PWM脉冲宽度调制 树莓派Pico与ESP32开发板 MicroPython和C++示例【入门教程】

一：PWM介绍

1. 什么是PWM？

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制） 是一种通过改变数字信号的“高电平持续时间”来模拟连续电压的技术。由于单片机或微控制器的 GPIO 引脚通常只能输出两种状态高电平1，低电平0，如果想要调节 LED 亮度、电机转速或舵机角度等连续变化的量，直接输出数字信号是无法实现的。PWM 通过极高频率地快速切换高低电平，利用人眼的视觉暂留（或电机的机械惯性），实现等效的“模拟电压”输出。

PWM 通过快速切换引脚的高低电平来工作，周期：完成一次高低电平切换的时间，占空比：在一个周期内高电平所占的百分比，例如：50% 占空比表示高低电平各占一半时间，树莓派 Pico 上几乎所有 GPIO 引脚都可以配置为 PWM 输出，每个引脚都关联到一个 PWM 通道。

2. PWM核心参数

周期（Period, T）： 一次完整的“高电平 + 低电平”所持续的时间。

频率（Frequency, $f$ ）： 一秒内PWM信号重复次数，公式为 f=T1​ 在控制LED亮度时，频率通常设置为 100Hz～1000Hz以上，避免感知闪烁

占空比（Duty Cycle）： 在一个周期内，高电平持续时间占总周期时间的百分比。

0% 占空比：引脚全程输出 0V，LED 熄灭。

50% 占空比：一半时间 3.3V，一半时间 0V，等效平均电压为 $3.3\text{V} \times 50\% = 1.65\text{V}$，LED 半亮

100% 占空比： 引脚全程输出 3.3V，LED 最亮

二：树莓派Pico示例

控制led呼吸示例，可使用 MicroPython 内置的 machine.PWM 和 machine.Pin 类即可轻松实现呼吸灯（LED 亮度逐渐变亮再变暗）。默认对应接线： GPIO 25 是 Pico 板载的 LED，也可以外接 GPIO 其他引脚。占空比范围： MicroPython 的 PWM 占空比设为 16 位精度，数值范围是 0（0%）到 65535（100%）。

1. python代码

import time
from machine import Pin, PWM

# 初始化 PWM，使用板载 LED（GPIO 25）
# 如果使用的是 Pico W，可尝试使用 PWM(Pin("LED")) 或外接 GPIO 引脚
led_pwm = PWM(Pin(25))

# 设置 PWM 频率为 1000Hz (1kHz)
led_pwm.freq(1000)

try:
    while True:
        # 逐渐变亮：占空比从 0 增加到 65535
        for duty in range(0, 65536, 1000):
            led_pwm.duty_u16(duty)
            time.sleep_ms(15)

        # 逐渐变暗：占空比从 65535 减少到 0
        for duty in range(65535, -1, -1000):
            led_pwm.duty_u16(duty)
            time.sleep_ms(15)

except KeyboardInterrupt:
    # 退出时关闭 PWM 输出
    led_pwm.deinit()

三：ESP32示例

ESP32 拥有专用的 LEDC（LED Control） 硬件外设模块，支持高精度的 PWM 输出。在 Arduino ESP32 框架中，使用 ledcSetup、ledcAttachPin 和 ledcWrite 接口。

硬件引脚： 下面代码中使用 GPIO 2引脚来控制LED

分辨率设置： 设置为 8 位分辨率（8-bit），占空比数值范围是 0（0%）到 255（100%）。

1. C++代码

#include <Arduino.h>

// 定义使用的 GPIO 引脚
const int ledPin = 2; // ESP32 开发板板载 LED 通常在 GPIO 2

// PWM 参数配置
const int pwmChannel = 0;    // 使用 PWM 通道 0 (ESP32 有 16 个 independent 通道)
const int freq = 5000;       // 设置 PWM 频率为 5000Hz (5kHz)
const int resolution = 8;    // 设置分辨率为 8 位，即数值范围 0 - 255

void setup() {
  // 配置 PWM 通道、频率和分辨率
  ledcSetup(pwmChannel, freq, resolution);

  // 将 PWM 通道绑定到指定 GPIO 引脚
  ledcAttachPin(ledPin, pwmChannel);
}

void loop() {
  // 逐渐变亮：占空比从 0 增加到 255
  for (int dutyCycle = 0; dutyCycle <= 255; dutyCycle++) {
    ledcWrite(pwmChannel, dutyCycle);
    delay(10);
  }

  // 逐渐变暗：占空比从 255 减少到 0
  for (int dutyCycle = 255; dutyCycle >= 0; dutyCycle--) {
    ledcWrite(pwmChannel, dutyCycle);
    delay(10);
  }
}