3 綠色
TIM_SetCompare4(TIM4,450);   //CH4 紅色

示波器中可以看到如下效果：

從上我們可以看到： 

脈沖頻率是：80KHz

周期是：12.50us

占空比：50% (450/(899+1)) 

跟上面的我們?cè)O(shè)置的值是一致的。

實(shí)現(xiàn)的效果

視頻中的板子就是2020.06每月活動(dòng)智能風(fēng)扇使用的板子。

由核心板+底板的形式組成，待月底全部功能實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證沒(méi)有問(wèn)題之后，開(kāi)源原理圖和PCB圖給大家下載自行搭建測(cè)試。

本文的PWM控制LED實(shí)現(xiàn)呼吸燈的原理，其實(shí)就是我們控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的原理，有了本節(jié)課的知識(shí)，我們就可以控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速了。