第7课 电路中的模拟信号（2）—— PWM 的使用

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仅仅通过简单的数字信号输出，只能让输出的数据在0和1间切换，来关闭或打开灯光。并不能真正做到任意控制灯光的亮度，更不用说制作出更高级的效果了。为了实现更丰富的效果，需要使用模拟信号来进行输出，从而控制灯的亮度。

知识锦囊

就像上节课提到的， Pico 作为一种微控制器，并不能真正的直接理解模拟信号。模拟信号必须由 Pico 上搭载的模拟数字转换器（ADC , Analog to Digital Converter）转化为数字信号，才能被 Pico 理解。
同样，Pico 也不能直接发出模拟信号来控制模拟电路，它必将通过某种手段将自身发出的数字信号转化为模拟信号。而 Pico 本身并没有能将数字信号转化为模拟信号的“数字模拟转换器（DAC , Digital to Analog Converter）”，所以当 Pico 需要向外输出模拟信号时，就需要使用另一种方法—— PWM 脉冲宽度调制，来对模拟电路进行控制。

PWM

PWM 是英文 Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制）的简写。其中脉冲是指脉冲信号，是微控制器内的晶体管周期性的不断开合所发出的数字信号。因为是由只有开和闭两种状态的晶体管所发出的信号，所以信号也只会在高电平和低电平间切换。
PWM 脉冲信号主要由三个成分组成：周期，占空比和频率。
如下图所示，周期（T）即是脉冲信号经历一次高电平状态（T1）和一次低电平状态(T2)所用的总时间，即 周期（T）=T1 + T2,而占空比则表示在一个周期中，信号处于高电平的时间与周期的比例，即：占空比 = 周期（T）/ T1。
频率则表示 PWM 每秒完成的周期数（1000 Hz即为每秒完成1000个周期），周期越短，相对的频率也就越高。

所谓脉冲宽度调制就是对脉冲信号的占空比按照需求进行调制，而不改变脉冲信号的其他参数，从而将数字信号伪装成恒定电压的模拟信号。
那么脉冲宽度调制具体是如何实现的呢？以操控 LED 灯的亮度为例，当我们向 LED 灯输入 PWM 信号时， LED 灯实际接收到了一段不断在高低电平间切换的数字信号，该段数字信号会使 LED 灯不断的被打开和关闭。
而当打开和关闭的频率足够快，即 PWM 的频率足够高时，灯光的闪烁就无法被人眼所识别了。
这时我们只需要在周期不变的情况下，改变LED被点亮的时间与被关闭时间的比值，即调整占空比，就可以改变 LED 灯的亮度。
带入数字你可以更好的理解这一概念，如果在1毫秒内， LED 灯有0.5毫秒被开启，0.5毫秒被关闭，那么由于频率过快，你并不会感觉到灯光在闪烁，你只能感觉到灯光的亮度降低到了其在一直开启状态下的一半，而当这一数值被变为在1毫秒内， LED 灯有0.1毫秒被开启，0.9毫秒被关闭时，灯在你眼中的亮度就只有原来的十分之一了。

要对占空比进行操作，就需要使用到算术运算符。

算术运算符

算术运算符顾名思义就是进行数学运算的运算符，我们通常使用的“+”“-”“*”“/”等都属于算术运算符。通过使用算术运算符，我们可以对程序中的变量或其他对象进行数学运算，从而改变它们的数值。
常用的算术运算符有以下几种，当a = 1，b = 2时：

实践操作

项目一：使用旋转电位计控制LED灯亮度

我们先来看看如何使用 PWM 信号来进行模拟信号的输出，使用旋转电位计的返回值来控制 LED 灯的亮度。

硬件连接

在该项目中，我们所需要使用的硬件有：

• 树莓派 Pico
• 树莓派 Pico 拓展板
• Grove - LED 灯
• Grove - 旋转电位计

插接好 Pico 和拓展板，使用 Grove 数据线将 LED 灯连接到 D18 接口，将旋转电位计连接到 A0 接口。

编写程序

与 Pin 相同，将引脚设置为 PWM 模式的函数也在 machine 库中：

from machine import Pin,ADC,PWM

我们需要使用 PWM 来设置相关引脚，虽然 Pico 的每一个引脚都可以被设置为 PWM 引脚，但某些引脚却不能同时被设为 PWM 模式。这是因为 Pico 上的脉冲宽度调制器是被划分成了8个部分，每个部分拥有A和B两个输出，而 Pico 却拥有26个引脚，这导致 Pico 上的一些引脚会共用同一个部分的脉冲宽度调制器。所以当你需要设置多个 PWM 引脚时，需要注意避免引脚的设置发生冲突。

当然，在该程序中我们不用考虑这个问题，因为我们要做的仅仅是设置一个 PWM 引脚而已：

ROTARY_ANGLE_SENSOR = ADC(0)
LED_PWM = PWM(Pin(18))

设置好引脚后，使用 freq() 函数将 PWM 信号的频率设置为500：

LED_PWM.freq(500)

选择合适的频率十分重要：如果频率很低，则 LED 灯在通电和断电时会导致 LED 灯的闪烁肉眼可见，时断时续；如果频率很高，则会导致 LED 灯开关来不及正常开合，影响稳定性。

在程序中，我们使用 read_u16() 来读取旋转电位计的返回值，使用 duty_u16() 来向 LED 灯输出模拟值。由于二者值的范围皆为0-65535，所以我们可以直接使用旋转电位计的返回值来控制 LED 灯的亮度。
在循环中，我们首先将旋转电位计输入的模拟值保存到变量 val 中，再将 LED 灯 PWM 信号的占空比设置为变量 val ，即可完成项目，完整的示例程序如下：

from machine import Pin,ADC,PWM
ROTARY_ANGLE_SENSOR = ADC(0)
LED_PWM = PWM(Pin(18))
LED_PWM.freq(500)
while True:
    val = ROTARY_ANGLE_SENSOR.read_u16()
    LED_PWM.duty_u16(val)

使用 USB 数据线将 Pico 连接到电脑，点击运行按钮将程序保存到任意位置，转动旋转电位计，你就能看到程序的实际运行效果。
旋转电位计控制LED灯亮度.mp4

项目二：呼吸灯

该项目我们要实现呼吸灯效果，LED灯由暗到明，再从明到暗。

硬件连接

在该项目中，我们所需要使用的硬件有：

• 树莓派 Pico
• 树莓派 Pico 拓展板
• Grove - LED 灯

将 LED 灯连接在D18接口。

编写程序

要想实现呼吸灯效果，我们需要使用算术运算符对 PWM 信号的占空比直接进行操作。
首先声明我们所需要用到的库中函数，并设置好引脚。

from machine import Pin,PWM
import utime
LED_PWM=PWM(Pin(18))

设置好引脚后，使用 freq() 函数将 PWM 信号的频率设置为500：

LED_PWM.freq(500)

接下来就让我们着手实现呼吸灯效果，通过分析可以发现，呼吸灯效果其实是由两部分组成，第一部分是 LED 灯从黯淡状态逐渐亮起，当亮度到达最高时进度第二部分。在第二部分中，LED灯亮度开始衰减，直至熄灭。重复这两个部分，就能实现呼吸灯效果。
可以使用两个 while 循环语句来分别实现这两个部分的效果，首先设置一个变量 val 方便我们调整 PWM 信号的占空比。在程序的一开始，先将val设置为0：

val = 0

接着先来实现第一部分， LED 灯逐渐亮起：

while val<65535:
    val=val+50
    utime.sleep_ms(1)   
    LED_PWM.duty_u16(val)

在该程序中，我们将 val 的值每隔一毫秒增加50，直到其大于65535，并使用 duty_u16 函数利用该值来调整 PWM 信号的占空比。
当val的值被增加到大于65535时，就会跳出第一个 while 循环，进入下一个 while 循环，同理，要使灯光逐渐暗淡，我们需要 val 的值在小于0之前不断减小 ：

while val>0:
    val=val-50
    utime.sleep_ms(1)
    LED_PWM.duty_u16(val)

再使用 while True 使两部分程序不断循环运行，呼吸灯的效果就完成了。

import utime
from machine import Pin,PWM
LED_PWM=PWM(Pin(18))
val=0
LED_PWM.freq(500)
while True:
    while val<65535:
        val=val+50
        utime.sleep_ms(1)   
        LED_PWM.duty_u16(val)
    while val>0:
        val=val-50
        utime.sleep_ms(1)
        LED_PWM.duty_u16(val)

使用 USB 数据线将 Pico 连接到电脑，点击运行按钮将程序保存到任意位置，你就能看到程序的实际运行效果。
呼吸灯.mp4

思维拓展

除了 LED 灯以外，你还知道哪些电子模块是需要用 PWM 信号来控制吗？
蜂鸣器：

舵机：