PWM(Pulse Width Modulation , 脉冲宽度调制) 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法,通过不同频率的脉冲使用方波的占空比用来对一个具体模拟信号的电平进行编码,使输出端得到一系列幅值相等的脉冲,用这些脉冲来代替所需要波形的设备。
上图是一个简单的 PWM 原理示意图,假定定时器工作模式为向上计数,当计数值小于阈值时,则输出一种电平状态,比如高电平,当计数值大于阈值时则输出相反的电平状态,比如低电平。当计数值达到最大值是,计数器从0开始重新计数,又回到最初的电平状态。高电平持续时间(脉冲宽度)和周期时间的比值就是占空比,范围为0~100%。上图高电平的持续时间刚好是周期时间的一半,所以占空比为50%。
一个比较常用的pwm控制情景就是用来调节灯或者屏幕的亮度,根据占空比的不同,就可以完成亮度的调节。PWM调节亮度并不是持续发光的,而是在不停地点亮、熄灭屏幕。当亮、灭交替够快时,肉眼就会认为一直在亮。在亮、灭的过程中,灭的状态持续时间越长,屏幕给肉眼的观感就是亮度越低。亮的时间越长,灭的时间就相应减少,屏幕就会变亮。
PWM(Pulse Width Modulation)脉冲宽度调制
在具有惯性的系统中,可以通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要的模拟参量,常应用于电机控速等领域
PWM参数:频率 = 1 / TS 占空比 = TON / TS 分辨率 = 占空比变化步距
频频率 :f = 1 / Ts(周期的倒数就是频率);代表一个高低电平变换周期的时间 变换越快=频率越大(PWM的频率越快,它等效模拟的信号就越平稳,不过同时性能开销就越大;一般来说PWM的频率在几kHz到几十kHz之间。)
占空比:q=Ton/Ts( Ton是高电平的时间 Ts是一个周期的时间 Ton/Ts是高电平相对于整个周期时间的比例 比如占空比为20% 那就是高电平占20% 低电平占80% 占空比决定了PWM等效出来的模拟电压的大小 占空比越大 那等效模拟电压就越趋近于高电平 占空比越小 等效的模拟电压就越取趋近于低电平) 占空比决定了PWM等效出的模拟电压的大小 一般用百分比表示
分辨率:占空比的变化步距 比如有的占空比只能是1%、2%、3%等等这样以1%的布距跳变那它的分辨率就是1% 如果可以1.1%、1.2%、1.3%等等 这样以0.1%的布距跳变 那它的分辨率就是0.1% 所以分辨率就是占空比变化的细腻程度 分辨率的大小要看实际项目的需求自定 如果既要高频率 又要高分辨率 就需要硬件电路要有足够的性能 要求不高的情况下 1%的分辨率就足够使用了
舵机是一种根据输入PWM信号占空比来控制输出角度的装置
输入PWM信号要求:周期为20ms,高电平宽度为0.5ms~2.5ms
直流电机是一种将电能转换为机械能的装置,有两个电极,当电极正接时,电机正转,当电极反接时,电机反转
直流电机属于大功率器件,GPIO口无法直接驱动,需要配合电机驱动电路来操作
TB6612是一款双路H桥型的直流电机驱动芯片,可以驱动两个直流电机并且控制其转速和方向
void TIM_OC1Init(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct);
void TIM_OC2Init(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct);
void TIM_OC3Init(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct);
void TIM_OC4Init(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct);
功能:
根据 TIM_OCInitStruct 中指定的参数初始化外设 TIMx
参数:
TIMx:x 可以是 2,3 或者 4,来选择 TIM 外设
TIM_OCInitStruct:指向结构TIM_OCInitTypeDef 的指针,包含了TIMx时间基数单位的配置信息
返回值:
无
void TIM_OC1PolarityConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCPolarity);
void TIM_OC1NPolarityConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCNPolarity);
void TIM_OC2PolarityConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCPolarity);
void TIM_OC2NPolarityConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCNPolarity);
void TIM_OC3PolarityConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCPolarity);
void TIM_OC3NPolarityConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCNPolarity);
void TIM_OC4PolarityConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCPolarity);
功能:
单独设置输出比较的极性
参数:
TIMx:x 可以是 2,3 或者 4,来选择 TIM 外设
TIM_OCPolarity:OC3极性 参数可以是以下: TIM_OCPolarity_High:输出比较活动高、TIM_OCPolarity_Low:输出比较活动低
返回值:
无
//函数中带个N的就是高级定时器中的互补通道的配置 OC4没有互补通道 所以没有OC4N的函数
void TIM_SetCompare1(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare1);
void TIM_SetCompare2(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare2);
void TIM_SetCompare3(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare3);
void TIM_SetCompare4(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare4);
功能:
单独更改CCR寄存器的值
参数:
TIMx:x 可以是 2,3 或者 4,来选择 TIM 外设
Compare1:指定Capture Compare1注册新值
返回值:
无
//比较重要 用于更改占空比
#include "stm32f10x.h" // Device header
/**
* 函 数:PWM初始化
* 参 数:无
* 返 回 值:无
*/
void PWM_Init(void)
{
/*开启时钟*/
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); //开启TIM2的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟
/*GPIO重映射*/
// RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); //开启AFIO的时钟,重映射必须先开启AFIO的时钟
// GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap1_TIM2, ENABLE); //将TIM2的引脚部分重映射,具体的映射方案需查看参考手册
// GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE); //将JTAG引脚失能,作为普通GPIO引脚使用
/*GPIO初始化*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //将GPIO口配置复用推挽输出 前面ppt中有图:普通开漏/推挽输出 引脚控制权来自输出数据寄存器 如果让定时器控制引脚 需要使用复用开漏/输出模式 在这里输出数据寄存器会被断开 输出控制权转移给片上外设 在这里片上外设是TIM2的CH1通道 PWM波形才能通过引脚输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; //GPIO_Pin_15;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA0引脚初始化为复用推挽输出
//受外设控制的引脚,均需要配置为复用模式
/*配置时钟源*/
TIM_InternalClockConfig(TIM2); //选择TIM2为内部时钟,若不调用此函数,TIM默认也为内部时钟
/*时基单元初始化*/
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure; //定义结构体变量
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //时钟分频,选择不分频,此参数用于配置滤波器时钟,不影响时基单元功能
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //计数器模式,选择向上计数
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1; //计数周期,即ARR的值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 720 - 1; //预分频器,即PSC的值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; //重复计数器,高级定时器才会用到
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure); //将结构体变量交给TIM_TimeBaseInit,配置TIM2的时基单元
/*输出比较初始化*/
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; //定义结构体变量
TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure); //结构体初始化,若结构体没有完整赋值
//则最好执行此函数,给结构体所有成员都赋一个默认值
//避免结构体初值不确定的问题
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //输出比较模式,选择PWM模式1
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性,选择为高,若选择极性为低,则输出高低电平取反
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //输出使能
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; //初始的CCR值
TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure); //将结构体变量交给TIM_OC1Init,配置TIM2的输出比较通道1
/*TIM使能*/
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); //使能TIM2,定时器开始运行
}
/**
* 函 数:PWM设置CCR
* 参 数:Compare 要写入的CCR的值,范围:0~100
* 返 回 值:无
* 注意事项:CCR和ARR共同决定占空比,此函数仅设置CCR的值,并不直接是占空比
* 占空比Duty = CCR / (ARR + 1)
*/
void PWM_SetCompare1(uint16_t Compare)
{
TIM_SetCompare1(TIM2, Compare); //设置CCR1的值
}
#ifndef __PWM_H
#define __PWM_H
void PWM_Init(void);
void PWM_SetCompare1(uint16_t Compare);
#endif
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "PWM.h"
uint8_t i; //定义for循环的变量
int main(void)
{
/*模块初始化*/
OLED_Init(); //OLED初始化
PWM_Init(); //PWM初始化
while (1)
{
for (i = 0; i <= 100; i++)
{
PWM_SetCompare1(i); //依次将定时器的CCR寄存器设置为0~100,PWM占空比逐渐增大,LED逐渐变亮
Delay_ms(10); //延时10ms
}
for (i = 0; i <= 100; i++)
{
PWM_SetCompare1(100 - i); //依次将定时器的CCR寄存器设置为100~0,PWM占空比逐渐减小,LED逐渐变暗
Delay_ms(10); //延时10ms
}
}
}
现象:LED灯呈现呼吸灯形式亮灭
#include "stm32f10x.h" // Device header
/**
* 函 数:PWM初始化
* 参 数:无
* 返 回 值:无
*/
void PWM_Init(void)
{
/*开启时钟*/
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); //开启TIM2的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟
/*GPIO初始化*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA1引脚初始化为复用推挽输出
//受外设控制的引脚,均需要配置为复用模式
/*配置时钟源*/
TIM_InternalClockConfig(TIM2); //选择TIM2为内部时钟,若不调用此函数,TIM默认也为内部时钟
/*时基单元初始化*/
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure; //定义结构体变量
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //时钟分频,选择不分频,此参数用于配置滤波器时钟,不影响时基单元功能
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //计数器模式,选择向上计数
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 20000 - 1; //计数周期,即ARR的值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1; //预分频器,即PSC的值
//舵机周期为20ms 则频率为周期倒数即50Hz 以此计算
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; //重复计数器,高级定时器才会用到
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure); //将结构体变量交给TIM_TimeBaseInit,配置TIM2的时基单元
/*输出比较初始化*/
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; //定义结构体变量
TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure); //结构体初始化,若结构体没有完整赋值
//则最好执行此函数,给结构体所有成员都赋一个默认值
//避免结构体初值不确定的问题
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //输出比较模式,选择PWM模式1
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性,选择为高,若选择极性为低,则输出高低电平取反
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //输出使能
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; //初始的CCR值
TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure); //将结构体变量交给TIM_OC2Init,配置TIM2的输出比较通道2
/*TIM使能*/
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); //使能TIM2,定时器开始运行
}
/**
* 函 数:PWM设置CCR
* 参 数:Compare 要写入的CCR的值,范围:0~100
* 返 回 值:无
* 注意事项:CCR和ARR共同决定占空比,此函数仅设置CCR的值,并不直接是占空比
* 占空比Duty = CCR / (ARR + 1)
*/
void PWM_SetCompare2(uint16_t Compare)
{
TIM_SetCompare2(TIM2, Compare); //设置CCR2的值
}
#ifndef __PWM_H
#define __PWM_H
void PWM_Init(void);
void PWM_SetCompare2(uint16_t Compare);
#endif
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "PWM.h"
/**
* 函 数:舵机初始化
* 参 数:无
* 返 回 值:无
*/
void Servo_Init(void)
{
PWM_Init(); //初始化舵机的底层PWM
}
/**
* 函 数:舵机设置角度
* 参 数:Angle 要设置的舵机角度,范围:0~180
* 返 回 值:无
*/
void Servo_SetAngle(float Angle)
{
PWM_SetCompare2(Angle / 180 * 2000 + 500); //设置占空比 0~180度对应500~2500
//注意:占空比算出来哦并不是舵机高电平的时间 需乘上周期 即上述代码括号的结果再乘以20即为舵机高电平的时间
//将角度线性变换,对应到舵机要求的占空比范围上
}
#ifndef __SERVO_H
#define __SERVO_H
void Servo_Init(void);
void Servo_SetAngle(float Angle);
#endif
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Servo.h"
#include "Key.h"
uint8_t KeyNum; //定义用于接收键码的变量
float Angle; //定义角度变量
int main(void)
{
/*模块初始化*/
OLED_Init(); //OLED初始化
Servo_Init(); //舵机初始化
Key_Init(); //按键初始化
/*显示静态字符串*/
OLED_ShowString(1, 1, "Angle:"); //1行1列显示字符串Angle:
while (1)
{
KeyNum = Key_GetNum(); //获取按键键码
if (KeyNum == 1) //按键1按下
{
Angle += 30; //角度变量自增30
if (Angle > 180) //角度变量超过180后
{
Angle = 0; //角度变量归零
}
}
Servo_SetAngle(Angle); //设置舵机的角度为角度变量
OLED_ShowNum(1, 7, Angle, 3); //OLED显示角度变量
}
}
现象:接上电源后舵机为0度 每按下按键一次旋转30度 最多转到180度 再次按下按键舵机恢复到0度 即初始化状态
#include "stm32f10x.h" // Device header
/**
* 函 数:PWM初始化
* 参 数:无
* 返 回 值:无
*/
void PWM_Init(void)
{
/*开启时钟*/
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); //开启TIM2的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟
/*GPIO初始化*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA2引脚初始化为复用推挽输出
//受外设控制的引脚,均需要配置为复用模式
/*配置时钟源*/
TIM_InternalClockConfig(TIM2); //选择TIM2为内部时钟,若不调用此函数,TIM默认也为内部时钟
/*时基单元初始化*/
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure; //定义结构体变量
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //时钟分频,选择不分频,此参数用于配置滤波器时钟,不影响时基单元功能
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //计数器模式,选择向上计数
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1; //计数周期,即ARR的值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 36 - 1; //预分频器,即PSC的值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; //重复计数器,高级定时器才会用到
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure); //将结构体变量交给TIM_TimeBaseInit,配置TIM2的时基单元
/*输出比较初始化*/
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; //定义结构体变量
TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure); //结构体初始化,若结构体没有完整赋值
//则最好执行此函数,给结构体所有成员都赋一个默认值
//避免结构体初值不确定的问题
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //输出比较模式,选择PWM模式1
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性,选择为高,若选择极性为低,则输出高低电平取反
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //输出使能
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; //初始的CCR值
TIM_OC3Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure); //将结构体变量交给TIM_OC3Init,配置TIM2的输出比较通道3
/*TIM使能*/
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); //使能TIM2,定时器开始运行
}
/**
* 函 数:PWM设置CCR
* 参 数:Compare 要写入的CCR的值,范围:0~100
* 返 回 值:无
* 注意事项:CCR和ARR共同决定占空比,此函数仅设置CCR的值,并不直接是占空比
* 占空比Duty = CCR / (ARR + 1)
*/
void PWM_SetCompare3(uint16_t Compare)
{
TIM_SetCompare3(TIM2, Compare); //设置CCR3的值
}
#ifndef __PWM_H
#define __PWM_H
void PWM_Init(void);
void PWM_SetCompare3(uint16_t Compare);
#endif
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "PWM.h"
/**
* 函 数:直流电机初始化
* 参 数:无
* 返 回 值:无
*/
void Motor_Init(void)
{
/*开启时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA4和PA5引脚初始化为推挽输出
PWM_Init(); //初始化直流电机的底层PWM
}
/**
* 函 数:直流电机设置速度
* 参 数:Speed 要设置的速度,范围:-100~100
* 返 回 值:无
*/
void Motor_SetSpeed(int8_t Speed)
{
if (Speed >= 0) //如果设置正转的速度值
{
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4); //PA4置高电平
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); //PA5置低电平,设置方向为正转
PWM_SetCompare3(Speed); //PWM设置为速度值
}
else //否则,即设置反转的速度值
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4); //PA4置低电平
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); //PA5置高电平,设置方向为反转
PWM_SetCompare3(-Speed); //PWM设置为负的速度值,因为此时速度值为负数,而PWM只能给正数
}
}
#ifndef __MOTOR_H
#define __MOTOR_H
void Motor_Init(void);
void Motor_SetSpeed(int8_t Speed);
#endif
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Motor.h"
#include "Key.h"
uint8_t KeyNum; //定义用于接收按键键码的变量
int8_t Speed; //定义速度变量
int main(void)
{
/*模块初始化*/
OLED_Init(); //OLED初始化
Motor_Init(); //直流电机初始化
Key_Init(); //按键初始化
/*显示静态字符串*/
OLED_ShowString(1, 1, "Speed:"); //1行1列显示字符串Speed:
while (1)
{
KeyNum = Key_GetNum(); //获取按键键码
if (KeyNum == 1) //按键1按下
{
Speed += 20; //速度变量自增20
if (Speed > 100) //速度变量超过100后
{
Speed = -100; //速度变量变为-100
//此操作会让电机旋转方向突然改变,可能会因供电不足而导致单片机复位
//若出现了此现象,则应避免使用这样的操作
}
}
Motor_SetSpeed(Speed); //设置直流电机的速度为速度变量
OLED_ShowSignedNum(1, 7, Speed, 3); //OLED显示速度变量
}
}
现象:接上电源后直流电机不动 按下按键开始旋转 每按下一次速度提高20% 若此时为正转 则再速度达到100再次按下按键时 直流电机会反转且速度为100 再次按下按键速度减少20% 直到为0