本文详细介绍了如何使用STM32的定时器和PWM功能控制LED灯的亮灭以及呼吸灯效果，包括定时器配置、PWM生成、LED脉宽调制控制，以及超声波测距模块的使用。还涉及了如何通过串口通信展示测量的PWM信号频率和占空比。
一、实验任务
深入了解STM32定时器原理，掌握脉宽调制pwm生成方法。
一. 使用STM32F103的 Tim2~Tim5其一定时器的某一个通道pin（与GPIOx管脚复用，见下图），连接一个LED，用定时器计数方式，控制LED以2s的频率周期性地亮-灭。
二. 接上，采用定时器pwm模式，让 LED 以呼吸灯方式渐亮渐灭，周期为1~2秒，自己调整到一个满意效果。使用Keil虚拟示波器，观察 pwm输出波形。
三. 再接上，采用定时器的另外一个通道，编程采集上面的pwm输出信号，获得其周期和脉宽，并重定向输出到串口显示。
四. 学习 HC-SR04超声波测距模块工作原理，使用 stm32F103 完成一个超声波测距方案(第9周之前选做）。
二、定时器&PWM应用编程
1.定时器介绍
定时器（Timer）是一种能够在特定时间间隔后自动重置的计时装置。在微处理器和微控制器中，定时器通常是一个内置的硬件模块，用于生成毫秒级别的精确时间间隔。定时器可以用于多种应用，包括脉冲计数、时间戳生成、实时操作系统中的任务调度等。
而STM32中的定时器是一个重要的外设，它总共包含8个定时器，分别是2个高级定时器（TIM1、TIM8），4个通用定时器（TIM2、TIM3、TIM4、TIM5）和2个基本定时器（TIM5、TIM6）。不同种类的定时器具有不同的特性和功能。
高级定时器TIM1和TIM8具有捕获/比较通道和互补输出，通用定时器只有捕获/比较通道，基本定时器没有以上两者。通用定时器位于低速的APB1总线上，具有16位向上、向下、向上/向下（中心对齐）计数模式，自动装载计数器（TIMx_CNT）。此外，通用定时器具有4个独立通道（TIMx_CH1~4），这些通道可以用来作为输入捕获、输出比较、PWM生成（边缘或中间对齐模式）、单脉冲模式输出。每个通用定时器都是完全独立的，没有互相共享的任何资源。
2.PWM介绍
PWM（Pulse Width Modulation）即脉冲宽度调制，是一种通过控制脉冲宽度来控制电压或电流的技术。PWM的基本原理是，通过一个周期性的脉冲信号，其宽度（即高电平持续时间）可以用来控制平均输出电压的大小。例如，如果一个脉冲信号的周期为T，高电平持续时间为t，则该脉冲的占空比（即高电平时间与周期的比值）就是t/T。如果占空比越大，输出的平均电压就越高。
三、实验过程
1.用定时器计数方式，控制LED以2s的频率周期性地亮-灭
1.1使用固件库完成实验项目环境搭建
1.2HARD代码
LED.h
函数声明
#ifndef __LED_H
#define __LED_H
void LED_Init(void);
void LED_ON(void);
void LED_OFF(void);
void LED_Turn(void);
#endif
LED.c
函数实现
#include "stm32f10x.h"
void LED_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}
void LED_ON(void)
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}
void LED_OFF(void)
{
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}
void LED_Turn(void)
{
if (GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1) == 0)
{
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}
else
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}
}
Timer.h
初始化函数
#ifndef __TIMER_H
#define __TIMER_H
void Timer_Init(void);
#endif
Time.c
实现TIM2定时器的初始化功能，完成时钟源、计数模式、自动重载值、中断的设置。
由中断触发频率 = TIM2的时钟频率 / (TIM_Prescaler + 1) / (TIM_Period + 1)可知
中断触发频率 = 72,000,000 Hz / (14400) / (10000) = 0.5 Hz
在TIM2中完成2s的周期设置
#include "stm32f10x.h"
void Timer_Init(void)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
TIM_InternalClockConfig(TIM2);
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 10000 - 1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 14400 - 1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);
TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);
TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}
1.3main.c代码
完成函数初始化，并在定时器中断函数中实现LED的亮灭过程
#include "stm32f10x.h"
#include "Delay.h"
#include "Timer.h"
#include "LED.h"
int main(void)
{
LED_Init();
Timer_Init();
while (1)
{
}
}
void TIM2_IRQHandler(void)
{
if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET)
{
LED_Turn();
TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
}
}
1.4实验结果
2s周期LED灯
2.PWM呼吸灯
2.1原理分析
在模拟电路中呼吸灯一个连续的正弦电压的控制，实现了LED灯从暗到亮逐渐变化。而通过pwm，调节占空比来对信号电平进行数字编码，将模拟量转为数字量，实现呼吸灯。
2.2FWM(脉冲宽度调制)输出模式设置
FWM.h
函数声明
#ifndef __PWM_H
#define __PWM_H
void PWM_Init(void);
#endif
FWM.c
函数实现
#include "stm32f10x.h"
void PWM_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
TIM_InternalClockConfig(TIM2);
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 720 - 1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);
TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}
main.c
实现占空比的逐渐增加和减少，完成呼吸灯的亮灭变化
#include "PWM.h"
uint8_t i;
int main(void)
{
PWM_Init();
while (1)
{
for (i = 0; i <= 100; i++)
{
PWM_SetCompare1(i);
Delay_ms(10);
}
for (i = 0; i <= 100; i++)
{
PWM_SetCompare1(100 - i);
Delay_ms(10);
}
}
}
2.3实验结果
呼吸灯
2.4使用keil虚拟示波器观察
波形观察
由波形的变化可知占空比不断变化。通过占空比的变化控制了电压的变化，实现了呼吸灯的功能
3.测量PWM输出信号的频率和占空比
3.1采集PVM输出信号，并输出到串口显示
PSC（预分频器）和ARR（自动重装载寄存器）控制PWM输出频率的。
PSC决定了计数器的时钟频率，而ARR决定了计数器的溢出值。
占空比是指PWM信号中高电平（或低电平）所占的时间比例。
(1)通过函数设置PSC和占空比
void PWM_SetCompare1(uint16_t Compare)
{
TIM_SetCompare1(TIM2, Compare);
}
void PWM_SetPrescaler(uint16_t Prescaler)
{
TIM_PrescalerConfig(TIM2, Prescaler, TIM_PSCReloadMode_Immediate);
}(2)采集频率和占空比
#include "stm32f10x.h"
void IC_Init(void)
{
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6; // 将PWM的输出信号输入到PA6，来实现频率和占空比的采集
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
TIM_InternalClockConfig(TIM3);
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 65536 - 1; //ARR
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1; //PSC
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStructure);
TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xF;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
TIM_PWMIConfig(TIM3, &TIM_ICInitStructure);
TIM_SelectInputTrigger(TIM3, TIM_TS_TI1FP1);
TIM_SelectSlaveMode(TIM3, TIM_SlaveMode_Reset);
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}
uint32_t IC_GetFreq(void)
{
return 1000000 / (TIM_GetCapture1(TIM3) + 1);
}
uint32_t IC_GetDuty(void)
{
return (TIM_GetCapture2(TIM3) + 1) * 100 / (TIM_GetCapture1(TIM3) + 1);
}
(3)实现串口通信，将采集信息发送给上位机
#include "stm32f10x.h"
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
void Serial_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
USART_SendData(USART1, Byte);
while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{
uint16_t i;
for (i = 0; i < Length; i ++)
{
Serial_SendByte(Array[i]);
}
}
void Serial_SendString(char *String)
{
uint8_t i;
for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)
{
Serial_SendByte(String[i]);
}
}
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
uint32_t Result = 1;
while (Y --)
{
Result *= X;
}
return Result;
}
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{
uint8_t i;
for (i = 0; i < Length; i ++)
{
Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');
}
}
int fputc(int ch, FILE *f)
{
Serial_SendByte(ch);
return ch;
}
void Serial_Printf(char *format, ...)
{
char String[100];
va_list arg;
va_start(arg, format);
vsprintf(String, format, arg);
va_end(arg);
Serial_SendString(String);
}
(4)通过定时器TIM4实现串口采集
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "PWM.h"
#include "IC.h"
#include "Serial.h"
#include "Timer.h"
uint16_t i;
uint32_t freq, duty;
int main(void)
{
PWM_Init();
IC_Init();
Serial_Init();
Timer_Init();
PWM_SetPrescaler(7200 - 1); //Freq = 72M / (PSC + 1) / 100
while (1)
{
for (i = 0; i <= 100; i++)
{
PWM_SetCompare1(i);
Delay_ms(10);
}
for (i = 0; i <= 100; i++)
{
PWM_SetCompare1(100 - i);
Delay_ms(10);
}
}
}
void TIM4_IRQHandler(void)
{
if (TIM_GetITStatus(TIM4, TIM_IT_Update) == SET)
{
freq = IC_GetFreq();
duty = IC_GetDuty();
Serial_Printf("频率: %d Hz ", freq); // 给上位机发送频率
Serial_Printf("占空比: %d %\r\n", duty); // 给上位机发送占空比
TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_Update);
}
}
3.2串口调试
调节波特率为9600，将PA0和PA6连接，实现串口信息传递。
总结
1.定时器可以用来生成精确的时间间隔，而PWM则可以在这个时间间隔内改变输出电压。
2.根据实验需求选择合适的定时器和PVM模式。
3.学会通过中断函数来减少定时器和PWM函数的反复调用，提高运行效率。
4.通过虚拟示波器观察波形，有助于加深对实验的理解和体会
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