在Arduino上用PWM精准调控引脚输出

脉冲宽度调制（PWM）是一种通过快速开关数字信号来模拟模拟电压水平的常用技术。在Arduino平台上，PWM允许我们通过改变信号的占空比来精确控制输出到引脚的“平均”电压。占空比是指在一个周期内，信号处于高电平的时间与整个周期的比例。例如，一个50%的占空比意味着信号在一半的时间内为高电平，另一半时间为低电平。

并非所有Arduino引脚都支持PWM。通常，带有波浪线（~）符号的引脚是PWM引脚。例如，在Arduino Uno上，引脚3、5、6、9、10和11都支持PWM输出。这些引脚连接到微控制器的内部定时器，能够产生特定频率的方波。

PWM的本质不是产生真正的可变电压，而是通过改变功率的通断时间来达到类似的控制效果。

Arduino的analogWrite函数

在Arduino代码中，我们使用analogWrite(pin, value)函数来产生PWM信号。这个函数接受两个参数：引脚编号和一个介于0到255之间的值。

• 值 = 0: 占空比为0%，输出恒定的0V（低电平）。
• 值 = 127: 占空比约为50%，输出平均电压约为2.5V（在5V系统上）。
• 值 = 255: 占空比为100%，输出恒定的5V（高电平）。

以下是一个简单的代码示例，它会让连接到引脚9的LED灯以中等亮度发光：

void setup {
pinMode(9, OUTPUT);
void loop {
analogWrite(9, 127); // 设置50%的亮度
}

精准调控的技巧与方法

虽然analogWrite很方便，但要实现精准调控，还需要考虑一些关键因素。

1. 分辨率限制： Arduino的PWM默认分辨率是8位，这意味着它只能提供256个离散的亮度级别。对于需要更精细控制的应用（如精密舵机控制或高精度调光），这可能会不够。一些新型号的Arduino（如Due、Zero）和支持的库允许你将分辨率提高到12位或更高，从而获得4096个甚至更多的控制级别。

2. 频率的影响： PWM信号的频率决定了其周期性。对于LED调光，频率需要足够高（通常高于60Hz）以避免人眼察觉到闪烁。而对于控制电机，较低的频率可能会导致电机发出嗡嗡声。你可以通过直接操作定时器寄存器来改变特定引脚的PWM频率，但这属于更高级的用法。

3. 线性与感知： 人眼对光强的感知是非线性的（遵循幂定律）。将PWM值从0线性增加到255，人眼感知到的亮度增长却不是线性的。为了获得平滑的亮度变化，通常需要对PWM值进行伽马校正。

高级应用：定时器与寄存器控制

为了突破analogWrite的限制，实现真正精准和定制化的PWM输出，开发者可以直接操作AVR微控制器的定时器/计数器寄存器。

Arduino Uno有三个定时器：Timer0、Timer1和Timer2。每个定时器控制着特定的PWM引脚：

通过设置这些定时器的预分频器和比较匹配寄存器，你可以改变PWM的频率和分辨率。例如，以下代码展示了如何设置Timer1为10位分辨率模式：

void setup {
// 设置Timer1为10位相位校正PWM模式
TCCR1A = _BV(COM1A1) | _BV(COM1B1) | _BV(WGM11) | _BV(WGM10);
TCCR1B = _BV(CS10); // 无预分频
pinMode(9, OUTPUT);
pinMode(10, OUTPUT);
void loop {
// 现在可以使用0-1023的值进行写入
OCR1A = 512; // 引脚9， 50% 占空比 (10位)
}

实践项目：制作可调光LED灯

让我们将理论知识付诸实践，创建一个可以通过电位器平滑调节亮度的LED灯。

所需元件：

• Arduino开发板（如Uno）
• 1个LED灯
• 1个220欧姆电阻
• 1个10k欧姆电位器
• 面包板和导线

电路连接：

• 将LED的正极（长脚）通过220欧姆电阻连接到Arduino的PWM引脚9。
• 将LED的负极（短脚）连接到GND。
• 将电位器的两端分别连接到5V和GND。
• 将电位器的中间引脚（滑动端）连接到模拟引脚A0。

示例代码：

const int ledPin = 9;
const int potPin = A0;
void setup {
pinMode(ledPin, OUTPUT);
void loop {
int sensorValue = analogRead(potPin);            // 读取电位器值 (0-1023)
int brightness = map(sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // 映射到PWM范围
analogWrite(ledPin, brightness);                 // 设置LED亮度
delay(10); // 短暂延迟以稳定读数
}

这个项目演示了如何将模拟传感器的读数（0-1023）通过map函数转换为PWM输出值（0-255），从而实现精准的亮度控制。

常见问题与解决方案

在实践PWM控制时，你可能会遇到一些典型问题。

• 电机不转动或抖动： PWM频率可能过低。尝试提高频率，或者检查占空比是否低于电机的启动阈值。
• LED闪烁： PWM频率过低，被人眼察觉。确保频率在100Hz以上，或者检查电路连接是否牢固。
• 控制不精确： 检查电源是否稳定。不稳定的电源会导致PWM输出波动。对于高精度应用，考虑使用外部稳压电源。
• 改变频率后delay和millis不准： 在Arduino Uno上，Timer0也用于delay和millis等函数。修改Timer0的频率会影响这些时间函数的准确性。如果项目依赖精确计时，请避免修改Timer0。