脉冲宽度调制 (PWM)

1. 什么是 PWM？

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制） 是一种数字信号调制技术，可以用来“模拟”出连续变化的电压。

当需要控制设备输出的“强度”（例如调节 LED 亮度或电机转速），而不仅仅是简单的开/关状态时，PWM (Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制） 技术是一种有效的解决方案。

PWM 信号本质上仍然是数字信号，只有 HIGH 和 LOW 两种状态，但通过控制高电平持续的时间比例，可以实现类似模拟输出的效果。

PWM 的核心概念包括：

• 占空比 (Duty Cycle): 在一个 PWM 周期内，高电平（信号为 HIGH）持续的时间占整个周期的百分比。占空比直接影响输出的平均功率或强度。

  不同占空比产生不同的平均电压效果：

  • 占空比 0%：平均电压 ≈ 0V
  • 占空比 25%：平均电压 ≈ 0.825V (3.3V * 0.25)
  • 占空比 50%：平均电压 ≈ 1.65V (3.3V * 0.50)
  • 占空比 75%：平均电压 ≈ 2.475V (3.3V * 0.75)
  • 占空比 100%：平均电压 ≈ 3.3V

• 频率 (Frequency): PWM 信号每秒钟重复一个完整周期的次数，单位是赫兹 (Hz)。选择合适的频率对于应用至关重要：对于 LED 调光，频率需足够高以避免人眼察觉闪烁；对于电机控制，频率会影响效率和噪音。

2. ESP32 上的 PWM 实现

ESP32 集成了专门的硬件模块用于生成 PWM 信号：

• LEDC (LED Control) 外设： ESP32 的主要 PWM 生成器。虽然名为 LED 控制，但可产生通用的 PWM 信号。根据具体芯片型号，拥有 6 到 16 个独立通道，频率范围 1Hz-40MHz。
• MCPWM (Motor Control PWM) 外设： 专门用于电机控制，包含死区控制等高级功能。其接口未被包含在标准的 Arduino ESP32 核心库中。

在 Arduino ESP32 编程环境中，主要通过以下两种方式来利用 LEDC 外设产生 PWM 信号：

1. analogWrite(pin, value) 函数： 这是 Arduino 平台的标准 PWM 函数，ESP32 对其提供了良好支持，使用便捷。
2. LEDC API 函数： 一系列如 ledcAttach(), ledcWrite(), ledcAttachChannel() 的函数，允许对 PWM 参数进行更细致和灵活的配置。

本节将通过控制外部 LED 的亮度来演示这两种 PWM 实现方法。

3. 搭建电路

需要使用的器件有：

• LED * 1
• 330Ω 电阻 * 1
• 面包板 * 1
• 导线
• ESP32 开发板

按照下面接线图连接电路：

ESP32-S3-Zero 引脚图

4. 使用 analogWrite() 的 ESP32 PWM 示例代码

const int ledPin = 7;  // LED 连接的引脚号

void setup() {
}

void loop() {
  // 亮度增加 （占空比值从 0 到 255)
  for (int dutyCycle = 0; dutyCycle <= 255; dutyCycle++) {
    analogWrite(ledPin, dutyCycle);  // 设置 PWM 占空比值
    delay(10);                       // 延时以控制变化速度
  }
  // 亮度减少 （占空比值从 255 到 0)
  for (int dutyCycle = 255; dutyCycle >= 0; dutyCycle--) {
    analogWrite(ledPin, dutyCycle);  // 设置 PWM 占空比值
    delay(10);                       // 延时以控制变化速度
  }
}

代码解析

1. 对于 analogWrite()，ESP32 的实现会自动处理引脚的 PWM 初始化，因此通常不需要显式调用 pinMode()。

2. loop() 函数：

   • 第一个 for 循环：

     for (int dutyCycle = 0; dutyCycle <= 255; dutyCycle++): 变量 dutyCycle 从 0 递增至 255。

   • 第二个 for 循环：

     for (int dutyCycle = 255; dutyCycle >= 0; dutyCycle--) 变量 dutyCycle 从 255 递减至 0，使 LED 亮度逐渐减弱。

   • analogWrite(ledPin, dutyCycle);:

     将当前 dutyCycle 值（0-255）设为 ledPin 的 PWM 占空比，使 LED 亮度逐渐增加。

     提示

     在使用 analogWrite() 时，ESP32 会自动管理 LEDC 通道的分配，并设置默认的频率 和 8 位分辨率。

   • delay(10);:

     短暂延时，用于控制亮度变化速率。

5. 使用 LEDC API 的 ESP32 PWM 示例代码

const int ledPin = 7;  // LED 连接的 GPIO 引脚

const int frequency = 5000;  // PWM 频率 5kHz
const int resolution = 8;    // PWM 分辨率 8 位（0-255）
const int ledChannel = 0;    // PWM 通道号

void setup() {
  // 初始化 LED PWM 功能
  ledcAttach(ledPin, frequency, resolution);

  // 如果你想指定通道
  // ledcAttachChannel(ledPin, frequency,resolution,ledChannel)
}

void loop() {
  // 逐渐增加占空比，LED 变亮
  for (int dutyCycle = 0; dutyCycle <= 255; dutyCycle++) {
    ledcWrite(ledPin, dutyCycle);  // 设置 PWM 占空比值
    delay(10);                     // 延时 10ms，控制变化速度
  }

  // 逐渐减少占空比，LED 变暗
  for (int dutyCycle = 255; dutyCycle >= 0; dutyCycle--) {
    ledcWrite(ledPin, dutyCycle);  // 设置 PWM 占空比值
    delay(10);                     // 延时 10ms，控制变化速度
  }
}

代码解析

1. ledcAttach(ledPin, frequency, resolution);

   • ledPin：指定要用作 PWM 输出的 GPIO 引脚
   • frequency：PWM 信号的频率，单位为赫兹 (Hz)
   • resolution：分辨率位数，决定占空比的精度

2. ledcWrite(ledPin, dutyCycle);:

   • 设置 LEDC 引脚 ledPin 的占空比为 dutyCycle。
   • 数值范围取决于分辨率设置：8 位为 0-255(2⁸-1)

6. 拓展

请尝试实现：通过调节电位器旋钮来控制 LED 灯的亮度，使旋钮位置与灯光亮度相对应

接线图：

代码：

const int ledPin = 7;            // LED 连接的引脚
const int potentiometerPin = 8;  // 电位器连接的引脚

int potentiometerValue;  // 存储电位器读取值
int brightness;          // 存储映射后的亮度值

void setup() {
}

void loop() {
  // 1. 读取电位器的模拟值 (范围 0-4095)
  potentiometerValue = analogRead(potentiometerPin);

  // 2. 将 ADC 读数映射到 PWM 的范围 (0-255)
  brightness = map(potentiometerValue, 0, 4095, 0, 255);

  // 3. 用映射后的值设置 LED 亮度
  analogWrite(ledPin, brightness);

  delay(20);
}

代码解析：

1. map(potValue, 0, 4095, 0, 255);:

   将电位器的 0-4095 范围线性映射到 PWM 的 0-255 范围，实现电位器旋转角度与 LED 亮度的对应关系。

   语法为：

   map(value, fromLow, fromHigh, toLow, toHigh)

   • value：要转换的输入值（这里是电位器读数）
   • fromLow, fromHigh：输入范围（0 到 4095）
   • toLow, toHigh：输出范围（0 到 255）

   工作原理：

   map() 函数按比例转换数值。例如：

   • 电位器值 0（0%位置）→ LED 亮度 0（0% 亮度）
   • 电位器值 2047（50%位置）→ LED 亮度 127（50% 亮度）
   • 电位器值 4095（100%位置）→ LED 亮度 255（100% 亮度）

   简单来说，电位器转到哪个位置，LED 就对应那个亮度。

7. 相关链接

• analogWrite() | Arduino-ESP32 documentation

• LED Control (LEDC) | Arduino-ESP32 documentation

• map() | Arduino Documentation