单片机PWM

只看该作者 · 2023-11-25 14:16

1 PWM 简介

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）是按一定规律改变脉冲序列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调制方式。

在控制系统中最常用的是矩形波 PWM 信号，在控制时需要调节 PWM 波占空比。如下图所示，占空比是指高电平持续时间在一个周期时间内的百分比。控制电机的转速时，占空比越大，速度越快，如果全为高电平，占空比为 100% 时，速度达到最快。

当用单片机 I/O 输出 PWM 信号时，可采用以下三种方法：

利用软件延时。当高电平延时时间到时，对 I/O 口电平取反变成低电平，再延时；当低电平延时时间到时，对该 I/O 口电平取反；如此循环，就可得到 PWM 信号。
利用定时器。控制方法同上，只是利用单片机的定时器来定时进行高、低电平的翻转，而不用软件延时。
利用单片机自带的 PWM 控制器。

2 定时器的应用

单片机的周期

时钟周期，也成为振荡周期，定义为时钟频率的倒数（单片机外接晶振的倒数，如 12MHz 晶振的时钟周期就是 1/12 us）。它是单片机中最基本、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU 仅完成一个最基本的动作。
状态周期：时钟周期的 2 倍。
机器周期 T c y T_{cy}Tcy：单片机的基本操作周期，在一个操作周期内，单片机完成一项基本操作。如取指令、存储器读/写等。机器周期由 12 个时钟周期（ 6 个状态周期）组成。
指令周期：指 CPU 执行一条指令所需的时间。指令周期一般包含 1 ~ 4 个机器周期。

定时器/计数器本质

定时器/计数器的本质是加 1 计数器（16 位），有高 8 位和低 8 位 2 个寄存器组成。TMOD 是定时器/计数器的工作模式寄存器，确定工作方式和功能，TCON 是控制寄存器，控制 T0、T1 的启动和停止及设置溢出标志。

加 1 计数器输入的计数脉冲的来源：

一个由系统的时钟振荡器输出脉冲经 12 分频后送来
一个由 T0 或 T1 引脚输入的外部脉冲源，每来一个脉冲计数器加 1。

当加到计数器全为 1 时，在输入一个脉冲就使计数器回零，且计数器的溢出使 TCON 寄存器中 TF0 或 TF1 置 1，向 CPU 发出中断请求。如果定时器/计数器工作于定时模式，则表示定时时间已到；如果工作于计数模式，则表示计数值已满。

定时器定时时间：计数值 N NN × 机器周期 T c y T_{cy}Tcy。

定时器初值

溢出时计数器的值减去计数初值才是加 1 计数器的计数值。

定时器一旦启动，它便在原来的数值上开始加 1 计数，若在程序开始时，没有设置 TH0 和 TL0，则默认是 0，假设时钟频率为 12MHz，12 个时钟周期为一个机器周期，那么此时机器周期就是 1 us，计满 TH0 和 TL0 就需要 2 16 − 1 2^{16} - 1216−1 个数，再来一个脉冲计数器溢出，随即向 CPU 申请中断，因此溢出一次共需 65536us，约 65.5ms。