王子權(quán)

(合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

0 引 言

燈具伴隨著人們的日常生活，對(duì)于燈光亮度的調(diào)節(jié)也隨著科技的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。普通的調(diào)光電路是將燈具與一個(gè)變阻器串聯(lián)，通過調(diào)節(jié)變阻器的阻值大小，達(dá)到對(duì)燈具的功率的調(diào)節(jié)，變阻器會(huì)消耗一定的功率，而且隨著變阻器阻值的增大，燈具所具有的有效功率逐漸變小。PWM是脈寬寬度調(diào)制的簡(jiǎn)稱[1]，其控制簡(jiǎn)單靈活，損耗小，方便使用[2]，憑借它的開關(guān)頻率高，低速運(yùn)行平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良[3]等特點(diǎn)，在電機(jī)調(diào)速方面得到普遍應(yīng)用。STM32F103ZET6是STM32系列高端單片機(jī)的一種，集成了AD轉(zhuǎn)換與PWM輸出功能，可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和PWM輸出。由于STM32單片機(jī)需要對(duì)其功能進(jìn)行配置才能正常使用，所以這也成為了其功耗低的一種機(jī)制，應(yīng)用STM32單片機(jī)進(jìn)行控制的場(chǎng)合越來越多。

1 調(diào)光原理

1.1 STM32的PWM調(diào)節(jié)原理

圖1 典型PWM波形

脈沖寬度(PWM)調(diào)制，是一種周期一定而高低電平的占空比可以調(diào)制的方波信號(hào)[4]，其波形如圖1所示。所以PWM的實(shí)質(zhì)是以調(diào)節(jié)占空比來改變負(fù)載兩端的電壓平均值，電壓變化關(guān)系[5]見式(2)。

根據(jù)圖1可得PWM波形的分段函數(shù)為：

(1)

式中:Tper為PWM的周期；Tset為PWM高電平時(shí)間；UH為PWM高電平電壓值；UL為PWM低電平電壓值；k為PWM諧波次數(shù)。

Uavr=α(UH-UL)+UL，(0≤α≤1)

(2)

式中:Uavr為負(fù)載兩端平均電壓；α為PWM占空比。由試驗(yàn)測(cè)得PWM的低電平時(shí)的電壓值約為0 V，故可將式(2)化簡(jiǎn)為：

Uavr=αUH

(3)

在STM32中，定時(shí)器可以用來產(chǎn)生PWM輸出，其中定時(shí)器1和定時(shí)器8可以產(chǎn)生最多7路PWM輸出，除了定時(shí)器6和7不能產(chǎn)生PWM輸出以外，STM32最多可以產(chǎn)生30路PWM輸出，通過STM32的庫函數(shù)即可配置產(chǎn)生PWM輸出。

在STM32固件庫的庫函數(shù)中，TIM_Period為TIM_TimeBaseInitTypeDef結(jié)構(gòu)體成員，表示為自動(dòng)重裝寄存器值，也就是PWM的一個(gè)周期值，TIM_SetCompare函數(shù)是選定定時(shí)器和設(shè)置占空比值的函數(shù)，根據(jù)式(3)可推算出STM32的PWM輸出電壓變化關(guān)系。

(4)

式中：n為TIM_SetCompare裝載值；m為PWM一個(gè)周期值；T為單片機(jī)計(jì)數(shù)脈沖基本周期。試驗(yàn)使用定時(shí)器3產(chǎn)生PWM輸出，PWM的一個(gè)周期值m在試驗(yàn)程序中直接就可以進(jìn)行配置，其PWM發(fā)生程序如下：

#include "pwm.h"/*PWM初始化函數(shù)*/

void pwmInit(){

pwmTIM3Init();//TIM3初始化

pwmLEDInit();//LED初始化

pwmTIM3OCInit();//TIM3參數(shù)設(shè)置}

/*定時(shí)器3配置初始化函數(shù)*/

void pwmTIM3Init(){

TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseInitStructure;/*初始化TIMx的時(shí)間基數(shù)單位*/

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);/*使能定時(shí)器3時(shí)鐘*/

TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period=1 000;/*PWM在一個(gè)周期內(nèi)的震蕩次數(shù)周期*/

TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler=0;/*TIMx時(shí)鐘頻率除數(shù)的預(yù)分頻值*/

TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision=0;/*不進(jìn)行時(shí)鐘分割*/

TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;/*定時(shí)器向上計(jì)數(shù)*/

TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseInitStructure);/*初始化定時(shí)器3*/

TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);/*必須使能定時(shí)器*/}

/*LED配置初始化函數(shù)*/

void pwmLEDInit(){

GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;/*初始化外設(shè)GPIOx寄存器*/

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);/*開啟LED連接引腳的時(shí)鐘*/

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);/*必須開啟復(fù)用*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_7;/*定義LED連接引腳*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;/*設(shè)置GPIO推挽輸出*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_10MHz;/*設(shè)置選中管腳的速率*/

GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);/*GPIO初始化

GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_7);/*設(shè)置LED引腳為高電平*/

GPIO_PinRemapConfig(GPIO_FullRemap_TIM3,ENABLE);/*必須完成完全映射*/}

/*定時(shí)器3的PWM配置初始化函數(shù)*/

void pwmTIM3OCInit(){

TIM_OCInitTypeDefTIM_OCInitStructure;/*初始化外設(shè)TIMx*/

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1;/*選擇定時(shí)器模式為TIM脈沖寬度調(diào)制模式1*/

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;/*使能輸出比較*/

TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_Low;/*設(shè)置輸出極性為低*/

TIM_OC2Init(TIM3,&TIM_OCInitStructure);/*2表示使用第二通道TIM_Channel_2*/

TIM_OC2PreloadConfig(TIM3,TIM_OCPreload_Enable);/*使能預(yù)裝載*/}

1.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖2 調(diào)光器整體結(jié)構(gòu)圖

調(diào)光器的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括電位器，STM32單片機(jī)和負(fù)載電路組成。電位器是進(jìn)行調(diào)節(jié)的控制始端，通過旋動(dòng)電位器使其電阻值發(fā)生改變。STM32單片機(jī)對(duì)從電位器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到Tset，并傳遞給TIM_SetCompare函數(shù)，從而得到一定的占空比，使負(fù)載端接收到一定占空比的PWM輸出。

1.3 AD轉(zhuǎn)換到PWM輸出的映射

從電位器得到的AD數(shù)據(jù)與最終的PWM輸出存在著映射關(guān)系，STM32就是完成映射的處理核心。根據(jù)映射關(guān)系的不同，有線性關(guān)系和非線性關(guān)系，PWM的輸出也有線性輸出和非線性輸出。

以線性輸出為例，對(duì)AD數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均值處理，建立比例線性模型，可得線性映射關(guān)系為：

(5)

式中：k為比例系數(shù)；n為從AD采樣的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù);xi為從電位器采樣的數(shù)據(jù)值。

從式(4)可以看出調(diào)光器的級(jí)數(shù)只與PWM的一個(gè)周期Tper有關(guān)，即只與m有關(guān)，試驗(yàn)設(shè)置m=1 000，即設(shè)置LED燈具有1 000級(jí)的亮暗變化。根據(jù)式(4)和式(5)可得電壓變化關(guān)系：

(6)

圖3 電位器電路

如果要對(duì)采集到的AD數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，如減去最大值和最小值以及減去數(shù)據(jù)跳變值或進(jìn)行非線性處理等，只要對(duì)式(5)進(jìn)行相應(yīng)的變化即可。

2 調(diào)光器硬件設(shè)計(jì)

2.1 電位器

電位器是旋轉(zhuǎn)變阻裝置，通過變阻使電阻的兩端電位差產(chǎn)生變化，電路如圖3所示。試驗(yàn)使用的電位器有三個(gè)引腳，其中兩端分別接VCC和GND，中間一端引出作為STM32的AD轉(zhuǎn)換輸入端，試驗(yàn)裝置將電位器的輸出端連接到了GPIOA1引腳上。從圖3中可以看出，電位器輸出端輸出的是電壓信號(hào)，輸出電壓的取值范圍為0 V到3.3 V，當(dāng)輸出電壓為0 V時(shí)，LED燈滅，LED燈的亮度隨著電位器輸出端的電位值的變化而變化。

2.2 STM32F103ZET6單片機(jī)與LED

STM32F103ZET6單片機(jī)是通用性基于ARMR的32位增強(qiáng)型微控制器，其引腳數(shù)目144個(gè)，具有512 k字節(jié)的閃存存儲(chǔ)器。STM32單片機(jī)對(duì)從電位器采集到的AD數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，如比例線性處理以及復(fù)雜的非線性處理等，得到PWM的占空比值，通過得到的占空比，進(jìn)行相應(yīng)的PWM輸出。

圖4 LED發(fā)光原理

LED是利用半導(dǎo)體PN結(jié)或類似結(jié)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)化成光能的固態(tài)器件[6]，發(fā)光原理如圖4所示。從圖4可以看出，只有給LED外加正向偏置的電壓，LED才會(huì)導(dǎo)通發(fā)光。

發(fā)光二極管的亮度可以通過工作電壓或電流的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，在很寬的工作電壓電流范圍內(nèi)，發(fā)光二極管的發(fā)光亮度與工作電壓電流大小成線性關(guān)系。LED燈可通過串聯(lián)限流電阻直接與單片的IO引腳相連，試驗(yàn)裝置將LED與GPIOC的GPIO_Pin_7引腳相連。所以控制GPIOC的GPIO_Pin_7引腳的PWM輸出即可獲得對(duì)LED的亮暗調(diào)節(jié)。

3 調(diào)光器軟件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

3.1 調(diào)光器軟件設(shè)計(jì)

圖5 調(diào)光器程序流程圖

基于Eclipse開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了調(diào)光器的C語言代碼。程序流程包括：初始化(系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、PWM初始化、ADC初始化)、數(shù)據(jù)處理過程和PWM輸出，如圖5所示。

Eclipse是基于Java的開源代碼可擴(kuò)展開發(fā)平臺(tái)[7]，為大型程序的開發(fā)提供了很大的便利，其代碼提示與補(bǔ)全功能深受大型軟件開發(fā)者的喜愛。Eclipse的可擴(kuò)展功能使得開發(fā)者可以安裝許多外圍插件，也可以開發(fā)新的插件完成更多的功能[8]，如基于Eclipse圖形建?？蚣艿膱D形化脈沖序列設(shè)計(jì)軟件[9]。Eclipse的代碼提示功能如圖6所示。

圖6 Eclipse代碼提示功能

3.2 STM32時(shí)鐘配置

STM32時(shí)鐘配置：使用外部8 MHz晶振；系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK為72 MHz；外設(shè)時(shí)鐘HCLK為72 MHz；外圍總線APB1為36 MHz；外圍總線APB2為72 MHz。STM32在系統(tǒng)時(shí)鐘為72 MHz下的工作穩(wěn)定可靠，運(yùn)算速度較快，其時(shí)鐘配置函數(shù)可直接調(diào)用庫函數(shù)SystemInit()即可完成上述時(shí)鐘配置。

3.3 調(diào)光器裝置試驗(yàn)

基于STM32F103ZET6開發(fā)板進(jìn)行調(diào)光器的驗(yàn)證試驗(yàn)，設(shè)置LED燈調(diào)光級(jí)為1 000，即m=1 000，單片機(jī)從電位器采集的AD數(shù)據(jù)每50個(gè)作為一個(gè)樣本，設(shè)置比例系數(shù)k=0.5，1，2，進(jìn)行3次調(diào)光器試驗(yàn)，如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果表明PWM隨著電位器的調(diào)節(jié)而有不同的輸出，在調(diào)光級(jí)為1 000時(shí)，LED燈具有光滑的亮暗變化。

圖7 調(diào)光器試驗(yàn)板

試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示，當(dāng)比例系數(shù)k發(fā)生變化時(shí)，電位器的控制電壓范圍和LED電位值也會(huì)發(fā)生變化:k=0.5時(shí)，電位器控制電壓為0～3.3 V，LED電位值為0～1.5 V；k=1時(shí)，電位器控制電壓為0～3.3 V，LED電位值為0～3.3 V；k=2時(shí)，電位器控制電壓為0～1.5 V，LED電位值為0～3.3 V。這與式(5)、式(6)建立的比例線性模型是吻合的。

表1 調(diào)光器試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

基于STM32的PWM多級(jí)調(diào)光器，將電位器與LED相對(duì)地隔離開來，從而可以保證LED的有效功率，降低串聯(lián)電阻的功耗。式(4)表明了調(diào)光器的調(diào)光級(jí)數(shù)只與PWM的一個(gè)周期值m有關(guān)，通過設(shè)置m的值可獲得m級(jí)調(diào)光。試驗(yàn)程序在Eclipse環(huán)境下進(jìn)行編寫，在1 000級(jí)調(diào)光的試驗(yàn)結(jié)果中，表明了LED具有平滑的亮暗變化。該裝置設(shè)計(jì)思想同樣可應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速，臺(tái)燈、路燈等的調(diào)光等，實(shí)現(xiàn)弱電控制到強(qiáng)電執(zhí)行的變換。