PWM 呼吸灯实验

之前我们使用的 LED 做过流水灯的实验，这节课，我们学习制作呼吸灯，通过 LED 灯的亮度变化来验证 PWM 不同电压的输出。呼吸灯是指灯光在单片机的控制之下完成由亮到暗的逐渐变化，感觉好像是人在呼吸。

实验原理

脉冲宽度调制（PWM），是英文 Pulse Width Modulation 的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

PWM 通过调节输出不同频率（频率是指 1 秒钟内信号从高电平到低电平再回到高电平的次数（一个周期））、占空比（一个周期内高电平出现时间占总时间比例）的方波。以实现固定频率或平均电压输出。频率固定，改变占空比可改变输出电压，如下所示：

硬件电路设计

物料清单（BOM 表）：

材料名称	数量
直插式 LED	1
1kΩ 电阻	1
杜邦线(跳线)	若干
面包板	1

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：

注意

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.

，代码如下：

// 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：

1. 使用 ledcSetup() 函数建立 LEDC 通道；
2. 通过 ledcAttachPin() 将 GPIO 口与 LEDC 通道关联；
3. 通过 ledcWrite()、ledcWriteTone()、ledcWriteNote()设置频率、设置蜂鸣器音调等等
4. 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);
  }
}