利用PWM原理，实现呼吸灯功能

实验目标

利用STM32定时器产生PWM信号；

利用PWM信号实现呼吸灯。

什么是PWM信号呢？

PWM，英文名Pulse Width Modulation。

PWM信号是一种脉宽调制信号，广范用于LED和电机控制等场合。

PWM信号其实类似于方波，只有0和1两种状态。

PWM信号可以调节占空比。

不同占空比可以使LED产生不同的亮度。

占空比就是指在一个周期内，信号处于高电平的时间占据整个信号周期的百分比，例如上图中所示脉冲的占空比就是25%。

PWM波可以由GPIO口产生，通过GPIO口输出高电平，延时，输出低电平，延时来产生PWM波。

还可以使用定时器，利用比较寄存器形成PWM。

本实验就是利用PWM信号这一特性控制LED产生不同亮度，从而实现呼吸灯的效果。

PWM信号应用场景

我们经常见到的就是交流调光电路，高电平占多一点，也就是占空比大一点亮度就亮一点，占空比小一点亮度就没有那么亮，前提是PWM的频率要大于我们人眼识别频率，要不然会出现闪烁现象。

除了在调光电路应用，还有在直流斩波电路、蜂鸣器驱动、电机驱动、逆变电路、加湿机雾化量等都会有应用。

PWM信号如何输出呢？

1）可以直接通过芯片内部模块输出PWM信号，前提是这个I/O口要有PWM集成模块，自带PWM功能的芯片只需要简单几步操作即可实现PWM功能。这种自带有PWM输出的功能模块在程序设计更简便，同时数据更精确。如下图，一般的IO口都会标明这个GPIO是否是PWM口；

STM32单片机就是标识如下形式：TIMx_CHy这样的形式，下图中所示的PWM引脚即占用TIM1的通道1。

2）但是如果IC内部没有PWM功能模块，或者要求不是很高的话可以利用I/O口结合定时器输出PWM信号，因为PWM信号其实就是一高一低的一系列电平组合在一起。具体方法是给I/O加一个定时器，输出的PWM信号频率与你的定时器一致，用定时器中断来计数，但是这种方法一般不采用，除非对于精度、频率等要求不是很高可以这样实现。

LED使用的引脚：

原理图

由上面的原理图可知，当LED1和LED2引脚为高电平的时候，LED灭；当引脚为低电平的时候，LED亮。

一个周期内低电平占比越来越少，高电平占空比越来越高，LED越来越暗。

具体实现

1. LED引脚PB8、PB9初始化

注意 GPIO_Mode 要设置为：GPIO_Mode_AF_PP

void LED_Init(void)
{
 
 GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
  
 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
 
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9;
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; 
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}

2. TIM4_CH3和TIM4_CH4初始化

void Led_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef       TIM_OCInitStructure;
    NVIC_InitTypeDef        NVIC_InitStructure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);   

    LED_Init();

    TIM_DeInit(TIM4);

    /* Time Base configuration */
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period            = arr;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler         = psc;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode       = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision     = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;

    TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);

    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode             = TIM_OCMode_PWM2;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState        = TIM_OutputState_Enable;  
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse                   = 0;  
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC3Init(TIM4, &TIM_OCInitStructure);
    TIM_OC4Init(TIM4, &TIM_OCInitStructure);

    TIM_CtrlPWMOutputs(TIM4, ENABLE);
 
    TIM_OC3PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable);
    TIM_OC4PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable);
 
    TIM_ARRPreloadConfig(TIM4, ENABLE);
    
    TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
}

其中参数arr为重载值，psc为TIMx时钟频率的预分频系数。

设置定时器的周期：

PWM的周期一般要设置到50Hz以上，否则，我们会看到明显的视觉闪烁。

设置定时器的周期需要改变ARR和PSC两个寄存器的值来控制输出PWM的周期。

在STM32的库函数中，

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period即设置的ARR寄存器，溢出计数值，（如有中断）达到这个值就中断，对应参数arr；

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler即设置的PSC寄存器，对应预分频系数参数psc。

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure);

应用

Led_PWM_Init(899, 0);

psc为0，表示初始化PWM对应的定时器不分频，仍旧为72MHz，arr为899，代表PWM的频率为：72000/(899+1)=80KHz。周期等于频率的倒数，即1/80KHz=12.5us。

while(1) 
{  
    //呼吸灯
    if(dir)
        led0pwmval++;   
    else 
        led0pwmval--;      

    if(led0pwmval>900)
        dir=0;   
    if(led0pwmval==0)
        dir=1;             

    TIM_SetCompare3(TIM4,led0pwmval);   //CH3 绿色
    TIM_SetCompare4(TIM4,led0pwmval);   //CH4 红色  

    delay_ms(1); 
}

其中代码:

TIM_SetCompare3(TIM4,led0pwmval);   //CH3 绿色
TIM_SetCompare4(TIM4,led0pwmval);   //CH4 红色

就是调节定时器TIM4的通道3和通道4的占空比，当计数时间达到led0pwmval时电平翻转，比如默认0-arr都为高电平，如TIM_SetCompare的值为arr/2，就是0-arr/2 为低电平，arr/2-arr为高电平，占空比 50%。

TIM_SetCompare设置的值就是设置的CCRx。由上面的图可知，CCRx/ARR就是占空比，由于占空比不能大于1，CCRx的值肯定不能大于ARR了。

比如我们执行如下代码：

TIM_SetCompare3(TIM4,450);   //CH3 绿色
TIM_SetCompare4(TIM4,450);   //CH4 红色

示波器中可以看到如下效果：

从上我们可以看到：

脉冲频率是：80KHz

周期是：12.50us

占空比：50% (450/(899+1))

跟上面的我们设置的值是一致的。

实现的效果

视频中的板子就是2020.06每月活动智能风扇使用的板子。

由核心板+底板的形式组成，待月底全部功能实现并验证没有问题之后，开源原理图和PCB图给大家下载自行搭建测试。

本文的PWM控制LED实现呼吸灯的原理，其实就是我们控制风扇转速的原理，有了本节课的知识，我们就可以控制风扇的转速了。