【PWM】呼吸灯

PWM简介

PWM 波形

PWM 波形是一种方波信号，是高/低电平不断切换的结果，其波形如图所示，这是 3 种占空比不同的波形：

PWM 的几个关键参数为：

频率（Frequency）：即高低电平切换的速度，切换的速度越快则频率越高，1000Hz 的 PWM 波意味着 1 秒钟有 1000 个脉冲
占空比（Duty Cycle）：即每个周期内，高电平所占的宽度
- 例如图中 50% duty cycle，即高/低电平的时间各占 50%；
- 图中的75% duty cycle，高电平占 75%，低电平占 25%；
- 图中的25% duty cycle，高电平占 25%，低电平占 75%；

PWM 实现呼吸灯

如果使用 PWM 信号控制 LED 的亮/灭，那么占空比越高，灯点亮的时间就越长

因此，当 PWM频率足够高，以至于人眼无法分辨时，PWM 的占空比就可以控制 LED 灯的亮度

也就是说，占空比越高，LED 看起来越亮

硬件电路设计

LED 的正极接开发板的 D12 引脚，并串联一个电阻，负极接 GND，如下图：

提示

一定要接电阻，不然会由于电流过大，烧坏 LED

软件程序设计

1. analogWrite() 函数实现呼吸灯效果

想要通过 Arduino 输出 PWM 有两种方法，第一种就是使用 Arduino 自带的 analogWrite(pin, value) 函数，
其中的两个参数：

pin：要写入的 Arduino 引脚。允许的数据类型：int
value：占空比：介于 0（始终关闭）和 255（始终开启）之间。允许的数据类型：int

代码

// 宏定义 GPIO 输出引脚
#define LED_PIN   12

void setup() {
  // 配置 GPIO 输出引脚
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

}

void loop() {
  // 实现渐亮效果
  for(int i=0;i<256;i++) {
    // 设置亮度模拟值
    analogWrite(LED_PIN, i);
    // 延时 10ms
    delay(10);
    }
  // 实现渐灭效果
  for(int i=255;i>=0;i--) {
    // 设置亮度模拟值
    analogWrite(LED_PIN, i);
    // 延时 10ms
    delay(10);
    }
}

2. LEDC 输出 PWM 信号

第二种是使用 ESP32 的 LEDC 外设，在 ESP32 上有一个 LEDC 外设模块专用于输出 PWM 波形。

LED PWM 控制器可以生成 16 路通道（0 ~ 15），波形的周期和占空比可配置。分为高低速两组，高速通道（0 ~ 7）由 80MHz 时钟驱动，低速通道（8 ~ 15）由 1MHz 时钟驱动。另外，每路 LED PWM 支持自动步进式地增加或减少占空比，可以用于 LED RGB 彩色梯度发生器。

作为刚入门的学习者，上面这段概念不理解也不影响我们后续的学习，我们需要了解的是 LEDC 的控制函数以及 PWM 信号的产生流程

打开 esp32_hal_led.h 文件之后，我们可以看到 LEDC 的所有控制函数：

// 设置 LEDC 通道对应的频率和计数位数（占空比分辨率），返回最终频率
// 分辨率的意思就是把一个周期分成 2 的 resolution_bits 份。
uint32_t    ledcSetup(uint8_t channel, uint32_t freq, uint8_t resolution_bits);

// 指定通道输出一定占空比波形
void        ledcWrite(uint8_t channel, uint32_t duty);

// 类似于 arduino 的 tone ，当外接无源蜂鸣器的时候可以发出某个声音（根据频率不同而不同）
uint32_t    ledcWriteTone(uint8_t channel, uint32_t freq);

//  该方法是上面方法的进一步封装，可以直接输出指定调式和音阶声音的信号
uint32_t    ledcWriteNote(uint8_t channel, note_t note, uint8_t octave);

// 返回指定通道占空比的值
uint32_t    ledcRead(uint8_t channel);

// 返回指定通道当前频率（如果当前占空比为0 则该方法返回0）
uint32_t    ledcReadFreq(uint8_t channel);

// 将 LEDC 通道绑定到指定 IO 口上以实现输出
void        ledcAttachPin(uint8_t pin, uint8_t channel);

// 解除 IO 口的 LEDC 功能
void        ledcDetachPin(uint8_t pin);

使用 LEDC 外设的时候需要遵循以下步骤：

使用 ledcSetup() 函数建立 LEDC 通道；
通过 ledcAttachPin() 将 GPIO 口与 LEDC 通道关联；
通过 ledcWrite()、ledcWriteTone()、ledcWriteNote()设置频率、设置蜂鸣器音调等等
通过 ledcDetachPin() 解除 GPIO 口与 LEDC 通道的关联

所有我们可以通过以下代码，实现呼吸灯效果：

#define FREQ        2000    // 频率
#define CHANNEL     0       // 通道
#define RESOLUTION  8       // 分辨率
#define LED         12      // LED 引脚


void setup()
{
  ledcSetup(CHANNEL, FREQ, RESOLUTION); // 设置通道
  ledcAttachPin(LED, CHANNEL);          // 将通道与对应的引脚连接
}

void loop()
{
  // 逐渐变亮
  for (int i=0;i<pow(2, RESOLUTION); i++)
  {
    ledcWrite(CHANNEL, i); // 输出PWM
    delay(5);
  }

  // 逐渐变暗
  for (int i=pow(2, RESOLUTION)-1;i>=0;i--)
  {
    ledcWrite(CHANNEL, i); // 输出PWM
    delay(5);
  }
}

PWM简介​

PWM 波形​

PWM 实现呼吸灯​

硬件电路设计​

软件程序设计​

1. analogWrite() 函数实现呼吸灯效果​

代码​

2. LEDC 输出 PWM 信号​