esp32笔记之PWM实现LED呼吸灯

嵌入式

PWM简介

先从应用上讲讲PWM：

有一盏日光灯，一般我们只能打开它或者关闭它，不存在中间状态；

有另一个LED灯，支持在一秒以内极快速的速度开关开关，其变化超过人眼识别的24帧率，LED灯看上去就像一直开着，但亮度比常开暗一些；如果控制灯快速开关过程中的打开时间和关闭时间的比例，就可以调节人眼看到的灯亮度。

以上就是PWM的大概应用原理：用高频率的开关信号，控制输出信号的平均强度，使输出信号能在0%到100%强度间任意调节。

用电路语句讲PWM原理：用数字信号的占空比来调制模拟信号的幅度(电压)。

PWM详细介绍参考：What is PWM: Pulse Width Modulation

脉冲宽度(pulse width)是指单位时间的高电平的持续时间，脉冲宽度越大被调制的模拟信号电压越大。

  • 在一定的频率下，通过不同的(高电平)占空比即可得到不同脉冲宽度，进而调节输出的模拟电压信号
  • 在一定的占空比下，通过不同的频率实现不同的调节速度；频率要适配不同设备，不能任意设置，例如电机频率50HZ，MCU外设1000Hz。频率不决定被调制电压的幅度。

PWM的调制信号如下：

img

PWM调制电路通常用RC filter实现：

Converting-PWM-signals-into-Analog

PWM一般对具体设备使用固定频率，再调整高电平的占空比决定模拟信号的幅度。

如下图，占空比从0%调节到100%，对应输出电压为0V~5V

Pulse-Width-Modulation

从原理上讲就是开关控制，在一个周期内调制信号的高电平时间越长，RC电荷积分更多，输出电压越大：

image-20230505165748199

MicroPython控制PWM

官方tutorial参考：

Quick reference for the ESP32 PWM (pulse width modulation)

Pulse Width Modulation 其中有调整频率和占空比的sample code:

  • Example of a smooth frequency change:

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    from utime import sleep
    from machine import Pin, PWM

    F_MIN = 500
    F_MAX = 1000

    f = F_MIN
    delta_f = 1

    p = PWM(Pin(5), f)
    print(p)

    while True:
        p.freq(f)

        sleep(10 / F_MIN)

        f += delta_f
        if f >= F_MAX or f <= F_MIN:
            delta_f = -delta_f

  • Example of a smooth duty change:

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    from utime import sleep
    from machine import Pin, PWM

    DUTY_MAX = 2**16 - 1

    duty_u16 = 0
    delta_d = 16

    p = PWM(Pin(5), 1000, duty_u16=duty_u16)
    print(p)

    while True:
        p.duty_u16(duty_u16)

        sleep(1 / 1000)

        duty_u16 += delta_d
        if duty_u16 >= DUTY_MAX:
            duty_u16 = DUTY_MAX
            delta_d = -delta_d
        elif duty_u16 <= 0:
            duty_u16 = 0
            delta_d = -delta_d

呼吸灯示例

参考：itproject.cn/Python+ESP32快速上手/3.PWM呼吸灯

esp32的micropython代码以script形式执行，主程序必须命名为main.py(参考 Running your first script):

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from machine import Pin, PWM
import time

led2 = PWM(Pin(2))
led2.freq(1000)

while True:
    for i in range(0, 1024):
        led2.duty(i)
        time.sleep_ms(1)
        
    for i in range(1023, -1, -1):
        led2.duty(i)
        time.sleep_ms(1)

LED渐变呼吸闪烁：

mmexport1683287925729

如果将led duty调整为512，最大亮度会变小，验证了最大占空比决定最大电压

如果将led freq调整为50，最大亮度不变，但led渐变过程中会闪烁，也就是说开关调节频率太低，导致人眼都可以观察到led的开关电，看上去就是led闪烁