【单片机入门】(四)应用层软件开发的单片机学习之路-----ESP32开发板PWM控制电机以及中断的使用

引言

各位大佬，晚上好啊，在上一篇博客中，我们讲了什么是UART串口通讯，以及使用USB转TTL使得单片机可以和c#上位机做一个串口通讯，接下来，为大家带来PWM的概念原理，以及实际案例，使用PWM对电机进行速度调制，因为本课程的最后是做一个红外遥控的智能小车，所以是需要电机四个，驱动四个，轮胎四个，所以PWM对于最后的成果也是极为重要，并且在实际开发中，PWM也是比较常用的调速方式。

概念

PWM全称Pulse width modulation，中文翻译为脉冲宽度调制，其基本原理为控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等但宽度不一致的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

可能上面对于原理的解释过于官方，大家可能看不懂，通俗易懂的来说，就是通过对电子元器件的电路进行高低电平进行控制，在一段时间内，高低电平在输出会形成一段波动，这个波动可以成为PWM波形，而我们需要使用代码去控制PWM的输出波形，高电平在这一段波动中，通电时间即高电平时间是占了总时间多少，同时在这一段PWM波形中，高低电平来回切换的频率又是多少，形成了这么一段波形，这就引入了两个概念，占空比(Duty Ratio)和频率，占空比代表着，高电平通电总时和总时的一个占比(这段波形中，高低电平的总共占用时间)，而频率则是高低电平在这段波形中，来回切换的一个频率。

如下图，下方在Arduino串口绘图器中，展示了一段锯齿波形，看下方的GIF我们可以看到对应的电机运动也是有快到慢的一个运动状态。

代码解析

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  ledcSetup(0, 5000, 8);
  ledcAttachPin(12, 0);
}

// the loop function runs over and over again forever
void loop() {
   for (int dutyCycle = 0; dutyCycle <= 255; dutyCycle++) {
    ledcWrite(0, dutyCycle);
    delay(7);
    Serial.println(dutyCycle);
  }
}

在Arduino中我们可以使用LEDC来实现对PWM的控制，而在纯c乐鑫的开发板中，是可以使用MCPWM进行控制，但是由于Arduino在此处不能使用MCPWM，则就有了LEDC作为替代品，ESP32带有一个16通道的一个LED PWM控制器，对应使用的是乐鑫的LED PWM控制，ESP32 LED PWM，分为8路高速通道和8路低速通道，然后我们使用不同的频率，和占空比来实现控制电机转速的控制。

在上面的代码中，我们先设置了ledc的通道为0，频率为5000，第八个低速LED控制器，即代码为 ledcSetup(0, 5000, 8);然后需要将通道和引脚进行管理使用ledcAttachPin(12, 0);将引脚12和第0个通道关联起来，在loop代码中，可以看到，我们写入的最大的占空比为255，而0-255总数为256，那是因为，占空比是和通道是有关系的，上文提到，LED的PWM控制器一共有16个，此处我们使用8，而256则为2的8次方的值，所以占空比最大为256，如果取值为10，占空比的最大值则为1024-1；ledcwrite(0,dutyCycle);则是将占空比写入对应的通道，便完成了PWM对电机进行调速设置。

Arduino针对ESP32 乐鑫PWM的封装，目前已知的有LEDC，不需要安装，默认就可以使用，而其他的也有对于PWM的封装，个人测试了一两个倒也没有这个好用，后续各位朋友也可以继续探索其他好用的PWM库进行开发。

中断

在上面讲完PWM之后，我们再来讲一下中断，以及中断的一个实际案例。中断，顾名思义，是在程序执行期间，遇到某一个事件的时候，将暂停手上的工作先去执行某一件事情，这个事情则是我们中断当下工作，去执行的事情，这个动作，称之为中断。虽然在代码中，可以注册一个后台任务（在纯c中），进行不停的while，但是这样在性能上还是无法发挥单片机的功效，所以这种场景下我们便需要使用中断，来实现我们的某种功能，例如使用按钮，来判断是否需要打开LED，或者是其他的行为。

在Arduino中，我们可以使用attachInterrupt函数来进行对引脚增加中断以及使用detachInterrupt来移除中断，

attachInterrupt函数需要三个参数，第一个为中断需要使用的引脚pin，第二个为中断触发的函数，第三个为中断的类型，对于ESP32的中断，在Arduino中，其方法名前面必须加一个IRAM_ATTR标记其为中断函数，第一个函数中的digitalPinToInterrupt为将27和中断进行一个绑定，同时还有其他方法，但是官方均不推荐，

在下方的代码中，我们定义了一个change的函数用来处理ESP32 27引脚的中断，用27引脚的电平控制LED引脚2的电平，以此来控制是否点亮LED灯，先设置引脚2为输出模式，27引脚为上拉输入模式，可以理解为上拉电阻的一般都需要用到这种模式，然后我们将引脚27和中断进行关联，设置中断函数为change，模式为CHANGE。然后在LOOP函数中，我们给引脚2写入state的值，当进入change中断函数中，会将state取反，然后进入loop写入值。以此实现控制LED的显示和不显示，在这里，提醒一下，由于在单片机中，中断以及定时器都是非阻塞模式，而Serial.println函数是阻塞写入缓冲区，会导致中断函数会不断的输出错误，错误：Guru Meditation Error: Core 1 panic'ed (Interrupt wdt timeout on CPU1).

这是因为println函数阻塞导致定时器无法继续执行，所过非要使用此函数，可以尝试设置中间变量，然后在loop函数中判断是否改变值，然后进行输出信息到串口。

可以在下方GIF看到，我们使用按钮进行控制LED的显示和不显示。

volatile byte state = LOW;

void IRAM_ATTR change()
{
   state=!state;
}
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  Serial.begin(9600);
  pinMode(2, OUTPUT);
  pinMode(27, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(27), change, CHANGE);
}

void loop() {
  digitalWrite(2, state);// put your main code here, to run repeatedly:
}

可以看到第二个方法是传入一个interrupt的中断编号，但是ESP32上面的中断编号，不在官方资料中，所以我们只有需要第一个方法来进行引脚和中断函数的关联，当然了可能最后一个也是可以，只是此处我没有尝试，感兴趣的可以进行尝试，

在mode中，Arduino是支持五种模式，第一种为LOW,，看翻译我们知道，这个是在电平处于低电平时会触发中断函数，

第二个CHANGE是不管是高到低，还是低到高，都会触发

第三种是引脚在由低电平到高电平时触发，而不是已经到了高电平触发，

第四种是下降，当电平由高到低时会触发中断函数，

第五种是电平处于高电平时会触发中断函数。

结语

今天讲了PWM还有中断的使用，可能一次性讲的有点多，有点难以消化，有什么不懂的可以及时问我，以及后面我更新的时间会稍微慢一点，防止讲的过快，一时间不明白，后面还会有对于IIC,SPI的一个案例讲解，在这些讲完后，我会开始准备最终极的目标，做一个智能小车，其中会需要的配件，这两天我会总结好发到群里，以及购买链接。有感兴趣的同学可以加QQ群，一起学习，一起讨论，博主也是一个刚开始玩单片机的学徒，后面也会研究stm32系列单片机，欢迎大家加入讨论，学习。