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第9章 綜合練習(xí)9.9

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9.9 PWM知識(shí)與實(shí)例
PWM在單片機(jī)中的應(yīng)用是非常廣泛的，它的基本原理很簡(jiǎn)單，但往往應(yīng)用于不同場(chǎng)合上意義也不完全一樣。
PWM是Pulse Width Modulation的縮寫(xiě)，中文名字是脈沖寬度調(diào)制，一種說(shuō)法是它利用微處理器的數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效的技術(shù)，其實(shí)就是使用數(shù)字信號(hào)達(dá)到一個(gè)模擬信號(hào)的效果。這是個(gè)什么概念呢？
首先從名字來(lái)看，脈沖寬度調(diào)制，就是改變脈沖寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的效果。先來(lái)看三組不同的脈沖信號(hào)，如圖9-5所示。

圖9-5 PWM波形
這是一個(gè)周期是10ms，即頻率是100Hz的波形，但是每個(gè)周期內(nèi)，高低電平脈沖寬度各不相同，這就是PWM的本質(zhì)。引入一個(gè)概念--占空比。占空比是指高電平的時(shí)間占整個(gè)周期的比例。比如第一部分波形的占空比是40%，第二部分波形占空比是60%，第三部分波形占空比是80%，這就是PWM的解釋。
為何它能對(duì)模擬電路進(jìn)行控制呢？數(shù)字電路里，只有0和1兩種狀態(tài)，比如第2章學(xué)會(huì)的點(diǎn)亮LED小燈那個(gè)程序，寫(xiě)一個(gè)LED = 0;小燈就會(huì)長(zhǎng)亮，寫(xiě)一個(gè)LED = 1;小燈就會(huì)滅掉。當(dāng)讓小燈亮和滅間隔運(yùn)行的時(shí)候，小燈是閃爍。如果把這個(gè)間隔不斷的減小，減小到肉眼分辨不出來(lái)，也就是100Hz以上的頻率，這個(gè)時(shí)候小燈表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象就是既保持亮的狀態(tài)，但亮度又沒(méi)有LED = 0;時(shí)的亮度高。不斷改變時(shí)間參數(shù)，讓LED = 0;的時(shí)間大于或者小于LED = 1;的時(shí)間，會(huì)發(fā)現(xiàn)亮度都不一樣，這就是模擬電路的感覺(jué)了，不再是純粹的0和1，還有亮度不斷變化。如果用100Hz的信號(hào)，如圖9-5所示，假如高電平熄滅小燈，低電平點(diǎn)亮小燈的話，第一部分波形熄滅4ms，點(diǎn)亮6ms，亮度最高，第二部分熄滅6ms，點(diǎn)亮4ms，亮度次之，第三部分熄滅8ms，點(diǎn)亮2ms，亮度最低。那么用程序驗(yàn)證一下理論，用定時(shí)器T0定時(shí)改變P0.0的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM，與純定時(shí)不同的是，這里每周期內(nèi)都要重載兩次定時(shí)器初值，即用兩個(gè)不同的初值來(lái)控制高低電平的不同持續(xù)時(shí)間。為了使亮度的變化更加明顯，程序中使用的占空比差距更大。
#include <reg52.h>
sbit PWMOUT = P0^0;
sbit ADDR0 = P1^0;
sbit ADDR1 = P1^1;
sbit ADDR2 = P1^2;
sbit ADDR3 = P1^3;
sbit ENLED = P1^4;
unsigned char HighRH = 0;  //高電平重載值的高字節(jié)
unsigned char HighRL = 0;  //高電平重載值的低字節(jié)
unsigned char LowRH  = 0;  //低電平重載值的高字節(jié)
unsigned char LowRL  = 0;  //低電平重載值的低字節(jié)
void ConfigPWM(unsigned int fr, unsigned char dc);
void ClosePWM();
void main()
{
    unsigned int i;
   
    EA = 1;      //開(kāi)總中斷
    ENLED = 0;  //使能獨(dú)立LED
    ADDR3 = 1;
    ADDR2 = 1;
    ADDR1 = 1;
    ADDR0 = 0;
   
    while (1)
    {
        ConfigPWM(100, 10);    //頻率100Hz，占空比10%
        for (i=0; i<40000; i++);
        ClosePWM();
        ConfigPWM(100, 40);    //頻率100Hz，占空比40%
        for (i=0; i<40000; i++);
        ClosePWM();
        ConfigPWM(100, 90);    //頻率100Hz，占空比90%
        for (i=0; i<40000; i++);
        ClosePWM();             //關(guān)閉PWM，相當(dāng)于占空比100%
        for (i=0; i<40000; i++);
    }
}
/* 配置并啟動(dòng)PWM，fr-頻率，dc-占空比 */
void ConfigPWM(unsigned int fr, unsigned char dc)
{
    unsigned int  high, low;
    unsigned long tmp;
   
    tmp  = (11059200/12) / fr;   //計(jì)算一個(gè)周期所需的計(jì)數(shù)值
    high = (tmp*dc) / 100;       //計(jì)算高電平所需的計(jì)數(shù)值
    low  = tmp - high;            //計(jì)算低電平所需的計(jì)數(shù)值
    high = 65536 - high + 12;   //計(jì)算高電平的重載值并補(bǔ)償中斷延時(shí)
    low  = 65536 - low  + 12;   //計(jì)算低電平的重載值并補(bǔ)償中斷延時(shí)
    HighRH = (unsigned char)(high>>8); //高電平重載值拆分為高低字節(jié)
    HighRL = (unsigned char)high;
    LowRH  = (unsigned char)(low>>8);  //低電平重載值拆分為高低字節(jié)
    LowRL  = (unsigned char)low;
    TMOD &= 0xF0;   //清零T0的控制位
    TMOD |= 0x01;   //配置T0為模式1
    TH0 = HighRH;   //加載T0重載值
    TL0 = HighRL;
    ET0 = 1;         //使能T0中斷
    TR0 = 1;         //啟動(dòng)T0
    PWMOUT = 1;     //輸出高電平
}
/* 關(guān)閉PWM */
void ClosePWM()
{
    TR0 = 0;      //停止定時(shí)器
    ET0 = 0;      //禁止中斷
    PWMOUT = 1;  //輸出高電平
}
/* T0中斷服務(wù)函數(shù)，產(chǎn)生PWM輸出 */
void InterruptTimer0() interrupt 1
{
    if (PWMOUT == 1)  //當(dāng)前輸出為高電平時(shí)，裝載低電平值并輸出低電平
    {
        TH0 = LowRH;
        TL0 = LowRL;
        PWMOUT = 0;
    }
    else              //當(dāng)前輸出為低電平時(shí)，裝載高電平值并輸出高電平
    {
        TH0 = HighRH;
        TL0 = HighRL;
        PWMOUT = 1;
    }
}
需要提醒的是，由于標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)中沒(méi)有專門(mén)的PWM模塊，所以用定時(shí)器加中斷的方式來(lái)產(chǎn)生PWM，而現(xiàn)在有很多的單片機(jī)都會(huì)集成硬件的PWM模塊，這種情況下需要做的僅僅是計(jì)算一下周期計(jì)數(shù)值和占空比計(jì)數(shù)值然后配置到相關(guān)的SFR中即可，既使程序得到了簡(jiǎn)化又確保了PWM的輸出品質(zhì)（因?yàn)橄酥袛嘌訒r(shí)的影響）。
如果想讓亮度等級(jí)更多，并且讓亮度等級(jí)連續(xù)起來(lái)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小燈漸變的效果，與呼吸有點(diǎn)類似，習(xí)慣上稱之為呼吸燈，程序代碼如下，這個(gè)程序用了2個(gè)定時(shí)器2個(gè)中斷。
#include <reg52.h>
sbit PWMOUT = P0^0;
sbit ADDR0 = P1^0;
sbit ADDR1 = P1^1;
sbit ADDR2 = P1^2;
sbit ADDR3 = P1^3;
sbit ENLED = P1^4;
unsigned long PeriodCnt = 0;  //PWM周期計(jì)數(shù)值
unsigned char HighRH = 0;     //高電平重載值的高字節(jié)
unsigned char HighRL = 0;     //高電平重載值的低字節(jié)
unsigned char LowRH  = 0;     //低電平重載值的高字節(jié)
unsigned char LowRL  = 0;     //低電平重載值的低字節(jié)
unsigned char T1RH = 0;       //T1重載值的高字節(jié)
unsigned char T1RL = 0;       //T1重載值的低字節(jié)
void ConfigTimer1(unsigned int ms);
void ConfigPWM(unsigned int fr, unsigned char dc);
void main()
{
    EA = 1;      //開(kāi)總中斷
    ENLED = 0;  //使能獨(dú)立LED
    ADDR3 = 1;
    ADDR2 = 1;
    ADDR1 = 1;
    ADDR0 = 0;
   
    ConfigPWM(100, 10);  //配置并啟動(dòng)PWM
    ConfigTimer1(50);    //用T1定時(shí)調(diào)整占空比
    while (1);
}
/* 配置并啟動(dòng)T1，ms-定時(shí)時(shí)間 */
void ConfigTimer1(unsigned int ms)
{
    unsigned long tmp;  //臨時(shí)變量
   
    tmp = 11059200 / 12;       //定時(shí)器計(jì)數(shù)頻率
    tmp = (tmp * ms) / 1000;  //計(jì)算所需的計(jì)數(shù)值
    tmp = 65536 - tmp;         //計(jì)算定時(shí)器重載值
    tmp = tmp + 12;            //補(bǔ)償中斷響應(yīng)延時(shí)造成的誤差
    T1RH = (unsigned char)(tmp>>8);  //定時(shí)器重載值拆分為高低字節(jié)
    T1RL = (unsigned char)tmp;
    TMOD &= 0x0F;   //清零T1的控制位
    TMOD |= 0x10;   //配置T1為模式1
    TH1 = T1RH;     //加載T1重載值
    TL1 = T1RL;
    ET1 = 1;        //使能T1中斷
    TR1 = 1;        //啟動(dòng)T1
}
/* 配置并啟動(dòng)PWM，fr-頻率，dc-占空比 */
void ConfigPWM(unsigned int fr, unsigned char dc)
{
    unsigned int high, low;
   
    PeriodCnt = (11059200/12) / fr; //計(jì)算一個(gè)周期所需的計(jì)數(shù)值
    high = (PeriodCnt*dc) / 100;    //計(jì)算高電平所需的計(jì)數(shù)值
    low  = PeriodCnt - high;         //計(jì)算低電平所需的計(jì)數(shù)值
    high = 65536 - high + 12;       //計(jì)算高電平的定時(shí)器重載值并補(bǔ)償中斷延時(shí)
    low  = 65536 - low  + 12;        //計(jì)算低電平的定時(shí)器重載值并補(bǔ)償中斷延時(shí)
    HighRH = (unsigned char)(high>>8); //高電平重載值拆分為高低字節(jié)
    HighRL = (unsigned char)high;
    LowRH  = (unsigned char)(low>>8);  //低電平重載值拆分為高低字節(jié)
    LowRL  = (unsigned char)low;
    TMOD &= 0xF0;   //清零T0的控制位
    TMOD |= 0x01;   //配置T0為模式1
    TH0 = HighRH;   //加載T0重載值
    TL0 = HighRL;
    ET0 = 1;         //使能T0中斷
    TR0 = 1;         //啟動(dòng)T0
    PWMOUT = 1;     //輸出高電平
}
/* 占空比調(diào)整函數(shù)，頻率不變只調(diào)整占空比 */
void AdjustDutyCycle(unsigned char dc)
{
    unsigned int  high, low;
   
    high = (PeriodCnt*dc) / 100;    //計(jì)算高電平所需的計(jì)數(shù)值
    low  = PeriodCnt - high;         //計(jì)算低電平所需的計(jì)數(shù)值
    high = 65536 - high + 12;       //計(jì)算高電平的定時(shí)器重載值并補(bǔ)償中斷延時(shí)
    low  = 65536 - low  + 12;        //計(jì)算低電平的定時(shí)器重載值并補(bǔ)償中斷延時(shí)
    HighRH = (unsigned char)(high>>8); //高電平重載值拆分為高低字節(jié)
    HighRL = (unsigned char)high;
    LowRH  = (unsigned char)(low>>8);  //低電平重載值拆分為高低字節(jié)
    LowRL  = (unsigned char)low;
}
/* T0中斷服務(wù)函數(shù)，產(chǎn)生PWM輸出 */
void InterruptTimer0() interrupt 1
{
    if (PWMOUT == 1)  //當(dāng)前輸出為高電平時(shí)，裝載低電平值并輸出低電平
    {
        TH0 = LowRH;
        TL0 = LowRL;
        PWMOUT = 0;
    }
    else              //當(dāng)前輸出為低電平時(shí)，裝載高電平值并輸出高電平
    {
        TH0 = HighRH;
        TL0 = HighRL;
        PWMOUT = 1;
    }
}
/* T1中斷服務(wù)函數(shù)，定時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整占空比 */
void InterruptTimer1() interrupt 3
{
    static bit dir = 0;
    static unsigned char index = 0;
    unsigned char code table[13] = {  //占空比調(diào)整表
        5, 18, 30, 41, 51, 60, 68, 75, 81, 86, 90, 93, 95
    };
    TH1 = T1RH;  //重新加載T1重載值
    TL1 = T1RL;
    AdjustDutyCycle(table[index]); //調(diào)整PWM的占空比
    if (dir == 0)  //逐步增大占空比
    {
        index++;
        if (index >= 12)
        {
            dir = 1;
        }
    }
    else          //逐步減小占空比
    {
        index--;
        if (index == 0)
        {
            dir = 0;
        }
    }
}

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