嵌入式人工智能ESP32（4-PWM呼吸灯）

news2024/11/24 17:06:47

1、PWM基本原理

PWM（Pulse-width modulation）是脉冲宽度调制的缩写。脉冲宽度调制是一种模拟信号电平数字编码方法。脉冲宽度调制PWM是通过将有效的电信号分散成离散形式从而来降低电信号所传递的平均功率的一种方式。所以根据面积等效法则，可以通过对改变脉冲的时间宽度，来等效的获得所需要合成的相应幅值和频率的波形。实现模拟电路的数字化控制可显著降低系统成本和功耗。许多微控制器和数字信号处理器 (DSP) 已包括了 PWM控制器芯片，因此可以更轻松地实施数字化控制。PWM信号是通过调节占空比的变化来调节信号、能量等的变化。

PWM就是在合适的信号频率下，通过一个周期里改变占空比的方式来改变输出的有效电压。

单片机的IO口输出的是数字信号，IO口只能输出高电平和低电平，假设高电平为5V 低电平则为0V 那么我们要输出不同的模拟电压，就要用到PWM，通过改变IO口输出的方波的占空比从而获得使用数字信号模拟成的模拟电压信号。

电压是以一种连接1或断开0的重复脉冲序列被夹到模拟负载上去的（例如LED灯，直流电机等），连接即是直流供电输出，断开即是直流供电断开。通过对连接和断开时间的控制，理论上来讲，可以输出任意不大于最大电压值（即0~5V之间任意大小）的模拟电压。

比方说占空比为50% 那就是高电平时间一半，低电平时间一半，在一定的频率下，就可以得到模拟的2.5V输出电压那么75%的占空比得到的电压就是3.75V。

PWM的调节作用来源于对“占周期”的宽度控制，“占周期”变宽，输出的能量就会提高，通过阻容变换电路所得到的平均电压值也会上升，“占周期”变窄，输出的电压信号的电压平均值就会降低，通过阻容变换电路所得到的平均电压值也会下降。也就是，在一定的频率下，通过不同的占空比即可得到不同的输出模拟电压。PWM就是通过这种原理实现D/A转换的。

嵌入式人工智能（9-基于树莓派4B的PWM-LED呼吸灯）_树莓派4b控制pwm-CSDN博客

2、 PWM信号的生成

上图显示了比较器使用两个输入PWM信号所生成的 PWM输出波形 (红线): 正弦波 (黑线) 和输入信号 (灰线)。0.5 VDC 输入信号是电压基准，通过与正弦波比较生成 PWM 波形。使用 0.5 VDC 稳态基准电压，可生成 50% 占空比的 PWM 波形。

如果基准电压降至 0.25 VDC，那么将生成更高占空比的 PWM波形

3、ESP32的PWM官方示例

可以在所有输出引脚上启用PWM。基本频率可以在1Hz到40MHz的范围内，但存在折衷；随着基频增加，占空比分辨率降低。

from machine import Pin, PWM

pwm0 = PWM(Pin(0))         # create PWM object from a pin
freq = pwm0.freq()         # get current frequency (default 5kHz)
pwm0.freq(1000)            # set PWM frequency from 1Hz to 40MHz

duty = pwm0.duty()         # get current duty cycle, range 0-1023 (default 512, 50%)
pwm0.duty(256)             # set duty cycle from 0 to 1023 as a ratio duty/1023, (now 25%)

duty_u16 = pwm0.duty_u16() # get current duty cycle, range 0-65535
pwm0.duty_u16(2**16*3//4)  # set duty cycle from 0 to 65535 as a ratio duty_u16/65535, (now 75%)

duty_ns = pwm0.duty_ns()   # get current pulse width in ns
pwm0.duty_ns(250_000)      # set pulse width in nanoseconds from 0 to 1_000_000_000/freq, (now 25%)

pwm0.deinit()              # turn off PWM on the pin

pwm2 = PWM(Pin(2), freq=20000, duty=512)  # create and configure in one go
print(pwm2)                               # view PWM settings

4、实验代码

呼吸灯的实现，由亮到暗，再由暗到亮，呼吸。

from machine import Pin, PWM
import time

pwm_led = PWM(Pin(19), freq=100000, duty=1023)

while True:
    for i in range(0,1023,1):
        pwm_led.duty(i)
        time.sleep(0.003)
    for i in range(1023,-1,-1):
        pwm_led.duty(i)
        time.sleep(0.003)