基于STM32的PWM实现LED调光效果详解

极客小张2024-07-01 16:54

STM32单片机PWM引脚的使用详解

引言

STM32单片机是现代嵌入式系统中广泛使用的微控制器系列之一。它以其高性能、低功耗和丰富的外设资源而著称。在众多外设中，PWM（脉宽调制）功能尤为重要，广泛应用于电机控制、LED调光、音频信号生成等领域。本文将通过一个实际项目，详细介绍STM32单片机PWM引脚的使用方法，并展示如何在CSDN上发布一篇高质量的文章。

项目概述

本项目将使用STM32单片机的PWM功能控制一个LED的亮度。具体来说，我们将通过调整PWM信号的占空比来改变LED的亮度，从而实现LED的渐亮渐暗效果。

硬件准备
  1. STM32开发板（如STM32F103C8T6）
  2. LED
  3. 电阻（220Ω）
  4. 面包板和跳线
软件准备
  1. STM32CubeMX（用于生成初始化代码）
  2. Keil MDK（用于编写和调试代码）
  3. STM32CubeIDE（可选，用于集成开发）
硬件连接

将LED和电阻连接到STM32开发板的PWM引脚。具体连接如下：

  • LED正极连接到PWM引脚（如PA0）
  • LED负极通过电阻连接到GND
STM32CubeMX配置
  1. 打开STM32CubeMX，创建一个新的项目，选择STM32F103C8T6芯片。
  2. 在Pinout & Configuration窗口中，找到PA0引脚，将其设置为TIM2_CH1（PWM输出）。
  3. 进入Configuration窗口，配置TIM2的参数：
    • Prescaler：设置为72-1（假设系统时钟为72MHz）
    • Counter Period：设置为1000-1（对应1kHz的PWM信号）
    • Clock Division：设置为TIM_CLOCKDIVISION_DIV1
    • Counter Mode：设置为Up
  4. 在TIM2的Channel1配置中，设置PWM模式为PWM Generation CH1，Polarity为High。
  5. 生成代码，并在Keil MDK中打开项目。
编写代码

在生成的代码基础上，我们需要编写控制PWM信号占空比的代码。具体实现如下：

cpp 复制代码 
#include "main.h"
#include "tim.h"

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_TIM2_Init(void);

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM2_Init();

  HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);

  while (1)
  {
    for (int i = 0; i < 1000; i++)
    {
      __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, i);
      HAL_Delay(1);
    }
    for (int i = 1000; i > 0; i--)
    {
      __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, i);
      HAL_Delay(1);
    }
  }
}

void SystemClock_Config(void)
{
  // 时钟配置代码
}

static void MX_GPIO_Init(void)
{
  // GPIO初始化代码
}

static void MX_TIM2_Init(void)
{
  // TIM2初始化代码
}
代码解析
  1. 初始化部分：在main函数中，我们首先调用HAL_Init()、SystemClock_Config()、MX_GPIO_Init()和MX_TIM2_Init()函数进行初始化。
  2. 启动PWM：通过调用HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1)函数启动TIM2的PWM功能。
  3. 控制PWM占空比：在while循环中，我们通过__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, i)函数动态调整PWM信号的占空比，从而实现LED的渐亮渐暗效果。
调试与运行

将代码下载到STM32开发板中，观察LED的亮度变化。如果连接和代码都正确，LED将会呈现出渐亮渐暗的效果。

PWM基础知识

在详细介绍项目之前，我们先来了解一下PWM的基础知识。PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是一种通过改变脉冲的宽度来控制模拟信号的方法。PWM信号由一系列周期性脉冲组成，每个脉冲的宽度决定了信号的占空比。占空比是指脉冲宽度与脉冲周期的比值，用百分比表示。

PWM信号的主要参数包括：

  1. 频率：PWM信号的周期性变化速率，单位为Hz。
  2. 占空比：脉冲宽度与周期的比值，决定了输出信号的平均电压。
STM32的PWM功能

STM32单片机中，PWM功能通常由定时器（Timer）模块实现。STM32的定时器模块非常灵活，可以配置为多种模式，包括基本定时器、通用定时器和高级定时器。PWM输出是定时器模块的一种工作模式，通过设置定时器的计数值和比较值，可以生成不同占空比的PWM信号。

STM32CubeMX的使用

STM32CubeMX是ST公司提供的一款图形化配置工具，可以帮助用户快速配置STM32的外设，并生成初始化代码。使用STM32CubeMX可以大大简化开发过程，提高开发效率。

在本项目中，我们使用STM32CubeMX配置TIM2定时器为PWM输出模式，并生成初始化代码。具体步骤如下：

  1. 选择芯片：打开STM32CubeMX，创建一个新项目，选择STM32F103C8T6芯片。
  2. 配置引脚：在Pinout & Configuration窗口中，找到PA0引脚，将其设置为TIM2_CH1（PWM输出）。
  3. 配置定时器：在Configuration窗口中，配置TIM2的参数，包括预分频器、计数周期和PWM模式等。
  4. 生成代码：点击生成代码按钮，在Keil MDK中打开生成的项目文件。
Keil MDK的使用

Keil MDK是ARM公司提供的一款集成开发环境，支持多种ARM架构的微控制器，包括STM32。在本项目中，我们使用Keil MDK编写和调试STM32的PWM控制代码。

在Keil MDK中打开STM32CubeMX生成的项目文件后，我们需要在main.c文件中编写控制PWM信号占空比的代码。具体实现如下：

cpp 复制代码 
#include "main.h"
#include "tim.h"

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_TIM2_Init(void);

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM2_Init();

  HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);

  while (1)
  {
    for (int i = 0; i < 1000; i++)
    {
      __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, i);
      HAL_Delay(1);
    }
    for (int i = 1000; i > 0; i--)
    {
      __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, i);
      HAL_Delay(1);
    }
  }
}

void SystemClock_Config(void)
{
  // 时钟配置代码
}

static void MX_GPIO_Init(void)
{
  // GPIO初始化代码
}

static void MX_TIM2_Init(void)
{
  // TIM2初始化代码
}

在上述代码中，我们首先进行初始化操作，包括系统时钟配置、GPIO初始化和TIM2初始化。然后，通过调用HAL_TIM_PWM_Start函数启动TIM2的PWM功能。在while循环中，我们通过__HAL_TIM_SET_COMPARE函数动态调整PWM信号的占空比，从而实现LED的渐亮渐暗效果。

PWM信号的应用

PWM信号在嵌入式系统中有着广泛的应用，以下是几个常见的应用场景：

  1. 电机控制：通过PWM信号控制电机的转速和方向，可以实现精确的速度调节和位置控制。
  2. LED调光：通过PWM信号控制LED的亮度，可以实现平滑的亮度调节效果。
  3. 音频信号生成：通过PWM信号生成音频信号，可以用于蜂鸣器、扬声器等音频设备。
  4. 电源管理：通过PWM信号控制开关电源的占空比，可以实现高效的电源管理和能量转换。
PWM信号的优点

PWM信号具有以下优点：

  1. 高效性：PWM信号通过快速开关切换实现模拟信号的控制，效率高，功耗低。
  2. 精确性：通过调整占空比，可以实现对输出信号精确的控制。
  3. 简便性：PWM信号的生成和控制相对简单，易于实现。
  4. 抗干扰性：PWM信号的频率和占空比可以灵活调整，具有较强的抗干扰能力。
项目实战：LED调光

为了更好地理解STM32单片机PWM引脚的使用，我们将通过一个具体项目来展示如何实现LED调光效果。

硬件连接

在实际操作中，我们需要将LED和电阻连接到STM32开发板的PWM引脚。具体连接如下：

  • LED正极连接到PA0引脚（PWM输出）
  • LED负极通过220Ω电阻连接到GND
STM32CubeMX配置
  1. 打开STM32CubeMX，创建一个新的项目，选择STM32F103C8T6芯片。
  2. 在Pinout & Configuration窗口中，找到PA0引脚，将其设置为TIM2_CH1（PWM输出）。
  3. 进入Configuration窗口，配置TIM2的参数：
    • Prescaler：设置为72-1（假设系统时钟为72MHz）
    • Counter Period：设置为1000-1（对应1kHz的PWM信号）
    • Clock Division：设置为TIM_CLOCKDIVISION_DIV1
    • Counter Mode：设置为Up
  4. 在TIM2的Channel1配置中，设置PWM模式为PWM Generation CH1，Polarity为High。
  5. 生成代码，并在Keil MDK中打开项目。
编写代码

在生成的代码基础上，我们需要编写控制PWM信号占空比的代码。具体实现如下：

cpp 复制代码 
#include "main.h"
#include "tim.h"
#include "gpio.h"

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_TIM2_Init(void);

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM2_Init();

  HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);

  while (1)
  {
    for (int i = 0; i < 1000; i++)
    {
      __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, i);
      HAL_Delay(1);
    }
    for (int i = 1000; i > 0; i--)
    {
      __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, i);
      HAL_Delay(1);
    }
  }
}

void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** 初始化RCC振荡器
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** 初始化CPU、AHB和APB总线时钟
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

static void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin : PA0 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

static void MX_TIM2_Init(void)
{
  TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
  TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

  htim2.Instance = TIM2;
  htim2.Init.Prescaler = 72 - 1;
  htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim2.Init.Period = 1000 - 1;
  htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
  if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
  if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
  sConfigOC.Pulse = 0;
  sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
  sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
  if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  HAL_TIM_MspPostInit(&htim2);
}

void Error_Handler(void)
{
  while(1)
  {
    // 错误处理代码
  }
}

代码解释

SystemClock_Config

这个函数配置系统时钟。我们使用外部高速振荡器（HSE）作为时钟源，并将其倍频到72MHz。具体步骤如下：

  1. 配置RCC振荡器：选择HSE作为PLL的输入源，并将PLL倍频设置为9。
  2. 配置时钟源：选择PLL输出作为系统时钟，并配置AHB、APB1和APB2总线的分频器。
MX_GPIO_Init

这个函数初始化GPIO引脚。我们将PA0配置为推挽复用功能输出（GPIO_MODE_AF_PP），并将速度设置为低速（GPIO_SPEED_FREQ_LOW）。

MX_TIM2_Init

这个函数初始化TIM2定时器，并配置其为PWM输出模式。具体步骤如下：

  1. 配置TIM2基本参数：设置预分频器为72-1，计数模式为向上计数，周期为1000-1，时钟分频为1。
  2. 配置时钟源：选择内部时钟源。
  3. 配置PWM模式：选择PWM1模式，初始脉冲宽度为0，占空比为0%。
Error_Handler

这个函数用于处理错误情况。在实际应用中，可以根据需要添加具体的错误处理代码。

参考资料

  1. STM32官方文档
  2. STM32CubeMX用户手册
  3. Keil MDK用户手册
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