51单片机可调输出频率和脉宽的PWM功能

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前言

前段时间有个师弟问我关于51单片机输出PWM的问题，我看了网上的资料，各有千秋，但有一些的思路对新手不是很友好；还有一些输出的脉宽和频率不是可调的。因此写下这篇关于51单片机如何输出频率可调脉宽可调的PWM的文章

一、PWM是什么？

关于PWM网上的介绍已经很多了，我这里就简单的介绍一下。

这个是方波，Tp是脉冲宽度，简称脉宽，PWM就是这个脉宽可以调节大小的方波，所以叫脉宽调制（Pulse Width Modulation）
PWM频率就是在一秒内一个完整的PWM发出的次数，比如PWM的频率为1HZ，即一秒发送1次，那T=1000ms；若PWM的频率为50HZ，即一秒发送50次，那T=20ms。

二、输出PWM

如何输出PWM

其实要输出一个PWM很简单，我们可以假设PWM输出引脚为P2^0。

while（1）
{
P2^0 = 1；
delay（100）；//这里相当于Tp
P2^0 = 0；
delay（200）；
}

让引脚输出高电平，延迟一段时间后再输出低电平，通过改变延迟的时间就可以调节PWM的脉宽。
但是这样输出的频率是不可调的，也是不准确的；而且一旦有其它程序加入，波形就会发生变化。

使用定时器控制输出频率

PWM输出频率我们可以借助定时器来实现，我们可以让定时器固定一段时间输出高电平，一段时间输出低电平。输出高电平和低电平时间之和即为PWM的周期（周期为频率的倒数），我们只要通过改变输出高电平和低电平时间之和就可以改变PWM的频率了。

sbit led = P0 ^ 0; // 定义P20口是led
sbit Pwm = P2 ^ 0;

//定时器0初始化，每1ms进入一次中断
void Timer0Init()
{
    TMOD |= 0X01; // 选择为定时器0模式，工作方式1，仅用TR0打开启动。
    TH0 = 0XFC; // 给定时器赋初值，定时1ms
    TL0 = 0X18;
    ET0 = 1; // 打开定时器0中断允许
    EA = 1;  // 打开总中断
    TR0 = 1; // 打开定时器
}

void main()
{
    Timer0Init(); // 定时器0初始化
    Pwm = 1;// 先让PWM引脚输出高电平
    while (1)
    {
    }
}

//定时器0的中断服务函数，即每1ms就执行这段程序
void Timer0() interrupt 1
{
    static u16 i;
    TH0 = 0XFC; // 给定时器赋重新初值，定时1ms
    TL0 = 0X18;
    i++;
    if (i >= 20)
    {
    	i = 0；
        Pwm = ~PWM;
    }
    led = ~led；
}

我们让PMW输出引脚每20ms电平反转一次，led输出引脚每1ms电平反转一次进行比较。

这是PWM输出的仿真图，蓝色是led引脚输出波形，周期是2ms，红色是PWM引脚输出波形，周期是40ms。（因为每隔20ms反转一次电平，高电平和低电平持续时间之和才是PWM的一个周期的时间）

这样，我们就可以通过改变电平反转的时间来控制PWM的输出频率了。

使用定时器控制输出占空比

上面我们已经可以控制PWM的频率了，那我们如何控制高电平在整个周期中所占的比例（即占空比）呢？

我们可以在一个固定的时间内，改变高电平所占的比例，即可以改变占空比。

sbit led = P0 ^ 0; // 定义P20口是led
sbit Pwm = P2 ^ 0;

u8 Pwm_Duty = 0;
u16 Pwm_fre = 50;

/*******************************************************************************
 * 函 数 名         : Timer0Init
 * 函数功能		   : 定时器0初始化
 * 输    入         : 无
 * 输    出         : 无
 *******************************************************************************/
void Timer0Init()
{
    TMOD |= 0X01; // 选择为定时器0模式，工作方式1，仅用TR0打开启动。
    TH0 = 0XFC; // 给定时器赋初值，定时1ms
    TL0 = 0X18;
    ET0 = 1; // 打开定时器0中断允许
    EA = 1;  // 打开总中断
    TR0 = 1; // 打开定时器
}

void main()
{
    Timer0Init(); // 定时器0初始化
    Pwm = 1;
    led = 1;
    Pwm_Duty = 40;
    while (1)
    {

    }
}
/*******************************************************************************
 * 函 数 名         : void Timer0() interrupt 1
 * 函数功能		   : 定时器0中断函数
 * 输    入         : 无
 * 输    出         : 无
 *******************************************************************************/
void Timer0() interrupt 1
{
    static u16 i;
    TH0 = 0XFC; // 给定时器赋初值，定时1ms
    TL0 = 0X18;
    i++;
    if (i >= (Pwm_Duty*20)/100)
    {
        Pwm = 0;
    }
    if(i>=10)
    {
        led = 0;
    }
    if (i >= 20)
    {
        i = 0;
        Pwm = 1;
        led = 1;
    }
}

Pwm_Duty 为高电平比例系数，比如Pwm_Duty =0.4，当i>=0.4*20=8时，PWM反转为低电平，当i>20时，电平再反转为高电平，这样高电平就占了整个周期的四成，所以PWM=40%。

不过应该注意的是，这里PWM在8ms已经反转一次，20ms时再反转一次，一个周期已经结束，即这里的PWM周期为20ms；即频率为50HZ。由于51单片机是8位整形单片机，没有浮点型数据，不能直接让Pwm_Duty =0.4，不然就可能取整为0，这里必须先让Pwm_Duty = 40*20=800再除以100才能得到8ms

这是PWM输出的仿真图，蓝色是led引脚输出波形，频率是50HZ，占空比是50%；红色是PWM引脚输出波形，频率是50HZ，占空比是40%。

这样，我们就可以控制Pwm_Duty来控制PWM的占空比了。

我们再把程序给优化一下，如下

#include "reg52.h" //此文件中定义了单片机的一些特殊功能寄存器

typedef unsigned int u16; // 对数据类型进行声明定义
typedef unsigned char u8;

sbit led = P0 ^ 0; // 定义P20口是led
sbit Pwm = P2 ^ 0;
sbit k1 = P1 ^ 1; // 定义P20口是led
sbit k2 = P1 ^ 2;

u8 Pwm_Duty = 40;//pwm的占空比（%）
u16 Pwm_fre = 50;//PWM的频率（HZ）

/*******************************************************************************
 * 函 数 名         : Timer0Init
 * 函数功能		   : 定时器0初始化
 * 输    入         : 无
 * 输    出         : 无
 *******************************************************************************/
void Timer0Init()
{
    TMOD |= 0X01; // 选择为定时器0模式，工作方式1，仅用TR0打开启动。
    TH0 = 0XFC;   // 给定时器赋初值，定时1ms
    TL0 = 0X18;
    ET0 = 1; // 打开定时器0中断允许
    EA = 1;  // 打开总中断
    TR0 = 1; // 打开定时器
}

/*******************************************************************************
 * 函 数 名       : main
 * 函数功能		 : 主函数
 * 输    入       : 无
 * 输    出    	 : 无
 *******************************************************************************/
void main()
{
    Timer0Init(); // 定时器0初始化
    Pwm = 1;
    led = 1;
    while (1)
    {
    }
}

/*******************************************************************************
 * 函 数 名         : void Timer0() interrupt 1
 * 函数功能		   : 定时器0中断函数
 * 输    入         : 无
 * 输    出         : 无
 *******************************************************************************/
void Timer0() interrupt 1
{
    static u16 i;
    TH0 = 0XFC; // 给定时器赋初值，定时1ms
    TL0 = 0X18;
    i++;
    if (i >= (Pwm_Duty * (1000 / Pwm_fre)) / 100)
    {
        Pwm = 0;
    }
    if (i >= (50 * (1000 / Pwm_fre)) / 100)
    {
        led = 0;
    }
    if (i >= 1000 / Pwm_fre)
    {
        i = 0;
        led = 1;
        Pwm = 1;
    }
}

把频率和占空比作为变量，即可以在程序运行中，通过改变Pwm_fre 改变PWM信号的频率，通过改变Pwm_Duty 改变PWM信号的占空比。

补充 ： (Pwm_Duty * (1000 / Pwm_fre)) / 100这段可能有人看不懂，我解释一下：Pwm_fre是PWM的频率，频率和周期互为倒数，所以PWM周期 = 1/ Pwm_fre。由于程序是每1ms进入一次中断，频率是一秒内一个完整信号发送的次数，所以这里要乘1000，又因为51单片机不支持浮点型数据，所以需要写成（1000 / Pwm_fre）；若信号频率为50hz，则这里周期为20ms。

作者：早安_吴同学