第四章：定时器与PWM——硬件定时器配置、PWM原理、呼吸灯实验

各位同学，今天我们来聊聊嵌入式开发里两个非常基础但又极其重要的东西——定时器和PWM。说实话，我刚开始学单片机那会儿，觉得定时器就是个“倒计时”的工具，PWM就是“调亮度”的。但后来做项目多了才发现，这两个东西的玩法远比想象中丰富。

嗯，咱们先从定时器讲起。

4.1 硬件定时器：不只是“计时”那么简单

ESP32内部有多个硬件定时器，每个定时器都是独立的64位计数器。你想想看，64位意味着什么？2^64次方，这个数字大到几乎不可能溢出。我在做工业控制项目时，就特别喜欢用这个特性来做长时间的精确定时，不用像8位单片机那样频繁处理溢出中断。

4.1.1 定时器的核心参数

配置一个定时器，说白了就是告诉它三件事：

• 分频系数（divider）：ESP32的主频通常是80MHz或240MHz，你得先分频到合适的频率。我个人习惯用80分频，这样每个计数单位就是1微秒，计算起来特别方便。
• 计数方向：向上计数还是向下计数？大部分场景用向上计数，从0开始加到目标值。
• 自动重载：计到目标值后，是停下来还是自动重新开始？做周期性任务时一定要开启自动重载。

4.1.2 代码实战：配置一个1ms中断定时器

来看一段实际代码。这个例子我经常用在按键消抖和LED扫描中：

#include "esp_timer.h"
#include "driver/timer.h"

// 定时器配置结构体
timer_config_t config = {
    .divider = 80,          // 80分频，1计数=1us
    .counter_dir = TIMER_COUNT_UP,
    .counter_en = TIMER_PAUSE,
    .alarm_en = TIMER_ALARM_EN,
    .auto_reload = TIMER_AUTORELOAD_EN,
};

void timer_init(void) {
    // 初始化定时器0
    timer_init(TIMER_GROUP_0, TIMER_0, &config);
    
    // 设置计数器初始值
    timer_set_counter_value(TIMER_GROUP_0, TIMER_0, 0);
    
    // 设置报警值：1000计数 = 1ms
    timer_set_alarm_value(TIMER_GROUP_0, TIMER_0, 1000);
    
    // 注册中断服务
    timer_isr_callback_add(TIMER_GROUP_0, TIMER_0, timer_isr_handler, NULL, 0);
    
    // 启动定时器
    timer_start(TIMER_GROUP_0, TIMER_0);
}

// 中断回调函数
bool IRAM_ATTR timer_isr_handler(void *args) {
    static uint32_t tick_count = 0;
    tick_count++;
    // 这里可以放你的定时任务
    return true;
}

4.2 PWM原理：从“开关”到“模拟”的魔法

PWM，全称是脉冲宽度调制。说白了，就是通过快速开关信号，让负载感受到一个“平均”的效果。你想想看，LED灯如果以极快的速度亮灭，人眼是看不出来的，只会觉得亮度变了。

这里有几个关键参数：

• 频率：每秒开关多少次。控制LED时，频率要高于100Hz，不然会看到闪烁。我一般用1kHz以上。
• 占空比：高电平时间占整个周期的比例。0%就是全灭，100%就是全亮。
• 分辨率：占空比可以调节的精细程度。8位分辨率就是0-255共256级。

4.3 呼吸灯实验：从理论到实践

好了，理论知识讲完了，咱们来做个好玩的——呼吸灯。这个实验我每次教新人都必做，因为它完美展示了定时器和PWM的配合使用。

4.3.1 实验原理

呼吸灯的效果就是LED从暗到亮，再从亮到暗，循环往复。实现思路很简单：

1. 用定时器产生一个周期性的中断，比如每10ms一次。
2. 每次中断里，改变PWM的占空比。
3. 占空比从0逐渐增加到255，再从255逐渐减小到0。

4.3.2 完整代码实现

#include "driver/ledc.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"

#define LED_GPIO      2
#define PWM_CHANNEL   LEDC_CHANNEL_0
#define PWM_TIMER     LEDC_TIMER_0

// PWM配置
ledc_channel_config_t ledc_channel = {
    .channel    = PWM_CHANNEL,
    .duty       = 0,
    .gpio_num   = LED_GPIO,
    .speed_mode = LEDC_HIGH_SPEED_MODE,
    .timer_sel  = PWM_TIMER,
};

ledc_timer_config_t ledc_timer = {
    .duty_resolution = LEDC_TIMER_8_BIT,  // 8位分辨率
    .freq_hz         = 1000,               // 1kHz频率
    .speed_mode      = LEDC_HIGH_SPEED_MODE,
    .timer_num       = PWM_TIMER,
};

void breath_led_task(void *pvParameters) {
    int duty = 0;
    int direction = 1;  // 1:增加, -1:减少
    
    // 初始化PWM
    ledc_timer_config(&ledc_timer);
    ledc_channel_config(&ledc_channel);
    
    while(1) {
        // 设置占空比
        ledc_set_duty(ledc_channel.speed_mode, ledc_channel.channel, duty);
        ledc_update_duty(ledc_channel.speed_mode, ledc_channel.channel);
        
        // 改变占空比
        duty += direction * 5;  // 每次变化5级，让呼吸更平滑
        
        // 边界判断
        if(duty >= 255) {
            duty = 255;
            direction = -1;
        } else if(duty <= 0) {
            duty = 0;
            direction = 1;
        }
        
        // 延时30ms
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(30));
    }
}

void app_main(void) {
    xTaskCreate(breath_led_task, "breath_led", 2048, NULL, 5, NULL);
}

4.3.3 避坑指南

做这个实验时，我遇到过几个常见问题：

• LED不亮：检查GPIO引脚是否正确，ESP32的GPIO2默认是板载LED，但有些开发板可能不同。
• 呼吸不平滑：占空比变化步长太大，建议用3-5的步长，配合30-50ms的延时。
• 频率太低看到闪烁：PWM频率至少设到500Hz以上，我一般用1kHz。

4.4 本章小结

这一章我们学了：

• ESP32硬件定时器的配置方法，包括分频、计数方向、自动重载等关键参数。
• PWM的工作原理，频率、占空比、分辨率三者的关系。
• 通过呼吸灯实验，把定时器和PWM结合起来使用。

说实话，定时器和PWM是嵌入式开发里最常用的外设之一。你以后做电机控制、LED调光、音频输出，甚至通信协议模拟，都离不开它们。建议你把今天的代码自己动手跑一遍，然后试着改改参数，看看效果有什么变化。

下一章我们会讲中断系统，到时候你会看到定时器和中断是如何完美配合的。嗯，今天就到这里，有问题随时问我。