詳細解析單片機 PMW 控制基本原理

PWM是Pulse Width Modulation的縮寫，它的中文名字是脈沖寬度調制，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，其實就是使用數(shù)字信號達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 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，高低電平脈沖寬度各不相同，這就是 PWM 的本質。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 章學會的點亮 LED 小燈那個程序，當我們寫一個 LED = 0;小燈就會長亮，當我們寫一個 LED = 1;小燈就會滅掉。當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。

#includesbit 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 LEDADDR3 = 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(); //關閉 PWM，相當于占空比 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 1TH0 = HighRH; //加載 T0 重載值TL0 = HighRL;ET0 = 1; //使能 T0 中斷TR0 = 1; //啟動 T0PWMOUT = 1; //輸出高電平}/* 關閉 PWM */void?ClosePWM(){TR0 = 0; //停止定時器ET0 = 0; //禁止中斷PWMOUT = 1; //輸出高電平}/* T0 中斷服務函數(shù)，產(chǎn)生 PWM 輸出 */void?InterruptTimer0() interrupt 1{if?(PWMOUT == 1){ //當前輸出為高電平時，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，由于標準 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)值然后配置到相關的 SFR 中即可，既使程序得到了簡化又確保了 PWM 的輸出品質（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，大家可以學習一下。我是魏老師3250395686?歡迎和我一起談論我們來試試這個程序，試完了大家一定要能自己把程序寫出來，切記。

#includesbit 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 LEDADDR3 = 1;ADDR2 = 1;ADDR1 = 1;ADDR0 = 0;ConfigPWM(100, 10); //配置并啟動 PWMConfigTimer1(50); //用 T1 定時調整占空比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 1TH1 = 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 1TH0 = HighRH; //加載 T0 重載值TL0 = HighRL;ET0 = 1; //使能 T0 中斷TR0 = 1; //啟動 T0PWMOUT = 1; //輸出高電平}/* 占空比調整函數(shù)，頻率不變只調整占空比 */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 中斷服務函數(shù)，產(chǎn)生 PWM 輸出 */void?InterruptTimer0() interrupt 1{if?(PWMOUT == 1){ //當前輸出為高電平時，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 中斷服務函數(shù)，定時動態(tài)調整占空比 */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 技術控制的。