PWM與呼吸燈

概要

• 脈寬調制技術的原理與屬性（占空比，頻率）

• MicroPython-ESP32 PWM部分的API文檔

• 通過PWM脈寬調節技術控制LED的亮度的演示實例。

keywords : 占空比 PWM LED 呼吸燈

提出問題

之前我們一直在使用數字信號來控制LED燈的亮滅，那我們該如何使用數字信號控制小燈的亮度呢？

這就不得不提及我們的PWM脈寬調制技術了。

PWM脈寬調制技術

PWM的全稱為Pulse Width Modulation，翻譯成中文是脈沖寬度調節，是把模擬信號調制成脈波的技術。

如果控制LED，亮1s，然后滅1s， 往復循環， 那我們可以看到LED在閃爍。如果我們把這個周期縮小到200ms，亮100ms，然后滅100ms，往復循環， 可以看到LED燈在高頻閃爍。這個周期持續縮小，持續縮小，總有一個臨界值，我們的人眼分辨不出來LED在頻閃，而此時LED的亮度處在滅與亮之間亮度的中間值， 達到了1/2亮度。

我們可以調節一個周期內，LED亮與滅的比例， 通過調節比例，就可以達到控制LED亮度的目的。在一個周期內，高電平時間占總體周期的比例，稱之為占空比 （duty）。

例如PWM的控制周期為100ms，其中20ms為高電平，80ms為低電平，則占空比就是 20/100 = 20%。

注意有時候占空比有時候在嵌入式并不是百分比，而是參考其分辨率。有的單片機例如Arduino，它的占空比取值為0-255。

ESP32的duty取值范圍為

0 <= duty <= 1023

分辨率越高，也就意味著你可以調節的亮度的檔位也就越高，引腳輸出的平均電壓處于0-3.3v之間 劃分成1024份，你可以取其任意一個。

PWM的第二個屬性就是頻率， 頻率為控制周期T的倒數。在上面這個例子里面，100ms就是控制周期，那頻率就是

1s / 0.1s = 10HZ

頻率的取值范圍由硬件決定，ESP32的PWM頻率范圍為0 < freq <= 78125

PWM-常用API

PWM可在所有輸出引腳上啟用。但其存在局限：須全部為同一頻率，且僅有8個通道。頻率須位于1Hz和78125Hz之間.

在引腳上使用PWM，您須首先創建一個引腳對象，例如:

這里用的是GPIO2 安信可的NodeMCU-32S開發板的板載LED

>>> from machine import Pin,PWM
>>> led_pin = Pin(2, Pin.OUT)

使用以下指令創建PWM對象:

# 把Pin對象傳入PWM的構造器中
>>> led_pwm = PWM(led_pin)
# 初始化PWM 頻率=500, 占空比=512
>>> led_pwm.init(500, 512)

或者初始化的時候，一步到位

>>> led_pwm = PWM(led_pin, freq=500, duty=512)

您也可使用以下方法設置頻率與占空比:

>>> led_pwm.freq(500)
>>> led_pwm.duty(512)

注意：占空比介于0至1023間，其中512為50%。若您打印PWM對象，則該對象將告知您其當前配置:

>>> led_pwm
PWM(12, freq=500, duty=512)

您也可調用沒有參數的freq()和duty()方法以獲取其當前值。

引腳將繼續保持在PWM模式，直至您使用以下指令取消此模式:

>>> led_pwm.deinit()

注意： pwm使用完了之后，需要銷毀，注意deinit

使用PWM來控制LED的亮度

相信聰明的你已經從以上的API講解中明白，只要我們更改了控制LED的引腳上的PWM輸出的占空比，即可完成對亮度的控制。

讓我們編寫一個叫做Switch的類，傳入一個Pin對象，和PWM輸出的占空比。

from machine import PWM
from machine import Pin

class Switch():
    """
    創建一個開關類
    """
    def __init__(self, pin, freq=1000):
        """
        初始化綁定一個引腳,設置默認的PWM頻率為1000
        """
        self.pwm = PWM(pin,freq=freq)

    def change_duty(self, duty):
        """
        改變占空比
        """
        if 0 <= duty and duty <= 1023:
            self.pwm.duty(duty)
        else:
            print('警告：占空比只能為 [0-1023] ')

    def deinit(self):
        """
        銷毀
        """
        self.pwm.deinit()

我們創建一個switch.py將以上的代碼放入其中：

現在你可以通過創建一個Switch對象來控制某個管腳的輸出了。

>>> switch = Switch(Pin(2)) #創建一個switch對象，控制我們的板載led
>>> switch.change_duty(0) #不亮
>>> switch.change_duty(100) #很微弱
>>> switch.change_duty(500) #接近一半的亮度
>>> switch.change_duty(1000) #幾乎全亮

# 釋放pwm資源
>>> switch.deinit()

測試完畢，記得釋放資源，因為PWM資源的限制，當你不再使用的時候， 需要釋放PWM資源，執行deinit()函數釋放資源。 注意，在MicroPython里面，自定義的__del__函數，并不會執行。所以我們需要自己定義一個函數deinit，用來釋放對象的資源， 這也是MicroPython的規范， 經常釋放資源是一個好習慣。

PWM呼吸燈

上面的例程，效果并不是很容易展示，所以筆者打算以PWM輸出來模擬一個呼吸燈的效果，并展示給大家看。

import machine
import utime, math
from switch import Switch
from machine import Pin

switch_led = Switch(Pin(2))

def pulse(switch, period, gears):
    # 呼吸燈核心代碼
    # 借用sin正弦函數，將PWM范圍控制在 23 - 1023范圍內
    # switch 開關對象
    # period 呼吸一次的周期 單位/毫秒
    # gears 呼吸過程中經歷的亮度檔位數

    for i in range(2 * gears):
        switch.change_duty(int(math.sin(i / gears * math.pi) * 500) + 523)
        # 延時
        utime.sleep_ms(int(period / (2 * gears)))

# 呼吸十次
for i in range(10):
    pulse(switch_led, 2000, 100)

# 釋放資源
switch_led.deinit()

效果圖如下

參考文獻

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