Arduino - 脉冲宽度调制

Arduino: 理解脉冲宽度调制 (PWM)

脉冲宽度调制 (PWM) 是一种强大的技术，用于通过数字信号控制模拟设备。PWM 不是输出连续的模拟电压，而是快速地在数字引脚的HIGH和LOW之间切换。信号处于HIGH状态的时间百分比被称为占空比，它会产生一个平均电压，从而实现诸如调暗LED或控制直流电机速度等效果。

核心 PWM 概念

        HIGH |----------|          |----------|
             |          |          |          |
         LOW +----------+----------+----------+
             <-- Ton ---><--Toff--><-- Ton --->
             <------- Period ------>

• 高电平时间 (Ton)： 信号处于HIGH状态的持续时间。
• 低电平时间 (Toff)： 信号处于LOW状态的持续时间。
• 周期： 一个周期的总时间（周期 = Ton + Toff）。周期的倒数即为 PWM 频率。
• 占空比： 信号处于HIGH状态的周期百分比。 占空比 = (Ton / 周期) * 100%。

0% 占空比意味着信号始终为 LOW（平均电压为0V）。100% 占空比意味着信号始终为 HIGH（平均电压为5V）。50% 占空比意味着信号在周期的一半时间内为 HIGH，产生2.5V的平均电压。

analogWrite() 函数

Arduino 提供了 analogWrite(pin, value) 函数，可以轻松生成 PWM 信号。在使用 PWM 引脚时，你无需在其之前调用 pinMode()。

语法

analogWrite(pin, value);

• pin： 你想要使用的具备 PWM 功能的引脚。在 Arduino UNO 上，这些引脚标有波浪线 ~（引脚 3、5、6、9、10、11）。请务必查阅你开发板的文档以了解其 PWM 引脚。
• value： 占空比，指定为从 0 (0% 占空比) 到 255 (100% 占空比) 的整数值。

大多数 Arduino 开发板的默认 PWM 频率约为 490 Hz，但有些引脚（例如 UNO 上的 5 和 6 号引脚）运行在 980 Hz。ESP32 等更高级的开发板提供可配置的 PWM 频率。

示例项目：使用电位器渐变LED亮度

这个经典示例演示了如何从电位器读取模拟值，并使用它通过 PWM 控制LED的亮度。

组件与接线

• 1 × Arduino UNO
• 1 × 电位器 (任意阻值，10kΩ 常见)
• 1 × LED
• 1 × 220Ω 电阻

// 电位器接线
// 电位器有3个引脚。
// 将两个外部引脚连接到电源和地。
// 中心引脚（“滑动端”）是输出电压。

Potentiometer Pin 1 --- Arduino GND
Potentiometer Pin 2 (Wiper) --- Arduino Analog Pin A0
Potentiometer Pin 3 --- Arduino 5V

// LED 接线
Arduino PWM Pin ~9 --- [220Ω Resistor] --- [LED Anode (+)]
Arduino GND        --- [LED Cathode (-)]

带有 map() 函数的代码

analogRead() 函数返回 0-1023 范围的值，而 analogWrite() 需要 0-255 范围的值。我们可以使用方便的 map() 函数将输入范围映射到输出范围。

/**
 * @文件 pwm_potentiometer_control.ino
 * @简介 使用电位器通过 PWM 控制 LED 亮度。
 * @作者 现代化教程
 */

constexpr int LED_PIN = 9;       // 必须是 PWM 引脚 (~)
constexpr int POT_PIN = A0;      // 电位器输入引脚

void setup() {
  // 当使用 analogWrite 时，LED_PIN 不需要 pinMode。
  // 模拟输入引脚不需要 pinMode。
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // 1. 从电位器读取值 (0 到 1023)
  int potValue = analogRead(POT_PIN);

  // 2. 将 10 位模拟输入范围 (0-1023) 映射到
  //    8 位 PWM 输出范围 (0-255)。
  int pwmValue = map(potValue, 0, 1023, 0, 255);

  // 3. 将映射后的值写入 LED 引脚。
  analogWrite(LED_PIN, pwmValue);

  // 可选：将值打印到串口监视器以进行调试。
  Serial.print("电位器：");
  Serial.print(potValue);
  Serial.print("\t PWM 值：");
  Serial.println(pwmValue);

  delay(10); // 短暂延迟以保持稳定性
}

超越LED：其他 PWM 应用

PWM 功能非常多样：

• 直流电机速度控制： 通过使用电机驱动芯片（如 L298N 或 TB6612），您可以使用 PWM 来控制发送给电机的有效电压，从而控制其速度。
• 舵机控制： Arduino Servo 库使用 PWM 信号来告诉舵机移动到哪个角度。
• 生成音调： tone() 函数使用 PWM 通过蜂鸣器或扬声器创建不同频率的声音。