HAL库教程10：定时器的PWM模式应用

怼烎@ 2022-02-19 08:17 772阅读 0赞

本节通过定时器的PWM模式驱动无源蜂鸣器，来演奏一段音乐。本博客在掌机的系列教程中介绍过蜂鸣器的驱动原理，感兴趣的可以参考[电子琴][Link 1]

## 无源蜂鸣器驱动电路 ##

蜂鸣器按照有无震荡源（不是电源），可以分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。有源蜂鸣器上电就能工作，控制简单，但是只有一个音调。无源蜂鸣器需要单片机提供震荡源，虽然控制稍微复杂一点，但是可以发出不同频率的声音。  
![在这里插入图片描述][20190416092136140.png]

## PWM原理 ##

根据我们的电路，引脚输出高电平时，驱动电路为蜂鸣器提供了闭合回路，则引脚给高电平，蜂鸣器就能响。然而，只给高电平，无源蜂鸣器不能持续发出声音，只有一瞬间有声音；需要马上给低电平，然后再给一个高电平。即在一个很短的周期内，无源蜂鸣器在高电平持续期间工作，在低电平持续期间休息。周期的倒数就是频率。  
  无源蜂鸣器可以用高电平持续的时间调整音量，在一个周期中，高电平持续的时间越长，蜂鸣器声音越大；高电平持续的时间越短，蜂鸣器的声音越小。

STM32的定时器自带PWM输出模式。为了方便理解PWM，我们想象一个场景：语文老师、数学老师和体育老师带着小白和小黑两个小朋友在玩游戏。语文老师说一个数字x；数学老师负责从0数到x，数到x以后再从0开始，周而复始；体育老师负责说出一个数字y，如果数学老师报的数字比y小，则小白要举手，否则小白把手放下；直到数学老师报数跟y一样大，小白才把手放下，同时小黑举起手来。但是小黑要时刻注意，如果数到最大的数字时，就要做好准备放下手，因为接下来的数字是0。  
  例如语文老师说的数字是9，数学老师说的数字是6，即x=9，y=6，那么在一个游戏周期内，小白和小黑举手的情况如下：

通过这个例子，我们来重新理解定时器输出PWM的一些概念：  
  语文老师报的数字是9，9就是自动重装值（AutoReload），代表计数周期（Counter Period）。  
  数学老师从0数到9，所以称数学老师报的数字是计数值（counter）。9就是最大周期，由于从0开始计数，故一共数了10个数字。数学老师数数的速度，由时钟（84Mhz）和分频（Prescaler）决定。  
  体育老师说的数字是6，6就叫做比较值（compare），比较值除以自动重装值得到占空比，6÷10=60%就是占空比。  
  在PWM模式1下，小白举手代表引脚输出高电平，小白举手时间占总时间的比例，就是占空比。小黑举手就是引脚输出低电平。PWM模式2与1逻辑相反。  
在PWM驱动蜂鸣器的案例中，语文老师报的数字，由音调的频率决定；体育老师报的数字，可以控制音量。小白与小黑是不是需要举手，无需写判断语句，  
STM32定时器PWM模式可以自动判断计数值与比较值什么时候相等。

## 使用CubeMX配置定时器为PWM模式 ##

![在这里插入图片描述][20190416092223918.png]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95YXRhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
在定时器2的初始化代码中，增加开启定时器PWM模式的代码

static void MX_TIM2_Init(void)
    { 
      /* USER CODE BEGIN TIM2_Init 2 */
        HAL_TIM_PWM_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_1);
      /* USER CODE END TIM2_Init 2 */
    }

## 从音调与音量到定时器的设置 ##

音调与频率是对应的。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95YXRhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
我们先写一个函数，用于根据音调与音量，设置定时器。思路如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95YXRhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
  溢出时间 = （自动重装值+1）/12000000，频率是时间的倒数，音调与频率有关，所以知道音调（频率）以后，可用以下方法计算自动重装值：  
  Autoreload=(12000000/usFraq)-1; //频率变为自动重装值  
  在无声时，让counter与0比较，counter始终大于0，则引脚电平始终为低，蜂鸣器不会响，即可以达到静音的目的。  
  比较值决定音量，比较值要比自动重装值小，可以用后者乘以小于1的系数得到。实际上把自动重装值右移也是让比较值小于自动重装值的一个方法，效果更好一点。因为即便只有10%的占空比，蜂鸣器还是很响。  
  新建Beep.h用于存放宏定义，新建Beep.c编写演奏函数。

//Beep.c
    /** * @brief 根据频率让蜂鸣器发出声音 * @param 频率，音量 * @note 音量建议范围2~10，2是最大，10几乎听不清了 * @retval None */    
    void Beep_Sound(unsigned short usFraq,unsigned char volume_level)   //usFraq是发声频率，即真实世界一个音调的频率。
    { 
        u16 Autoreload;
        if((usFraq<CL1)||(usFraq>20000))//太低与太高的频率都当做无声
        { 
            __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2,TIM_CHANNEL_1,0);//音量
            __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim2,0);
        }
        else
        { 
            Autoreload=(12000000/usFraq)-1;  //频率变为自动重装值，设置的定时器时钟源为12Mhz
            __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim2,Autoreload);
            __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2,TIM_CHANNEL_1,Autoreload>>volume_level);//音量
            __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim2,0);//在不使用缓冲的情况下，必须把计数值清零，否则可能出现计数值大于自动重装值以后，必须数到最大值的情况
        }
    }

**注意，修改完ARR以后，必须手动清零计数器！**  
  然后主函数响几个音符：

//main() 
      while (1)
      { 
        Beep_Sound(CM1,6);
        HAL_Delay(200);
        Beep_Sound(CM2,6);
        HAL_Delay(200);
        Beep_Sound(CM3,6);
        HAL_Delay(200);
        Beep_Sound(CM1,6);
        HAL_Delay(200);
        Beep_Sound(0,6);
        HAL_Delay(200);
      }

下载程序，应当可以听到“两只老虎，两只老虎”循环播放。  
  程序只要稍加修改，就能演奏音乐了。可以参考[演奏音乐][Link 2]与[背景音乐][Link 3]

[Link 1]: https://blog.csdn.net/geek_monkey/article/details/87164530%22%3Ehttps://blog.csdn.net/geek_monkey/article/details/87164530
[20190416092136140.png]: /images/20220219/01a359eb5d174719a2407701817f4637.png
[20190416092223918.png]: /images/20220219/12fe19d9583c4d93a4659bdde584adc0.png
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[Link 2]: https://blog.csdn.net/geek_monkey/article/details/87258575%22%3Ehttps://blog.csdn.net/geek_monkey/article/details/87258575
[Link 3]: https://blog.csdn.net/geek_monkey/article/details/87283580