單片機pwm控制基本原理詳解
前言
PWM是Pulse Width Modulation的縮寫，它的中文名字是脈沖寬度調(diào)制，一種說法是它利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種有效的技術(shù)，其實就是使用數(shù)字信號達(dá)到一個模擬信號的效果。這是個什么概念呢？我們一步步來介紹。
首先從它的名字來看，脈沖寬度調(diào)制，就是改變脈沖寬度來實現(xiàn)不同的效果。我們先來看三組不同的脈沖信號，如圖所示。
圖 10-1 PWM 波形
這是一個周期是 10ms，即頻率是 100Hz 的波形，但是每個周期內(nèi)，高低電平脈沖寬度各不相同，這就是 PWM 的本質(zhì)。在這里大家要記住一個概念，叫做“占空比”。占空比是指高電平的時間占整個周期的比例。比如第一部分波形的占空比是 40%，第二部分波形占空比是 60%，第三部分波形占空比是 80%，這就是 PWM 的解釋。
那為何它能對模擬電路進行控制呢？大家想一想，我們數(shù)字電路里，只有 0 和 1 兩種狀態(tài)，比如我們第 2 章學(xué)會的點亮 LED 小燈那個程序，當(dāng)我們寫一個 LED = 0;小燈就會長亮，當(dāng)我們寫一個 LED = 1;小燈就會滅掉。當(dāng)我們讓小燈亮和滅間隔運行的時候，小燈是閃爍。
如果我們把這個間隔不斷的減小，減小到我們的肉眼分辨不出來，也就是 100Hz 以上的頻率，這個時候小燈表現(xiàn)出來的現(xiàn)象就是既保持亮的狀態(tài)，但亮度又沒有 LED = 0;時的亮度高。那我們不斷改變時間參數(shù)，讓 LED = 0;的時間大于或者小于 LED = 1;的時間，會發(fā)現(xiàn)亮度都不一樣，這就是模擬電路的感覺了，不再是純粹的 0 和 1，還有亮度不斷變化。大家會發(fā)現(xiàn)，如果我們用 100Hz 的信號，如圖 10-1 所示，假如高電平熄滅小燈，低電平點亮小燈的話，第一部分波形熄滅 4ms，點亮 6ms，亮度最高，第二部分熄滅 6ms，點亮 4ms，亮度次之，第三部分熄滅 8ms，點亮 2ms，亮度最低。那么用程序驗證一下我們的理論，我們用定時器T0 定時改變 P0.0 的輸出來實現(xiàn) PWM，與純定時不同的是，這里我們每周期內(nèi)都要重載兩次定時器初值，即用兩個不同的初值來控制高低電平的不同持續(xù)時間。為了使亮度的變化更加明顯，程序中使用的占空比差距更大。
#include
sbit PWMOUT = P0^0;
sbit ADDR0 = P1^0;
sbit ADDR1 = P1^1;
sbit ADDR2 = P1^2;
sbit ADDR3 = P1^3;
sbit ENLED = P1^4;
unsigned char HighRH = 0; //高電平重載值的高字節(jié)
unsigned char HighRL = 0; //高電平重載值的低字節(jié)
unsigned char LowRH = 0; //低電平重載值的高字節(jié)
unsigned char LowRL = 0; //低電平重載值的低字節(jié)
void ConfigPWM(unsigned int fr, unsigned char dc);
void ClosePWM();
void main(){
unsigned int i;
EA = 1; //開總中斷
ENLED = 0; //使能獨立 LED
ADDR3 = 1;
ADDR2 = 1;
ADDR1 = 1;
ADDR0 = 0;
while (1){
ConfigPWM(100, 10); //頻率 100Hz，占空比 10%
for (i=0; i40000; i++);
ClosePWM();
ConfigPWM(100, 40); //頻率 100Hz，占空比 40%
for (i=0; i40000; i++);
ClosePWM();
ConfigPWM(100, 90); //頻率 100Hz，占空比 90%
for (i=0; i40000; i++);
ClosePWM(); //關(guān)閉 PWM，相當(dāng)于占空比 100%
for (i=0; i40000; i++);
}
}
/* 配置并啟動 PWM，fr-頻率，dc-占空比 */
void ConfigPWM(unsigned int fr, unsigned char dc){
unsigned int high, low;
unsigned long tmp;
tmp = (11059200/12) / fr; //計算一個周期所需的計數(shù)值
high = (tmp*dc) / 100; //計算高電平所需的計數(shù)值
low = tmp - high; //計算低電平所需的計數(shù)值
high = 65536 - high + 12; //計算高電平的重載值并補償中斷延時
low = 65536 - low + 12;//計算低電平的重載值并補償中斷延時
HighRH = (unsigned char)(high>>8); //高電平重載值拆分為高低字節(jié)
HighRL = (unsigned char)high;
LowRH = (unsigned char)(low>>8); //低電平重載值拆分為高低字節(jié)
LowRL = (unsigned char)low;
TMOD &= 0xF0; //清零 T0 的控制位
TMOD |= 0x01; //配置 T0 為模式 1
TH0 = HighRH; //加載 T0 重載值
TL0 = HighRL;
ET0 = 1; //使能 T0 中斷
TR0 = 1; //啟動 T0
PWMOUT = 1; //輸出高電平
}
/* 關(guān)閉 PWM */
void ClosePWM(){
TR0 = 0; //停止定時器
ET0 = 0; //禁止中斷
PWMOUT = 1; //輸出高電平
}
/* T0 中斷服務(wù)函數(shù)，產(chǎn)生 PWM 輸出 */
void InterruptTimer0() interrupt 1{
if (PWMOUT == 1){ //當(dāng)前輸出為高電平時，裝載低電平值并輸出低電平
TH0 = LowRH;
TL0 = LowRL;
PWMOUT = 0;
}else{ //當(dāng)前輸出為低電平時，裝載高電平值并輸出高電平
TH0 = HighRH;
TL0 = HighRL;
PWMOUT = 1;
}
}
需要提醒大家的是，由于標(biāo)準(zhǔn) 51 單片機中沒有專門的 PWM 模塊，所以我們用定時器加中斷的方式來產(chǎn)生 PWM，而現(xiàn)在有很多的單片機都會集成硬件的 PWM 模塊，這種情況下需要我們做的就僅僅是計算一下周期計數(shù)值和占空比計數(shù)值然后配置到相關(guān)的 SFR 中即可，既使程序得到了簡化又確保了 PWM 的輸出品質(zhì)（因為消除了中斷延時的影響）。
大家編譯下載程序后，會發(fā)現(xiàn)小燈從最亮到滅一共 4 個亮度等級。如果我們讓亮度等級更多，并且讓亮度等級連續(xù)起來，會產(chǎn)生一個小燈漸變的效果，與呼吸有點類似，所以我們習(xí)慣上稱之為呼吸燈，程序代碼如下，這個程序用了 2 個定時器 2 個中斷，這是我們第一次這樣用，大家可以學(xué)習(xí)一下。我們來試試這個程序，試完了大家一定要能自己把程序?qū)懗鰜?，切記?/p>
#include
sbit PWMOUT = P0^0;
sbit ADDR0 = P1^0;
sbit ADDR1 = P1^1;
sbit ADDR2 = P1^2;
sbit ADDR3 = P1^3;
sbit ENLED = P1^4;
unsigned long PeriodCnt = 0; //PWM 周期計數(shù)值
unsigned char HighRH = 0; //高電平重載值的高字節(jié)
unsigned char HighRL = 0; //高電平重載值的低字節(jié)
unsigned char LowRH = 0; //低電平重載值的高字節(jié)
unsigned char LowRL = 0; //低電平重載值的低字節(jié)
unsigned char T1RH = 0; //T1 重載值的高字節(jié)
unsigned char T1RL = 0; //T1 重載值的低字節(jié)
void ConfigTimer1(unsigned int ms);
void ConfigPWM(unsigned int fr, unsigned char dc);
void main(){
EA = 1; //開總中斷
ENLED = 0; //使能獨立 LED
ADDR3 = 1;
ADDR2 = 1;
ADDR1 = 1;
ADDR0 = 0;
ConfigPWM(100, 10); //配置并啟動 PWM
ConfigTimer1(50); //用 T1 定時調(diào)整占空比
while (1);
}
/* 配置并啟動 T1，ms-定時時間 */
void ConfigTimer1(unsigned int ms){
unsigned long tmp; //臨時變量
tmp = 11059200 / 12; //定時器計數(shù)頻率
tmp = (tmp * ms) / 1000; //計算所需的計數(shù)值
tmp = 65536 - tmp; //計算定時器重載值
tmp = tmp + 12; //補償中斷響應(yīng)延時造成的誤差
T1RH = (unsigned char)(tmp>>8); //定時器重載值拆分為高低字節(jié)
T1RL = (unsigned char)tmp;
TMOD &= 0x0F; //清零 T1 的控制位
TMOD |= 0x10; //配置 T1 為模式 1
TH1 = T1RH; //加載 T1 重載值
TL1 = T1RL;
ET1 = 1; //使能 T1 中斷
TR1 = 1; //啟動 T1
}
/* 配置并啟動 PWM，fr-頻率，dc-占空比 */
void ConfigPWM(unsigned int fr, unsigned char dc){
unsigned int high, low;
PeriodCnt = (11059200/12) / fr; //計算一個周期所需的計數(shù)值
high = (PeriodCnt*dc) / 100; //計算高電平所需的計數(shù)值
low = PeriodCnt - high; //計算低電平所需的計數(shù)值
high = 65536 - high + 12; //計算高電平的定時器重載值并補償中斷延時
low = 65536 - low + 12; //計算低電平的定時器重載值并補償中斷延時
HighRH = (unsigned char)(high>>8); //高電平重載值拆分為高低字節(jié)
HighRL = (unsigned char)high;
LowRH = (unsigned char)(low>>8); //低電平重載值拆分為高低字節(jié)
LowRL = (unsigned char)low;
TMOD &= 0xF0; //清零 T0 的控制位
TMOD |= 0x01; //配置 T0 為模式 1
TH0 = HighRH; //加載 T0 重載值
TL0 = HighRL;
ET0 = 1; //使能 T0 中斷
TR0 = 1; //啟動 T0
PWMOUT = 1; //輸出高電平
}
/* 占空比調(diào)整函數(shù)，頻率不變只調(diào)整占空比 */
void AdjustDutyCycle(unsigned char dc){
unsigned int high, low;
high = (PeriodCnt*dc) / 100; //計算高電平所需的計數(shù)值
low = PeriodCnt - high; //計算低電平所需的計數(shù)值
high = 65536 - high + 12; //計算高電平的定時器重載值并補償中斷延時
low = 65536 - low + 12; //計算低電平的定時器重載值并補償中斷延時
HighRH = (unsigned char)(high>>8); //高電平重載值拆分為高低字節(jié)
HighRL = (unsigned char)high;
LowRH = (unsigned char)(low>>8); //低電平重載值拆分為高低字節(jié)
LowRL = (unsigned char)low;
}
/* T0 中斷服務(wù)函數(shù)，產(chǎn)生 PWM 輸出 */
void InterruptTimer0() interrupt 1{
if (PWMOUT == 1){ //當(dāng)前輸出為高電平時，裝載低電平值并輸出低電平
TH0 = LowRH;
TL0 = LowRL;
PWMOUT = 0;
}else{ //當(dāng)前輸出為低電平時，裝載高電平值并輸出高電平
TH0 = HighRH;
TL0 = HighRL;
PWMOUT = 1;
}
}
/* T1 中斷服務(wù)函數(shù)，定時動態(tài)調(diào)整占空比 */
void InterruptTimer1() interrupt 3{
static bit dir = 0;
static unsigned char index = 0;
unsigned char code table[13] = { //占空比調(diào)整表
5, 18, 30, 41, 51, 60, 68, 75, 81, 86, 90, 93, 95
};
TH1 = T1RH; //重新加載 T1 重載值
TL1 = T1RL;
AdjustDutyCycle(table[index]); //調(diào)整 PWM 的占空比
if (dir == 0){ //逐步增大占空比
index++;
if (index >= 12){
dir = 1;
}
}else{ //逐步減小占空比
index--;
if (index == 0){
dir = 0;
}
}
}
呼吸燈效果做出來后，利用這個基本原理，其它各種效果的燈光閃爍都應(yīng)該可以做出來，大家看到的 KTV 里邊那絢麗的燈光閃爍，其實就是采用的 PWM 技術(shù)控制的。
原文標(biāo)題：單片機pwm控制基本原理詳解
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