單片機(jī)中PWM的原理與控制程序
PWM 在單片機(jī)中的應(yīng)用是非常廣泛的，它的基本原理很簡(jiǎn)單，但往往應(yīng)用于不同場(chǎng)合上意義也不完全一樣，這里我先把基本概念和基本原理給大家介紹一下，后邊遇到用的時(shí)候起碼知道是個(gè)什么東西。
PWM 是 Pulse Width Modulation 的縮寫(xiě)，它的中文名字是脈沖寬度調(diào)制，一種說(shuō)法是它利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效的技術(shù)，其實(shí)就是使用數(shù)字信號(hào)達(dá)到一個(gè)模擬信號(hào)的效果。這是個(gè)什么概念呢？我們一步步來(lái)介紹。
首先從它的名字來(lái)看，脈沖寬度調(diào)制，就是改變脈沖寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的效果。我們先來(lái)看三組不同的脈沖信號(hào)，如圖 10-1 所示。
圖 10-1 PWM 波形
這是一個(gè)周期是 10ms，即頻率是 100Hz 的波形，但是每個(gè)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(gè)概念，叫做“占空比”。占空比是指高電平的時(shí)間占整個(gè)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(duì)模擬電路進(jìn)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(huì)的點(diǎn)亮 LED 小燈那個(gè)程序，當(dāng)我們寫(xiě)一個(gè) LED = 0;小燈就會(huì)長(zhǎng)亮，當(dāng)我們寫(xiě)一個(gè) LED = 1;小燈就會(huì)滅掉。當(dāng)我們讓小燈亮和滅間隔運(yùn)行的時(shí)候，小燈是閃爍。
如果我們把這個(gè)間隔不斷的減小，減小到我們的肉眼分辨不出來(lái)，也就是 100Hz 以上的頻率，這個(gè)時(shí)候小燈表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象就是既保持亮的狀態(tài)，但亮度又沒(méi)有 LED = 0;時(shí)的亮度高。那我們不斷改變時(shí)間參數(shù)，讓 LED = 0;的時(shí)間大于或者小于 LED = 1;的時(shí)間，會(huì)發(fā)現(xiàn)亮度都不一樣，這就是模擬電路的感覺(jué)了，不再是純粹的 0 和 1，還有亮度不斷變化。大家會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果我們用 100Hz 的信號(hào)，如圖 10-1 所示，假如高電平熄滅小燈，低電平點(diǎn)亮小燈的話，第一部分波形熄滅 4ms，點(diǎn)亮 6ms，亮度最高，第二部分熄滅 6ms，點(diǎn)亮 4ms，亮度次之，第三部分熄滅 8ms，點(diǎn)亮 2ms，亮度最低。那么用程序驗(yàn)證一下我們的理論，我們用定時(shí)器T0 定時(shí)改變 P0.0 的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn) PWM，與純定時(shí)不同的是，這里我們每周期內(nèi)都要重載兩次定時(shí)器初值，即用兩個(gè)不同的初值來(lái)控制高低電平的不同持續(xù)時(shí)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
sbitPWMOUT= P0^0;
sbitADDR0= P1^0;
sbitADDR1= P1^1;
sbitADDR2= P1^2;
sbitADDR3= P1^3;
sbitENLED= P1^4;
unsignedchar HighRH=0;//高電平重載值的高字節(jié)
unsignedchar HighRL=0;//高電平重載值的低字節(jié)
unsignedchar LowRH=0;//低電平重載值的高字節(jié)
unsignedchar LowRL=0;//低電平重載值的低字節(jié)
voidConfigPWM(unsignedint fr,unsignedchar dc);
voidClosePWM();
voidmain(){
unsignedint i;
EA=1;//開(kāi)總中斷
ENLED=0;//使能獨(dú)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; i<40000; i++);
ClosePWM();
ConfigPWM(100,40);//頻率 100Hz，占空比 40%
for(i=0; i<40000; i++);
ClosePWM();
ConfigPWM(100,90);//頻率 100Hz，占空比 90%
for(i=0; i<40000; i++);
ClosePWM();//關(guān)閉 PWM，相當(dāng)于占空比 100%
for(i=0; i<40000; i++);
}
}
/* 配置并啟動(dòng) PWM，fr-頻率，dc-占空比 */
voidConfigPWM(unsignedint fr,unsignedchar dc){
unsignedint high, low;
unsignedlong tmp;
tmp=(11059200/12)/ fr;//計(jì)算一個(gè)周期所需的計(jì)數(shù)值
high=(tmp*dc)/100;//計(jì)算高電平所需的計(jì)數(shù)值
low= tmp- high;//計(jì)算低電平所需的計(jì)數(shù)值
high=65536- high+12;//計(jì)算高電平的重載值并補(bǔ)償中斷延時(shí)
low=65536- low+12;//計(jì)算低電平的重載值并補(bǔ)償中斷延時(shí)
HighRH=(unsignedchar)(high>>8);//高電平重載值拆分為高低字節(jié)
HighRL=(unsignedchar)high;
LowRH=(unsignedchar)(low>>8);//低電平重載值拆分為高低字節(jié)
LowRL=(unsignedchar)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(dòng) T0
PWMOUT=1;//輸出高電平
}
/* 關(guān)閉 PWM */
voidClosePWM(){
TR0=0;//停止定時(shí)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 */
voidInterruptTimer0() interrupt1{
if(PWMOUT==1){//當(dāng)前輸出為高電平時(shí)，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(shí)，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(jī)中沒(méi)有專門(mén)的 PWM 模塊，所以我們用定時(shí)器加中斷的方式來(lái)產(chǎn)生 PWM，而現(xiàn)在有很多的單片機(jī)都會(huì)集成硬件的 PWM 模塊，這種情況下需要我們做的就僅僅是計(jì)算一下周期計(jì)數(shù)值和占空比計(jì)數(shù)值然后配置到相關(guān)的 SFR 中即可，既使程序得到了簡(jiǎn)化又確保了 PWM 的輸出品質(zhì)（因?yàn)橄酥袛嘌訒r(shí)的影響）。
大家編譯下載程序后，會(huì)發(fā)現(xiàn)小燈從最亮到滅一共 4 個(gè)亮度等級(jí)。如果我們讓亮度等級(jí)更多，并且讓亮度等級(jí)連續(xù)起來(lái)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小燈漸變的效果，與呼吸有點(diǎn)類似，所以我們習(xí)慣上稱之為呼吸燈，程序代碼如下，這個(gè)程序用了 2 個(gè)定時(shí)器 2 個(gè)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(lái)試試這個(gè)程序，試完了大家一定要能自己把程序?qū)懗鰜?lái)，切記。
#include
sbitPWMOUT= P0^0;
sbitADDR0= P1^0;
sbitADDR1= P1^1;
sbitADDR2= P1^2;
sbitADDR3= P1^3;
sbitENLED= P1^4;
unsignedlong PeriodCnt=0;//PWM 周期計(jì)數(shù)值
unsignedchar HighRH=0;//高電平重載值的高字節(jié)
unsignedchar HighRL=0;//高電平重載值的低字節(jié)
unsignedchar LowRH=0;//低電平重載值的高字節(jié)
unsignedchar LowRL=0;//低電平重載值的低字節(jié)
unsignedchar T1RH=0;//T1 重載值的高字節(jié)
unsignedchar T1RL=0;//T1 重載值的低字節(jié)
voidConfigTimer1(unsignedint ms);
voidConfigPWM(unsignedint fr,unsignedchar dc);
voidmain(){
EA=1;//開(kāi)總中斷
ENLED=0;//使能獨(dú)立 LED
ADDR3=1;
ADDR2=1;
ADDR1=1;
ADDR0=0;
ConfigPWM(100,10);//配置并啟動(dòng) PWM
ConfigTimer1(50);//用 T1 定時(shí)調(diào)整占空比
while(1);
}
/* 配置并啟動(dòng) T1，ms-定時(shí)時(shí)間 */
voidConfigTimer1(unsignedint ms){
unsignedlong tmp;//臨時(shí)變量
tmp=11059200/12;//定時(shí)器計(jì)數(shù)頻率
tmp=(tmp* ms)/1000;//計(jì)算所需的計(jì)數(shù)值
tmp=65536- tmp;//計(jì)算定時(shí)器重載值
tmp= tmp+12;//補(bǔ)償中斷響應(yīng)延時(shí)造成的誤差
T1RH=(unsignedchar)(tmp>>8);//定時(shí)器重載值拆分為高低字節(jié)
T1RL=(unsignedchar)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(dòng) T1
}
/* 配置并啟動(dòng) PWM，fr-頻率，dc-占空比 */
voidConfigPWM(unsignedint fr,unsignedchar dc){
unsignedint high, low;
PeriodCnt=(11059200/12)/ fr;//計(jì)算一個(gè)周期所需的計(jì)數(shù)值
high=(PeriodCnt*dc)/100;//計(jì)算高電平所需的計(jì)數(shù)值
low= PeriodCnt- high;//計(jì)算低電平所需的計(jì)數(shù)值
high=65536- high+12;//計(jì)算高電平的定時(shí)器重載值并補(bǔ)償中斷延時(shí)
low=65536- low+12;//計(jì)算低電平的定時(shí)器重載值并補(bǔ)償中斷延時(shí)
HighRH=(unsignedchar)(high>>8);//高電平重載值拆分為高低字節(jié)
HighRL=(unsignedchar)high;
LowRH=(unsignedchar)(low>>8);//低電平重載值拆分為高低字節(jié)
LowRL=(unsignedchar)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(dòng) 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 */
voidAdjustDutyCycle(unsignedchar dc){
unsignedint high, low;
high=(PeriodCnt*dc)/100;//計(jì)算高電平所需的計(jì)數(shù)值
low= PeriodCnt- high;//計(jì)算低電平所需的計(jì)數(shù)值
high = 65536 - high + 12
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