STM32使用PWM制作呼吸灯

STM32使用PWM制作呼吸灯

STM32使用PWM制作呼吸灯

一、定时器理论知识

PWM介绍

1. 定义
   PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是一种通过控制脉冲的宽度来调节功率输送的技术。简单来说，PWM是通过改变信号的“开”时间（高电平时间）和“关”时间（低电平时间）来实现对输出功率的控制。常用于控制电机转速、调节亮度、音频信号合成等场景。

2. 基本原理
   PWM通过固定的时间周期内改变信号的“高电平”与“低电平”的比例（即占空比）来控制功率的传递。通过改变占空比，可以控制电流的平均值，从而实现对电动机、LED亮度等设备的调节。PWM的频率保持不变，而占空比则在0到100%之间变化：

• 占空比（Duty Cycle）：即高电平占总周期的时间比例。例如，占空比为50%的PWM波表示高电平持续50%的时间，低电平持续50%的时间。
• 频率（Frequency）：PWM波的周期时间，也就是信号变化的频率。

3. 优点及应用范围

• 优点：

• 高效能：PWM能有效控制功率传输，并且电源开关工作时几乎没有能量损耗。

• 精确控制：可以精确地控制功率输出，通过调节占空比来实现精确调节。

• 热量低：相比传统的线性调节方式，PWM的开关特性能够大大减少因电流流过元件而产生的热量。

• 应用范围：

• 电机控制：控制电机转速。

• 亮度调节：在LED灯光调节中广泛应用。

• 音频合成：生成模拟音频信号。

• 电源调节：例如在电源转换中，使用PWM控制输出电压。

• 马达驱动：如机器人、风扇等设备的调速。

4. 主要参数

• 频率（Frequency）：PWM信号的周期性变化速率，单位为Hz。频率高则调节更细腻，低则响应较慢。
• 占空比（Duty Cycle）：高电平时间与总周期时间的比例，通常以百分比表示。
• 周期（Period）：一个PWM信号从开始到结束的时间总长度，等于1/频率。
• 电压幅度（Amplitude）：高电平时的电压值，一般由驱动电路提供。

5. PWM的产生
   PWM信号的产生一般有两种方式：

• 硬件PWM：由微控制器内部的定时器和计数器自动生成。STM32等微控制器通过配置定时器来输出PWM信号。硬件PWM稳定可靠，效率高，适用于大多数应用。
• 软件PWM：通过软件控制GPIO引脚的高低电平输出，虽然实现简单，但通常需要较高的计算资源，效率较低，不适合高精度控制。

6. PWM工作原理
   PWM的工作原理基于一个固定频率的时钟，通过调节高电平的持续时间（占空比）来实现对功率的调控。信号的周期由时钟产生器设定，信号的高电平和低电平通过占空比控制，常见的PWM波形是矩形波。

• 占空比：例如占空比50%意味着PWM波在一个周期内，高电平和低电平的时间相等。若占空比为25%，则高电平持续四分之一的周期，低电平占据剩余的部分。

7. PWM输出的模式区别
   PWM输出有多种工作模式，主要包括：

• 正常模式（Up Mode）：定时器计数从0计数到自动重载值（ARR），然后重载并继续。
• 向下计数模式（Down Mode）：定时器从ARR计数到0，再反向计数。
• 中心对称模式（Center-aligned Mode）：定时器计数到ARR值后会反向计数，这样PWM波形会相对于中心对称，常用于减小噪音和振动。
• 边沿对齐模式（Edge-aligned Mode）：PWM波的上升沿或下降沿与计数器的某些边缘对齐。

8. PWM的计数模式
   PWM的计数模式主要有两种：

• 向上计数（Up-counting）：计数器从0开始递增到设定的ARR（Auto-Reload Register）值，当计数器达到ARR值时，它会重新从0开始。
• 向下计数（Down-counting）：计数器从ARR开始递减到0，当计数器为0时，会重新从ARR开始。
• 向上/向下计数（Up/Down-counting）：这种模式结合了上升和下降计数，计数器在ARR值和0值之间交替进行计数。此模式下，PWM波形具有更对称的特性。

9. PWM相关配置寄存器
   在STM32微控制器等基于定时器的PWM生成过程中，涉及到多个寄存器的配置，以下是常见的几个配置寄存器：

• 捕获/比较模式寄存器（TIMx_CCMR1）
  该寄存器用于配置定时器的捕获/比较模式，决定定时器输出的波形类型、PWM的占空比、计数模式等。主要控制PWM信号的输出模式，比如PWM的极性、输出的比较输出模式等。

• 捕获/比较使能寄存器（TIMx_CCER）
  该寄存器用于使能定时器的通道输出。通过设置该寄存器，定时器的捕获/比较输出可以发送到外部引脚。控制PWM输出信号的开关、极性等。确保PWM信号能够正确地输出到GPIO引脚。

• 捕获/比较寄存器（TIMx_CCRx）
  该寄存器用于存储捕获/比较的值，控制PWM信号的高电平持续时间（即占空比）。通过写入CCR寄存器，可以设置PWM信号的占空比，从而实现对输出信号的调节。

总结

PWM是通过改变脉冲的宽度来控制功率的一种技术，具有高效、精确、低热量的优点，广泛应用于电机调速、LED亮度控制等领域。通过定时器配置寄存器，用户可以灵活控制PWM的输出模式、占空比和频率，从而实现对电气设备的精确调控。

二、工程建立

1. 创建新项目

2. RCC配置
   

3. SYS配置

4. 配置定时器
   这里我们选择定时器3和定时器4来实现定时的功位置3，分频系数为71，向上计数模式，计数周期为500，使能自动重载模式。通道1选择：PWM Generation CH1（PWM输出通道1）
   设置分频系数为71，计数周期为500，其它默认。
   
   定时器四我们也选择PWM Generation CH1（PWM输出通道1），计数周期根据自己需要进行设置,这里我设置的跟定时器三一样

5. 配置时钟树

6. 配置项目设置
   设置项目名称、路径（不能有中文）、编译器及版本

三、代码完善

1. 设置占空比
   在main.c中，添加变量，用以存储占空比，且初始值设置为10.

uint16_t duty_num3 = 10;
uint16_t duty_num4 = 10;

2. 开启PWM信道
   开始TIM3的通道3，输出PWM。
   开始TIM4的通道4，输出PWM。
   在main函数中添加：

HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim4,TIM_CHANNEL_1);

3. 具体应用
   这里我们设置为每隔50毫秒，占空比加10，如果超过400（也就是PWM周期），又逐渐递减，占空比减10。（即灯会从亮到暗，再从暗到亮逐渐变化）

while (1)
{
    /* USER CODE END WHILE */
    HAL_Delay(50);
    duty_num3 = duty_num3 + 10;
    duty_num4 = duty_num4 + 10;
    if(duty_num3 > 400)
    {
        while(duty_num3!=0)
        { 	
            HAL_Delay(50);
            duty_num3 = duty_num3 - 10;
            __HAL_TIM_SetCompare(&htim3,TIM_CHANNEL_1,duty_num3);			 
        }
        HAL_Delay(50);
        duty_num3 = 0;
    }
    __HAL_TIM_SetCompare(&htim3,TIM_CHANNEL_1,duty_num3);
        if(duty_num4 > 450)
    {
        while(duty_num4!=0)
        { 	
            HAL_Delay(50);	
            duty_num4 = duty_num4 - 10;
            __HAL_TIM_SetCompare(&htim4,TIM_CHANNEL_1,duty_num4);
        }
        HAL_Delay(50);
        duty_num4 = 0;
    }
    __HAL_TIM_SetCompare(&htim4,TIM_CHANNEL_1,duty_num4);
    /* USER CODE BEGIN 3 */
}

四、硬件连接

根据查询数据手册可发现定时器3,4的一通道分别对应引脚PA6 PB6,然后题目要求还需要直接驱动PC13(最小开发板上已焊接的LED（固定接在 PC13 GPIO端口）),故而我们将对应PWM波作为输入，连接其对应引脚即可实现所需完成功能。
3V3 —> 3V3
GND —> GND
RXD —> A9
TXD —> A10
LED灯短脚 —> A6
LED灯长脚 —> 3V3
PB6 —> PC13
硬件连接图：

五、结果展示

可以看到两个灯有亮到灭，再由灭到亮

六、心得体会

通过实现呼吸灯，我对PWM的基本原理有了更深刻的理解。PWM通过调节占空比来改变电流的平均值，从而控制LED亮度的变化。在STM32中，我们使用定时器产生PWM信号，这让我意识到硬件定时器的精确性以及它们在实时控制中的重要性。
在STM32上实现PWM，最关键的部分是定时器的配置。通过配置定时器的计数周期和捕获/比较寄存器，我能够精确地控制LED的亮度变化。在学习过程中，我对STM32的定时器工作机制有了更深的认识，尤其是如何配置定时器的工作模式（比如向上计数、向下计数模式等），以及如何调整占空比来控制LED的亮度变化。
呼吸灯的核心是亮度的渐变效果，这要求PWM的占空比在一定时间内平滑地变化。在这个过程中，我学习了如何利用STM32的定时器中断或者延时函数来控制渐变的速度，使得效果更加自然、流畅。

参考博客

• http://www.mcublog.cn/stm32/2021_01/stm32cubemx-pwm-huxideng/
• https://blog.csdn.net/weixin_64559251/article/details/127581276