STM8S003F3通过PWM波实现三基色呼吸灯.docx

1、STM8S003F3通过PWM波实现三基色呼吸灯前段时间使用 STM8S003F3 实现了一个三基色灯的各种效果，故写一篇文章作 为一个记录。1 综述我们知道，要是的 LED 灯亮直接通电即可。而要改变灯的亮度，我们有两种方 法：改变电流和 PWM 调光。我们首先想到的就是改变它的驱动电流，因为 LED 的亮度是几乎和它的电流直 接成正比关系。 然而用调正向电流的方法来调节亮度会产生一个问题： 在调亮度 的同时也会改变它的光谱和色温，这样就会会产生色偏。因为目前白光 LED 都 是用蓝光 LED 加黄色荧光粉而产生， 当正向电流减小时， 蓝光 LED 亮度增加而 黄色荧光粉的厚度并没有按比例减

2、薄， 从而使其光谱的主波长增长。 这个问题对 于一般的照明是没有问题的， 因为色温的变化量毕竟不是很大。 但是对电源来说 当电流过小时会产生闪烁， 除非电源的恒流范围很宽， 完全可以从 0 到最大。这 样才没有问题。简而言之，电流调光有色温变化和电源电流过小产生闪烁的问题。 曾经做过一个项目， 用于某设备上需要非常非常平稳的调光， 显然电流调光是无 法实现。同时像本文介绍的三基色调光有颜色要求的显然也不行。 因此我们使用 PWM 调光。既然 PWM 调光可以避免上面的两个问题， 为什么不直接都用 PWM 调光呢因为 我们毕竟是做产品，要考虑成本问题。 使用 PWM 调光至少需要一颗能支持 PW

3、M 的芯片（当然还有外围电路， 但是电流调光也是有电路的。 我们也应该知道 PWM 信号也可以由脉冲发生器提供） ，另外它需要编写程序。 所以只有在需要的场合 才使用 PWM 调光（使用 PWM 调光需要注意的问题是频率不能太低或者太高， 推荐 150-400Hz 之间。）。 PWM 的优点如下： PWM调光就不会产生色偏，因为它总是工作在 0或者最大两种状态。 PWM的占空比很好控制，而且精度高对电源没有影响，因为不会改变电源的工作条件，只是给电源开或者关。2PWM 波调光的原理脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的的技术， 广 泛应用在从测量、通信到功率控制与变换

4、及 LED 照明等许多领域中。通过以数 字方式控制模拟电路， 可以大幅度降低系统的成本和功耗。 此外，许多微控制器 和 DSP 已经在芯片上包含了 PWM 控制器，这使数字控制的实现变得更加容易 了。简言之， PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率 计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。 PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全 有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉 冲序列被加到模拟负载上去的。 通的时候即是直流供电被加到负载上的时候， 断 的时候即是供电被断

5、开的时候。 只要带宽足够， 任何模拟值都可以使用 PWM 进 行编码。占空比( DutyCycleorDutyRatio ) 首先我们需要了解占空比，占空比的解释可以归纳为如下几种： 在一串理想的脉冲序列中 (如方波) ，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。 例如：脉冲宽度1卩信号周期4ys的脉冲序列占空比为。在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与总时间的比值。 在周期型的现象中，现象发生的时间与总时间的比。 通俗一点讲就是电路释放能量的有效时间与总释放时间的比。调光比然后我们需要了解调光比，调光比则是按下面的方法计算( Foper：工作频率；Fpwm:调光频率；)：调光比率=Foper/Fpw

6、m,（其实也就是调光的最低有效占空比）比如Foper=100KHZ; Fpwm=200Hz,则调光比为：100K/200=500;这个指标在很 多驱动芯片的规格书里会说明的。调光 调光原理 若一个占空比为 10%的 PWM 输出,即 10%的时间通, 90%的时间断; 若一个占空比为 50%的 PWM 输出,即 50%的时间通, 50%的时间断; 若一个占空比为 90%的 PWM 输出,即 90%的时间通, 10%的时间断;我们知道，人眼是有视觉暂留的，打个比方，人眼只能识别 1us（这个比方没有任何科学依据，仅仅为了便于理解）内光子的数量从而判断亮暗，如果 1us接收了 1000个光子，那么

7、我们就会认为是一个亮度，至于这1000个光子是在1us什 么时候收到， 是没有任何影响的， 也就是说， 在的时候收到和的时候收到是没有 区别的，我们需要关心的只是数量。 这就是为什么我们进行 PWM 调光的时候不 能太慢（视觉暂留可以分辨） 也不能太快（太快就没有区别了， 就一直是最亮的） 。 这样就好理解了，占空比是 10%，就相当于给它加了一个的电压（因为 10%通 电时间里电流产生的效果和加在周内的时候是一样的） 。所以我们就可以通过占 空比来条件亮度。如果在50ms中，LED在这段时间中得到9V供电。如果在下一个50ms中将开 关断开，灯泡得到的供电将为0V。如果在1秒钟内将此过程重复

8、10次，灯泡将 会点亮并象连接到了一个电池（9V的50%）上一样。这种情况下，占空比为50%， 调制频率为10Hz（ T=1/f=1/10=）。大多数负载（无论是电感性负载还是电容性负 载）需要的调制频率高于10Hz。设想一下如果灯泡先接通5秒再断开5秒，然后 再接通、再断开。占空比仍然是50%，但灯泡在头5秒钟内将点亮，在下一 个 5 秒钟内将熄灭。 要让灯泡取得电压的供电效果， 通断循环周期与负载对开关状态变化的响应时间相比必须足够短。要想取得调光灯 （但保持点亮 ）的效果，必须提高调制频率。在其他 PWM 应用场合也有同样的要求。 通常调制频率为 1kHz 到 200kHz 之间。通过上

9、面的介绍， 我们就知道了 PWM 调光的原理， 那么我们来看看我们这个项 目的原理。三基色呼吸灯原理需求说明：我们需要设置一个灯，它具有常亮、长暗、快闪、慢闪、呼吸 5 钟效 果，并且要求这几种状态是可以变化的。灯的颜色可以变化。需求分析：灯的颜色可以变化 确定使用三基色灯。 状态可以切换， 我们使用 串口调节灯的状态和灯的颜色 （通过串口给单片机发送数据， 然后将参数传给灯 控制函数）。我们使用 PWM 调节灯的亮度，通过改变捕获 /比较寄存器的值来 改变占空比从而改变亮度。数学建模：三个灯和一个灯的控制是一样的， 由于我们使用的是 PWM 波调光所 以灯只有两种状态： 断和通。我们分析 5

10、 种状态可以抽象成数学模型： 暗、上升、 亮、下降 4 钟状态（长暗就是一直暗，常亮就是一直亮，快闪就是 100%占空比而且频率比较快，慢闪就是 100%占空比而且频率比较慢、呼吸就是占空比最低 为 10%然后以 10%逐渐上升） 。然后我们确定需要输入的变量： Value_LED_Red（红色灯的亮度）、Value_LED_Green （绿色灯的亮度）、Value_LED_Blue （蓝 灯的亮度）、Value_ChangeOnce（上升或下降的速度）、 HoldTime_Min （在低 电平状态的持续时间）、HoldTime_Max （在高电平状态的持续时间）。3 实现过程下面是TSSOP

11、20封装的管脚图。首先，我们要确定硬件管脚，但是事实上，因为我用的最多的就是 TIM2 和 TIM4， 因此我选用的 TIM2_1（PC5，Red）、 TIM2_2（ PD3，Green）、 TIM2_3（ PD2， Blue）,但是发现除了绿色以外都无法用 PWM波控制，但是能用10控制亮暗, 后来查资料发现TIM2_1和TIM2_3早使用的时候必须给存储器地址分布重映 射，也就是我们需要使用管脚的复用功能！我们通过看数据手册发现，使用 TIM2只有一个管脚是复用功能，因此选择 TIM2。但是我因为电路限制，所以 还是用的上面所说的管脚（注意，TIM2_3有复用和不复用两种，我用的是复用）

12、这也没有什么影响，我们可以学习一下管脚的复用功能。使用复用功能我们首先看数据手册中关于管脚的描述（第一行是 TSSOP20封装的管脚编号，第二行是UFQFPN20封装的管脚b）从上面的图中我们可以看到，需要使用 15、19管脚复用功能就需要设置 AFR0和 AFR1 使用复用功能就是设置 AFR （ Alternatefunctionremappingbits，候补功能映射位）一一我们继续看芯片资料其中OPT2【选项字节（Optionbyte）编程】和NOPT2需要是相反的（可能是出于校验考虑），我们从数据手册中可以知道：应用程序可直接向目标地址进行写操作。所以我们直接对这两个地址进行写操作，

13、那么数值是多少呢我们继续看数据手册，如下图所示从上图中我们可以看到，我们将 AFR1设置为1,将AFR0设置成1。代码如下：cpp1.2. *Fu nctio n:FLASHnit3. *Calls:void4. *CalledBy:5. *ln put:void6. *OUTPUT:void7. *Return:void8. *DESCRIPTION:1.设置管脚复用功能（AFR0要设置为1AFR1要设置为1）9. 每一次只能操作一个字节10. *Others:nothingA A */13. volatile unsigned char flash_NOPT20x4804;14. #def

14、ineFLASH_EOP0X04改参数，启用复用功能15. 和NOPT2要相反A Q */依据计数器的计数方向）以确定是否符合 TIM1_CCR蒋TIM1_CNT或者TIM1_CNTC TIM1_CCRi （我们在TIM1_CR1中设置为向上计数、边沿对齐模式）。b. 根据TIM1_CR1寄存器中CMS位域的状态，定时器能够产生边沿对齐的 PWM 信号或中央对齐的PWM信号。我们查看数据手册发现（可以参见 向上计数模式）：我们为了调光的均匀，将使得 TIM2_ARR=255，根据上图，我们可以知道，最 亮为255,最暗为就是PWM波的频率（因为TIM1和TIMX的PWM功能是相 同资料互用的，

15、因此上图为TIM1的资料）。初始化PWM波的亮度根据上面的内容我们知道占空比（也就是亮度）是 TIM2_CCR决定的，我们初始化为零：TIM2-CCR1H=0;TIM2-CCR1L=0;计数器使能、捕获比较寄存器使能关于这两个使能我们可以自己查询 数据手册，需要提一点的是TIMx_CCER1 控制比较/捕获寄存器1和比较/捕获寄存器2。TIMx_CCER2控制比较/捕获寄存 器3。产生PWM波的初始化程序具体代码如下：cpp1 /*2. *Fu nctio n:TIM2_I nitPwmCtrl3. *Calls:void4. *CalledBy:5. *ln put:void6. *OUTPUT:void7. *Return:void8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.35.36