STC15单片机-通过PWM调整灯亮度

通过PWM调整灯亮度

学习经验

第一次去看STC15数据手册的CCP/PCA/PWM这一章时人都懵了，这到底是个啥玩意？首先是不懂为什么要叫这个名字，CCP/PCA/PWM是一个名字还是三个名字？后来不断百度，查了很多文章，知道了CCP是英文单词Capture（捕获），Compare（比较），PWM（脉宽调制）的缩写，三个分别是不同的功能，只不过都是通过同一个引脚输出或输入；而PCA是指可编程计数器阵列（Programmable counter array），也是英文缩写，内部有一个16位的计数器；PWM就是脉冲宽度调制了，就设置不同占空比控制LED亮度的那个PWM；

所以CCP/PCA/PWM就是几个功能组合在一起的名称，相当于一个模块的名称，是STC15比STC89单片机多出来的外设功能，只不过被集成到单片机内部里去了；

就比如说之前实现PWM调节直流电机的转速，是通过定时器计时，让一个变量a不断加1，然后在中断函数中与另一个变量b进行比较，如果变量b比变量a大，就输出高电平，如果变量b比变量a小，就输出低电平，这样就输出了一定频率的波形，就是PWM，而这次使用的STC15单片机，已经把PWM用电路实现了，不用再软件编程，只需要给里面的寄存器赋初值，单片机就会自动做比较并输出高低电平，而这个实现PWM输出的电路(或者说外设)就叫CCP/PCA/PWM；CCP/PCA和PCA意思是相同的，所以有时候直接简称这个外设为PCA。

然后这个外设又分为了3个模块，每个模块对应的引脚如下图所示，每个模块都能工作在4种模式，而每个模块都有自己的配置寄存器

后面就是想让哪一个模块工作，就配置该模块的寄存器，4种工作模式也是通过配置寄存器不同的参数进行选择的，多看几遍数据手册，慢慢就懂了

STC15型号单片机的CCP/PCA/PWM介绍（需要配合着官方数据手册查看）

PCA (全称是Programmable Counter Array**)可编程计数器阵列是STC单片机内部集成的外设**，很多场合是以CCP/PCA放在一起来描述，那么这里的CCP又代表什么意思呢？CCP是Capture（捕获）、Compare（比较）、PWM（脉宽调制）的简称，从这个简称中我们可以得知每一路CCP/PCA都可通过配置CCP/PCA相关寄存器使其工作在4种工作模式：上升/下降沿捕获、软件定时器、高速脉冲输出和可调脉冲输出(PWM)。

注：STC不同型号的单片机拥有的CCP/PCA资源不同，有的单片机有2路CCP/PCA，有的单片机有4路CCP/PCA，在使用时请注意查看。CCP/PCA和PCA意思是相同的，所以有时候直接简称这个外设为PCA。

STC8A8K64S4A12系列单片机集成了4路可编程计数器阵列PCA0、PCA1、PCA2和PCA3，该PCA模块包含了一个16位的定时/计数器，供4路相互独立的PCA使用。STC8A8K64S4A12系列单片机每一路PCA都有4个IO引脚供选择使用

注：独立GPIO表示开发板没有其他的电路使用这个GPIO，非独立GPIO说明开发板有其他电路用到了该GPIO。针对非独立GPIO使用时需特别注意。

PCA大致工作原理

PCA是一个具有捕获功能的16位定时器，高八位TH０，低八位TL０，CCON寄存器控制着定时器的计数与中断请求。

CR=１表示开始计数，CCON最低位加上CMOD的最低位可以控制产生中断。中断的向量是interrupt 7，进和中断时，必须首先将sbit CCF0 = CCON^0; //PCA 模块0 中断标志, 由硬件置位, 必须由软件清0。软件清0，再进行其它他操作

对于PCA计数阵列的计数频率则由CMOD的低三位控制，可以用此来控制计数频率，如以FOSC或分频计数均可。

每个PCA阵列均有两个模式控制寄存器，CCAPM0或1，它控制着PCA进行何种操作，如捕获，上升沿捕获，高速输出　，PWM输出，可以直接通过设置来设置PCA的需要完成的功能。

它有两个捕获模块，CCAP0H和CCAP0L：

当为PWM输出时，一般为8位PWM模式，PWM实现方法，因为是８位，CL基础计数器从0xFF递减到０x00,溢出后将CCAP0H的值加载到CCAP0L，若CL递减过程中，若大于CCAP0L，则输出高电平，否则为低电平。

当作为16位软件定时器时，那么就存放定时值，当计数器的值与CCAP0H和CCAP0L中的值相等时，产生表示计数时间到，可以产生中断去执行其它操作。

当作为捕获功能时，外部引脚，为STC60S2时，外部引脚为P1.3和P1.4，当外部引脚输入上升沿或下降沿触发时，将CL和CH的值捕获到CCAP0H和CCAP0L，完成捕获功能。

更详细的功能说明就只能看数据手册了

与CCP/PWM/PCA应用有关的特殊功能寄存器

比如本次实验要用到的是模块0的PWM功能，所以就可以设置如下图红框内的寄存器即可，模块1就配置CCAPM1等带有1的寄存器，模块2类似，每个寄存器有什么作用就查看数据手册

寄存器分类

公共：CCON、CMOD、CL、CH、AUXR1/P_SW1

模块0：CCAPM0、CCAP0L、CCAP0H、PCA_PWM0

模块1：CCAPM1、CCAP1L、CCAP1H、PCA_PWM1

模块2：CCAPM2、CCAP2L、CCAP2H、PCA_PWM2

模块0的PWM功能寄存器配置程序

#define CCP_S1  BIT5	//0010 0000
#define CCP_S0  BIT4   	//0001 0000

#define EPC0H   BIT1	//0000 0010
#define EPC0L   BIT0	//0000 0001
/*
* @name   PWM_Init
* @brief  PWM初始化
* @param  None
* @retval None   
*/
static void PWM_Init()
{
    //选择管脚，因为开发板的PWM灯接到了P3.5口
    //CCP_S1 = BIT5 = 0010 0000		~CCP_S1 = 1101 1111
    //把PCA功能切换到P3.5/CCP02口所在的管脚
    AUXR1 &= (~CCP_S1);  //第5位清零
    AUXR1 |= CCP_S0;	//第4位置1

    //标志位清零以及设置PCA的时钟源，禁止CCON中CF位的中断
    CCON = 0x00;	//CF、CR、CCF0位清零
    CMOD = 0x0C;  	//0000 1100  设置PCA时钟源  -> SYSclk/6；PWM频率 = SYSclk/6/256 = 7.2kHz

    //PCA的16位计数器，低8位的CL和高8位的CH
    CL = 0;	  //复位PCA计数器
    CH = 0;

    //ECOM0位置1，允许比较器功能开启，PWM0位置1，允许CCP0脚用作脉宽调节输出
    CCAPM0   = 0x42; //允许比较器功能，设置PWM模式
    //EBS0_1和EBS0_0都为0，设置PCA模块0工作8位PWM功能，EPC0H和EPC0L都为0
    PCA_PWM0 = 0x00; //PCA工作于8位PWM模式

    //设置系统上电默认亮度
    PCA_PWM0 &= (~EPC0H);	//0000 0010	-》 1111 1101	EPC0H设为0，EPC0L设为1
    CCAP0H = 204;	//CCAP0H = (1-想要设置的占空比)*255

    PCA_PWM0 &= (~EPC0L);	//0000 0001 -》	1111 1110	EPC0H设为1，EPC0L设为0
    CCAP0L = CCAP0H;

    CR = 1;		//开启PCA计数器，很重要，记得开启
}
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寄存器的配置顺序可以跟这个例子不同，最好按照上面那个寄存器大表格来配置，不容易遗漏，最后都要记得将CR位置1，开启PAC计数器功能

PWM占空比计算

占空比是指一个周期内高电平的持续时间，因为是CL与{EEC0L，CCAP0L[7:0]}进行比较，所以控制占空比大小就是设置{EEC0L，CCAP0L[7:0]}的值

公式：(255-{EEC0L，CCAP0L[7:0]}) / 255 *100% = 要设置的占空比

因为{EPC0H，CCAP0L[7:0]}的值是要装载到{EEC0L，CCAP0L[7:0]}中的，所以设置{EEC0L，CCAP0L[7:0]}的值也就是设置{EPC0H，CCAP0L[7:0]}的值

关于EPC0H与CCAP0H，EPC0L与CCAP0L组成9位数的问题

工作原理：

9位比较器比较的是9位数，{0，CL[7:0]}与{EPC0L，CCAP0L[7:0]}进行比较，CL由00H自增到FFH溢出时，{EPC0H，CCAP0H[7:0]}的内容装载到{EPC0L, CCAP0L[7:0]}中。

1.设置占空比为0%的情况

因为CL是会一直从00H到FFH的，即0 ~ 255，所以想让占空比为0，即一个周期内高电平的时间为0，也可理解为没出现过高电平，所以让{EPC0L，CCAP0L[7:0]}的值大于255即可

又因为CL计数溢出后，{EPC0H，CCAP0H[7:0]}的值会装载到{EPC0L, CCAP0L[7:0]}中，在程序中可以只初始化{EPC0H，CCAP0H[7:0]}的值，溢出时自动赋值给{EPC0L, CCAP0L[7:0]}，也可给{EPC0L, CCAP0L[7:0]}初始化，该初始值只会与CL做一遍比较，待CL溢出后就被覆盖了，所以初始化时还是以{EPC0H，CCAP0H[7:0]}的值为准，只不过比较时是{0，CL[7:0]}与{EPC0L，CCAP0L[7:0]}进行比较而已

当EPC0H为1时：{EPC0H，CCAP0H[7:0]}的取值范围是256 ~ 511，EPC0H和CCAP0H[7:0]分别装载到EPC0L和CCAP0L[7:0]后，EPC0L = 1，CCAP0L[7:0] = CCAP0H[7:0] ，取值范围也是256 ~ 511，所以再与CL进行比较，无论怎么样都大于CL，始终输出低电平

如果一处操作让EPC0H为1了，而在后续的操作中又没有把该位清0，将会导致后面无论怎么修改CCAP0H[7:0]的值都没用，改变不了占空比，PWM口只输出低电平

//因为EPC0H和CCAP0H要一起装载到EPC0L和CCAP0L中，当EPC0H初始化为1后，重装一次，EPC0H的值赋给了EPC0L，则EPC0L和CCAP0L组合起来的9位数，最高位都是1，如果后续不对EPC0L清零的话，则无论CCAP0L取任何值，都是会大于CL(0~255)的，所以会一直输出低电平，PWM灯不会亮
PCA_PWM0 |= (BIT1);
CCAP0H = 0xFF;
CCAP0L = 0xFF;	//不亮 1 1111 1111
CCAP0L = 0x00;	//不亮 1 0000 0000
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当EPC0H为0时：{EPC0H，CCAP0H[7:0]}的取值范围是0 ~ 255，装载到{EPC0L, CCAP0L[7:0]}后，取值范围也是0 ~ 255，因为(0,CL[7:0]) >= {EPC0L, CCAP0L[7:0]}时，都会输出高电平，{EPC0L, CCAP0L[7:0]}最多去到255，CL最多也是去到255，所以两者存在相等的情况，就会有高电平输出，虽然周期很小，但在快速执行多个周期时，高电平加起来的时间就比较多了，所以PWM灯会微微亮，但没有灭

除了让占空比为0的情况外，EPC0H在装载到EPC0L前都要为0，让{EPC0L, CCAP0L[7:0]}的取值范围在0 ~255之间，这样才能更改占空比，比如用按键控制不同的占空比，达到用PWM调节LED灯亮度的效果；每次装载前，EPC0H都要清0

//通过按键改变Temp_Value的值，根据Temp_Value设置的值修改占空比
PCA_PWM0 &= ~(BIT1); //~0000 0010  ->  1111 1101	即让EPC0H为0	EPC0H = 0,EPC0L = 1
CCAP0H = Temp_Value;
PCA_PWM0 &= ~(BIT0); //因为上一步将EPC0L位置1了，所以也让该位清0后，CCAP0H再赋值给CCAP0L,EPC0H = 0,EPC0L = 1
CCAP0L = CCAP0H;
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程序

文件结构

main.c -> 主函数文件，包含 main 函数等；

Public.c -> 公共函数文件，包含 Delay 延时函数等；

Sys_init -> 系统初始化函数，包含 GPIO 初始化函数等；

LED.c -> LED 外设函数，包含 LED 打开、关闭函数等；

Timer0.c -> 定时器函数，包含定时器初始化，中断函数等；

KEY1.c -> 按键 1 函数，包含按键检测，中断函数等；

KEY2.c -> 按键 2 函数，包含按键状态机检测函数等；

PWM.c -> PWM 初始化与亮度调节函数等；

public.h：

公共头文件中定义8个位，方便各函数调用

//定义枚举类型 -> BIT位
typedef enum
{
  BIT0 = (uint8_t)(0x01<<0),
  BIT1 = (uint8_t)(0x01<<1),
  BIT2 = (uint8_t)(0x01<<2),
  BIT3 = (uint8_t)(0x01<<3),
  BIT4 = (uint8_t)(0x01<<4),
  BIT5 = (uint8_t)(0x01<<5),
  BIT6 = (uint8_t)(0x01<<6),
  BIT7 = (uint8_t)(0x01<<7),
}BIT_t;
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PWM.h:

定义枚举类型和结构体类型

#ifndef __PWM_H_
#define __PWM_H_

//定义表示占空比的枚举类型
typedef enum
{
    Duty_0      = (uint8_t)0,
    Duty_20     = (uint8_t)20,
    Duty_40     = (uint8_t)40,
    Duty_60     = (uint8_t)60,
    Duty_80     = (uint8_t)80,
    Duty_100    = (uint8_t)100
}PWM_Value_t;

//定义结构体类型
typedef struct 
{
  PWM_Value_t Duty;
  void (*PWM_Init)();
  void (*PWM_LED_Adjust_Brightness)();
}PWM_t;

/* extern variables-----------------------------------------------------------*/
extern PWM_t PWM;
/* extern function prototypes-------------------------------------------------*/ 

#endif
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  End Of File
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PWM.c：

通过按键2实现调整PWM灯亮度的主要逻辑函数

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include 

/* Private define-------------------------------------------------------------*/
#define CCP_S1  BIT5
#define CCP_S0  BIT4   

#define EPC0H   BIT1
#define EPC0L   BIT0
/* Private variables----------------------------------------------------------*/
static void PWM_Init();
static void PWM_LED_Adjust_Brightness();
/* Public variables-----------------------------------------------------------*/
PWM_t PWM = {Duty_20,PWM_Init,PWM_LED_Adjust_Brightness};
/* Private function prototypes------------------------------------------------*/

/*
* @name   PWM_Init
* @brief  PWM初始化
* @param  None
* @retval None   
*/
static void PWM_Init()
{
    //选择管脚，因为开发板的PWM灯接到了P3.5口
    //将BIT5的CCP_S1清0，BIT4的CCP_S0置1，即可将CCP切换到P3.5管脚
    AUXR1 &= ~(CCP_S1); 
    AUXR1 |= (CCP_S0);

    //CCON里都是一些标志位，全置0即可
    /*CMOD 的BIT7置0，设置空闲模式下PAC计数器继续工作;BIT3、BIT2、BIT1置为110，
    系统时钟6分频，SYSclk/6*/
    CCON = 0x00;
    CMOD = 0x0C;

    //用于保存PCA装载值的16位计数器都清零
    CL = 0;
    CH = 0;

    //BIT6置1，允许比较器功能；BIT1置1，允许CCP0脚用作脉宽调节输出
    //PCA_PWM0的BIT7和BIT6置0，使模块工作于8位PWM模式，BIT1和BIT0的EPC0H和EPC0L清0
    CCAPM0 = 0x42;
    PCA_PWM0 = 0x00;

    //设置默认亮度，占空比20%
    //CCAP0H初值计算公式：CCAP0H = （1-要设置的占空比）*256
    PCA_PWM0 &= ~(EPC0H);   //EPC0H = 0,EPC0L = 1
    CCAP0H = 204;

    //将CCAP0H的值装载到CCAP0L中
    PCA_PWM0 &= ~(EPC0L);   //EPC0H = 1,EPC0L = 0
    CCAP0L = CCAP0H;
		
    CR = 1;
}

/*
* @name   PWM_LED_Adjust_Brightness
* @brief  PWM灯调整亮度
* @param  None
* @retval None   
*/
static void PWM_LED_Adjust_Brightness()
{
    uint8_t  Temp_Value = 0;
    if(KEY2.KEY_Flag == TRUE)
    {
        //单击 亮度 0-20-40-60-80-100-0 循环调节
        //双击 亮度 100
        //长按 亮度 0
        if(KEY2.Click == TRUE)
        {
            /*初始化时PWM.Duty的值为Duty_20，单击按下后，进入该switch语句
            PWM.Duty 被修改为Duty_40，占空比变量Temp_Value被赋值153，然后
            跳出switch语句，后面对CCAP0H赋值，输出占空比
            下次再单击按键，进入switch，匹配case Duty_40，所以PWM.Duty会
            再次被改变为Duty_60，占空比输出102即60%*/
            switch (PWM.Duty)
            {
              case Duty_0:    PWM.Duty = Duty_20;   Temp_Value = 204;break;
              case Duty_20:   PWM.Duty = Duty_40;   Temp_Value = 153;break;
              case Duty_40:   PWM.Duty = Duty_60;   Temp_Value = 102;break;
              case Duty_60:   PWM.Duty = Duty_80;   Temp_Value = 51;break;
              case Duty_80:   PWM.Duty = Duty_100;  break;
              case Duty_100:  PWM.Duty = Duty_0;    break;
              default: PWM.Duty = Duty_0; break;
            }
            //亮度调节
            //占空比为0%，全输出低电平，PWM灯灭
            if(PWM.Duty == 0)
            {
              PCA_PWM0 |= (EPC0H);
              CCAP0H = 0xFF;

              PCA_PWM0 |= (EPC0L);		//置1则表示9位数，加上CCAP0L最大去到511
              CCAP0L = CCAP0H;
            }
            //占空比为100%，全输出高电平，PWM灯全亮
            else if(PWM.Duty == 100)
            {
              PCA_PWM0 &= ~(EPC0H);
              CCAP0H = 0x00;
              PCA_PWM0 &= ~(EPC0L);
              CCAP0L = 0x00;
            }
            else
            {
                //根据Temp_Value设置的值修改占空比
               PCA_PWM0 &= ~(EPC0H);	//~0000 0010  ->  1111 1101	即让EPC0H为0
               CCAP0H = Temp_Value;
               PCA_PWM0 &= ~(EPC0L);	//因为上一步将BIT0，即EPC0L位置1了，所以也让该位清0后，CCAP0H再赋值给CCAP0L
               CCAP0L = CCAP0H;
            }
        }
        //检测双击
        else if(KEY2.Double_Click == TRUE)
        {
          PCA_PWM0 &= ~(EPC0H);
          CCAP0H = 0x00;
          PCA_PWM0 &= ~(EPC0L);
          CCAP0L = 0x00;
        }
        //检测长按
        else if(KEY2.Press == TRUE)
        {
          PCA_PWM0 |= (EPC0H);
          CCAP0H = 0xFF;
          PCA_PWM0 |= (EPC0L);
          CCAP0L = 0xFF;
        }
        //标志位清零
        KEY2.KEY_Flag     = FALSE;
        KEY2.Click        = FALSE;
        KEY2.Double_Click = FALSE;
        KEY2.Press        = FALSE;
    }
}

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Sys_Init.c:

调用PWM的初始化函数

/*
* @name   Sys_Init
* @brief  系统初始化
* @param  None
* @retval None   
*/
static void Sys_Init()
{
    Public.Delay_ms(10);
    Hradware.GPIO_Init();
    Hradware.Power_ON_indication();
    Timer0.Timer0_Init();
    Hradware.IE_Init();
    PWM.PWM_Init();
}
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main.c:

主函数中先进行PWM的初始化，然后不断轮询按键检测状态机和PWM调光函数

/*
* @name   main
* @brief  主函数
* @param  void	
* @retval int      
*/
int main(void)
{	
	//系统初始化
	Hradware.Sys_Init();
	//系统主循环
	while(1)
	{
		//按键检测
		//KEY1.KEY_Detect();
		KEY2.KEY_Detect();
		PWM.PWM_LED_Adjust_Brightness();
	}
}
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