arduino教程-7.脉冲宽度调制【变频】pwm

脉冲宽度调制或PWM是用于改变脉冲串中的脉冲宽度的常用技术。PWM有许多应用，如控制伺服和速度控制器，限制电机和LED的有效功率。

主要内容

1. Arduino输出模拟信号，也就是可变电压输出。
2. 电机型号和规格，常见的电机驱动和控制电路
3. 介绍常见的晶体管，以及晶体管电路的基本应用与设计方式

7.1 PWM的基本原理

脉冲宽度调制基本上是一个随时间变化而变化的方波。基本的PWM信号如下图所示。

7.2 基本PWM信号

有很多术语与PWM相关：

• On-Time（导通时间） - 时间信号的持续时间较长。
• Off-Time（关断时间） - 时间信号的持续时间较短。
• Period（周期） - 表示为PWM信号的导通时间和关断时间的总和。
• Duty Cycle（占空比） - 它表示为在PWM信号周期内保持导通的时间信号的百分比。

周期

如图所示，Ton表示导通时间，Toff表示信号的关断时间。周期是导通和关断时间的总和，并按照以下公式计算：$T_{total}=T_{on}+T_{off}$

占空比

占空比用于计算为一段时间的导通时间。使用上面计算的周期，占空比计算为：
$$D=\frac{T_{on}}{T_{on}+T_{off}}=\frac{T_{on}}{T_{total}}$$

7.3 调节电压变化

1. 改变电路中的电压。

• 缺点：体积增大，电能变成热能

2. 省电又环保的PWM变频技术

• 称为：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）
• 通过改变脉冲宽度，将能仿真模拟电压高低变化的效果。
• 公式：
  $$模拟输出电压=脉冲宽度\times 高电平值\Rightarrow \frac{输出电压}{高电平值}=开启时间百分比$$

7.4 模式输出（PWM)指令和默认频率

7.4.1 analogWrite()函数

analogWrite()函数将模拟值（PWM波）写入引脚。它可用于以不同的亮度点亮LED或以各种速度驱动电机。在调用analogWrite()函数之后，引脚将产生指定占空比的稳定方波，直到下一次调用analogWrite()或在相同引脚上调用digitalRead()或digitalWrite()。大多数引脚上的PWM信号频率约为490Hz。在Uno和类似的板上，引脚5和6的频率约为980Hz。Leonardo上的引脚3和11也以980Hz运行。

在大多数Arduino板上（ATmega168或ATmega328），此功能在引脚3，5，6，9，10和11上工作。在Arduino Mega上，它在引脚2-13和44-46上工作。旧的Arduino ATmega8板仅支持引脚9，10和11上的 analogWrite()。

Arduino Due支持引脚2至13以及引脚DAC0和DAC1上的 analogWrite()。与PWM引脚不同，DAC0和DAC1是数模转换器，用作真正的模拟输出。

在调用analogWrite()之前，不需要调用pinMode()将引脚设置为输出。

7.4.2 analogWrite()函数语法

analogWrite ( pin , value ) ;
//value − the duty cycle: between 0 (always off) and 255 (always on).

value - 占空比：0（始终导通）到255（始终关断）之间。

示例

int ledPin = 9; // LED connected to digital pin 9
int analogPin = 3; // potentiometer connected to analog pin 3
int val = 0; // variable to store the read value

void setup() {
   pinMode(ledPin, OUTPUT); // sets the pin as output
}

void loop() {
   val = analogRead(analogPin); // read the input pin
   analogWrite(ledPin, (val / 4)); // analogRead values go from 0 to 1023, 
      // analogWrite values from 0 to 255
}

例如：

analogWrite(5, 168); 

上面的指令将使第5引脚输出3.3V电压，因为 $\frac{168}{255}\times 5\approx 3.3$

7.5 pwm频率

7.5.1 默认频率

Arduino控制板预设采用1kHz 和 500Hz两组不同的PWM输出频率

• 引脚5、6：976.5625Hz
• 引脚3、11、9、10：490.196Hz
• 若PWM频率太低，电机会抖动，LED会闪烁
• 人耳可以感受20kHz以内的频率，为避免听到电机的抖动音，应调高PWM的输出频率

7.5.2 改变PWM的输出频率

Arduino的PWM输出频率是由ATmega微处理器内部的三个系统定时器：

• （Timer0~Timer2）决定的，Timer0（5、6）、Timer1（9、10）、Timer2（3、11），通过改变定时器的设置，来调整PWM的输出频率。
• Arduino的delay()、millis()、micros()等函数的基准时间，来自Timer0，若调整此定时器，将导致这些函数的延迟时间错乱。

下面的程序语句将Timer1（9、10端口输出）的PWM频率调整成31250Hz。

void setup() {
	TCCR1B = TCCR1B & 0b11111000 | 0x01;
}

关于参数的详细说明以及频率对照表

任务1：调光器

1. 实验说明： 利用可变电阻的输入信号变化来调整LED亮度
2. 实验材料：

物品	数量
LED	1个
10kΩ可变电阻	1个

• Arduino 的模拟输入（analogRead）的范围值介于0~1023之间，而模拟输出（analogWrite）介于0 ~ 255。

3. 实验程序

byte potPin = A0;
byte ledPin = 11;
int potSpeed = 0;
byte val = 0;
void setup() {
	pinMode(ledPin OUTPUT);
}

void loop() {
	potSpeed = analogRead(potPin);
	val = map(potSpeed, 0, 1023, 0, 255);
	analogWrite(ledPin, val);
}

任务2：随机数字与烛光效果

实验说明： 随机， 通过随机调整接在数字11端口的LED亮度，以及随机持续时间来模拟烛光效果。

随机指令：

random

byte rnd = random(200); //从0~199之间挑选一个数字，存入rnd
byte rnd = random(20, 50); //从20~49之间挑选一个数字，存入rnd

然而，Arduino每次挑选的数字并不是那么随意，为了提高不重复的比率，在每次执行random()函数之前，先执行randomSeed()函数，

实验程序：

byte ledPin = 11；
void setup() {
	pinMode(ledPin, OUTPUT);
	randomSeed(analogRead(A5);  //空接端口的读取值很不稳定，适合于做randomSeed()参数。
}

void loop() {
	analogWrite(ledPin, random(135) + 120);
	delay(random(200));
}

任务3： 通过串口调整灯光亮度

实验说明： 接收用户输入的0~255数值来改变接在11引脚的LED亮度。

用户通过按键的输入值是字符串格式，而模拟输出指令所需要的参数是数字格式。有两种方法把字符或字符串转换成数字。

• 将ASCII码减掉48。数字0的十进制ASCII码是48
  ‘2’ - ‘0’ $\Rightarrow$ 50 - 48 $\Rightarrow$ 2
  ‘2’ - 48 $\Rightarrow$ 50 -48 $\Rightarrow$ 2
• 使用atoi()函数指令，把字符串转换成数字。

比如：Arduino收到字符串 ‘168\n’

1. 处理第一个字：pwm = pwm * 10 + （_in - '0')
2. 处理第二个字：pwm = pwm * 10 + （_in - '0')
3. 处理第三个字：pwm = pwm * 10 + （_in - '0')
4. 读取到字符’\n’，转换完毕！
   由于每次传递的数字长度不确定（如： ‘3’ 和‘168’），为了让接收端确认一串数字的结尾，在发送数据的后面加上‘\n’字符。
   实验程序：

byte ledPin = 11;
void setup() {
	Serial.begin(9600);
}

void loop() {
	int pwm = 0;
	byte _in;
	if (Serial.available()) {
		_in = Serial.read();
		while (_in != '\n') {
			if (_in >= '0' && _in <='9') {
				pwm = pwm * 10 + (_in - '0');
			}
			_in = Serial.read();
		}
		if (pwm >255) pwm = 255;
		analogWrite(ledPin, pwm);
	}
}	

活动4：使用atoi()转换字符串成数字

实验说明

先声明一个空字符串变量，每次收到的新字符，存入字符串变量(data)，以及变量i，每次接收到新的字符，就将它存入字符串变量，最后通过atoi()转换。

实验程序

byte ledPin = 11;
void setup(){
	Serial.begin(9600);
	Serial.println("LED ready:");
}

void loop() {
	int pwm;
	char data[4];
	byte i = 0;
	char chr;
	if (Serial.available()) {
		while ((chr = Serial.read()) != '\n') {
			if ( chr >= '0' && chr <= '9' && i < 3) {
				data[i] = chr;
				i++;
			}
		}
		data[i] = '\0';
		pwm = atoi(data);
		if (pwm > 255) pwm = 255;
		Serial.print("PWM： ");
		Serial.println(pwm);
		analogWrite(ledPin, pwm);
	}
}