基于Arduino的PWM与红外信号处理

一、基本概念

1. 脉宽调制

PWM（Pulse Width Modulation）即脉宽调制，是一种通过调节信号的占空比来控制电路的技术。 在 PWM 技术中，信号的周期保持不变，但是信号的占空比可以随时间变化而改变。 当信号的占空比为 0% 时，表示信号一直处于低电平状态； 当占空比为 100% 时，表示信号一直处于高电平状态； 而在占空比为中间值时，信号将以一定的频率在低电平和高电平之间切换。

在电路应用中，PWM 技术常用于控制电机的转速、控制 LED 的亮度和颜色、实现音频数字化等方面。 例如，在控制 LED 亮度时，可以通过调节 PWM 信号的占空比来控制 LED 的亮度，占空比越大，LED 灯亮度越高，反之亦然。

在微控制器中，通过定时器和计数器等硬件模块，可以实现高精度的 PWM 信号输出。 许多单片机和嵌入式系统都提供了 PWM 功能，并且在软件层面提供了相应的 API 和库函数，方便开发者使用。 在使用 PWM 技术时，需要根据具体的应用场景选择合适的 PWM 频率和分辨率，以及合适的占空比范围和切换速率，以达到最优的控制效果。

2. ESP8266 的 PWM功能

ESP8266 是一款高度集成的 Wi-Fi SoC 芯片，内部集成了许多硬件模块，其中包括一个灵活的 PWM 控制器，即 LEDC（LED 控制器）。 LEDC 可以用于实现高精度的 PWM 输出，适用于控制 LED 的亮度、颜色和闪烁等效果。

ESP8266 的 LEDC 控制器可实现同频率、不同占空比的PWM波形输出。 LEDC 模块的主要特点包括：

• 高精度：LEDC 支持高达 20 位的 PWM 分辨率，可实现非常精细的 PWM 控制。
• 多路输出：LEDC 可以同时控制多达 16 个 PWM 通道，满足多路 PWM 输出的需求。
• 灵活配置：LEDC 可以配置不同的 PWM 频率和分辨率，以适应不同的应用场景。
• 低成本：LEDC 是 ESP8266 芯片内置的硬件模块，使用 LEDC 功能无需外接任何外部元器件，节省了硬件成本。

在使用 ESP8266 的 PWM 功能时，可以使用 ESP8266 的官方库文件 ESP8266WiFi.h 中提供的 LEDC 相关函数进行配置和控制。 例如，可以使用 ledcSetup() 函数来初始化 PWM 通道，并使用 ledcWrite() 函数来设置 PWM 占空比。 此外，ESP8266 的开发环境也提供了丰富的示例代码和库函数，方便开发者快速上手使用 PWM 功能。

要注意的是，GPIO1和GPIO3作为调试串口的TX和RX，一般不做PWM使用。

3. node-mcu 引脚图

4. 模拟写入

（1）模拟写入

要实现输出PWM信号，可以使用analogWrite()函数：

analogWrite(pin,value)
1

• pin：GPIO引脚
• value：默认0-1023
  当值为0时，该引脚禁用PWM。 值为1023时 占空比100%。

（2）修改频率 analogWriteFreq

analogWriteFreq(new_frequency);

（3）调节分辨率

可以用于调节模拟输出的 PWM 范围。
在 ESP8266 中，analogWriteRange() 函数用于设置 PWM 的分辨率。 默认情况下，ESP8266 的 PWM 分辨率为 10 位，即占空比范围为 0~1023。 通过调用 analogWriteRange() 函数，可以将 PWM 分辨率调节为 8 位或 9 位，以扩大或缩小 PWM 占空比范围。

二、使用analogWrite实现PWM

const int ledPin = 2; 

void setup() {
  
}

void loop() {
  // 增加LED亮度
  for(int dutyCycle = 0; dutyCycle < 1023; dutyCycle++){   
    // 通过PWM改变LED亮度
    analogWrite(ledPin, dutyCycle);
    delay(10);
  }

  // 降低LED亮度
  for(int dutyCycle = 1023; dutyCycle > 0; dutyCycle--){
    // 通过PWM改变LED亮度
    analogWrite(ledPin, dutyCycle);
    delay(10);
  }
}

三、发送红外信号

1. 红外通信原理

红外通信是一种无线通信方式，它通过发射红外线来传输数据或控制信号，通常用于红外遥控器、红外传感器等场景。

红外信号是一种电磁辐射，其频率在可见光波和微波之间，一般波长为0.75至1000微米，其中，可见光波长为0.38至0.78微米。 红外线被称为"热线"，因为物体温度越高，发射的红外线辐射就越多。

在红外通信中，通过对载波信号进行调制，将数字信号转换为红外信号，从而实现数据或控制信号的传输。 调制方式主要有两种：幅度调制和频率调制。

• 幅度调制：通过改变载波信号的幅度，将数字信号转换为红外信号。 在幅度调制中，通常用一个二进制信号来控制红外发射器的开关状态，从而实现传输数据。
• 频率调制：通过改变载波信号的频率，将数字信号转换为红外信号。 在频率调制中，常用的方式是将数字信号和一个固定的载波信号进行异或运算，从而得到一个频率变化的信号，用来控制红外发射器的开关状态，实现传输数据。

接收端通过红外接收器接收到红外信号，然后通过解调的方式提取出携带的数据或控制信号。 解调的过程就是将红外信号转化为电信号，然后提取出载波信号，再将其与一个固定的频率进行比较，从而恢复出原始的数字信号。

2. 载波频率

红外信号的载波频率（Carrier Frequency）指的是红外信号中用于携带信息的载波波形的频率。 在红外通信中，常用的载波频率一般在 20 kHz 到 50 kHz 之间。

将信息信号和载波信号进行调制后，就可以通过红外发射器将带有载波信号的红外信号发送出去。 接收器可以通过解调过程，将携带的信息信号提取出来。

在红外遥控器中，一般使用一定的载波频率进行通信。 这样可以提高通信的可靠性，同时也可以避免干扰，因为很少有其他的设备会使用相同的载波频率进行通信。

3. 发送周期

红外信号的发送周期是指一个完整的红外信号周期所需的时间。 在红外通信中，为了确保通信的可靠性，每一个红外信号周期中一般包含多个载波周期。 具体来说，发送周期包括两部分时间：载波周期和调制周期。

1. 载波周期：指载波信号一个完整的波形所需的时间，它是红外信号的基本单位。 在红外通信中，载波周期通常为一个固定的时间，一般在38kHz左右。
2. 调制周期：指一个完整的红外信号周期所需的时间，它包括了载波周期和数字信号的调制。 在红外通信中，调制周期的长度取决于传输的数据长度和传输速率。 一般来说，调制周期越长，传输速率就越慢，但是数据传输的可靠性会更高。

在红外遥控器中，每一个按键通常对应一个特定的红外信号，这个红外信号的发送周期一般是固定的，以确保遥控器能够正确地发送信号，并且接收器能够正确地解码信号。

4. 使用

（1）安装库

库开源地址：

https://github.com/crankyoldgit/IRremoteESP8266

（2）代码实现

#include 
#include 

IRsend irsend(4); // 初始化IRsend对象并设置输出引脚,GPIO4=D2

void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  delay(1000);
}

void loop()
{
  Serial.println("Sending IR signal...");
  irsend.sendSony(0xA90, 12); // 发送SONY红外信号，传输数据为0xA90，数据长度为12位
  delay(1000); // 等待1秒钟
}

5. 红外接收示例

#include 
#include 
#include 
#include 

// An IR detector/demodulator is connected to GPIO pin 14(D5 on a NodeMCU
// board).
// Note: GPIO 16 won't work on the ESP8266 as it does not have interrupts.
// Note: GPIO 14 won't work on the ESP32-C3 as it causes the board to reboot.
#ifdef ARDUINO_ESP32C3_DEV
const uint16_t kRecvPin = 10;  // 14 on a ESP32-C3 causes a boot loop.
#else  // ARDUINO_ESP32C3_DEV
const uint16_t kRecvPin = 14;
#endif  // ARDUINO_ESP32C3_DEV

IRrecv irrecv(kRecvPin);

decode_results results;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  irrecv.enableIRIn();  // Start the receiver
  while (!Serial)  // Wait for the serial connection to be establised.
    delay(50);
  Serial.println();
  Serial.print("IRrecvDemo is now running and waiting for IR message on Pin ");
  Serial.println(kRecvPin);
}

void loop() {
  if (irrecv.decode(&results)) {
    // print() & println() can't handle printing long longs. (uint64_t)
    serialPrintUint64(results.value, HEX);
    Serial.println("");
    irrecv.resume();  // Receive the next value
  }
  delay(100);
}