單片機(jī)PWM控制的原理是怎樣的

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(jìn)行控制的一種有效的技術(shù)，其實(shí)就是使用數(shù)字信號達(dá)到一個(gè)模擬信號的效果。這是個(gè)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(shí)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(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)我們寫一個(gè) LED = 0;小燈就會(huì)長亮，當(dāng)我們寫一個(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，也就是 100Hz 以上的頻率，這個(gè)時(shí)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(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，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

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(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; 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(dòng) 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(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 = （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(dòng) T0

PWMOUT = 1; //輸出高電平

}

/* 關(guān)閉 PWM */

void ClosePWM{

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 */

void InterruptTimer0 interrupt 1{

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)中沒有專門的 PWM 模塊，所以我們用定時(shí)器加中斷的方式來產(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。如果我們讓亮度等級更多，并且讓亮度等級連續(xù)起來，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。我們來試試這個(gè)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(jì)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(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 */

void ConfigTimer1（unsigned int ms）{

unsigned long 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 = （unsigned char）（tmp》》8）; //定時(shí)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(dòng) T1

}

/* 配置并啟動(dòng) 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(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 = （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(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 */

void AdjustDutyCycle（unsigned char dc）{

unsigned int 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; //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 = （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(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;

}

}

/* T1 中斷服務(wù)函數(shù)，定時(shí)動(dòng)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(gè)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(shí)就是采用的 PWM 技術(shù)控制的。

責(zé)任編輯：ct