STM32HAL 快速入门（三十八）：定时器 PWM 输出实现三色灯控制

摘要：本文介绍了如何使用STM32HAL库通过定时器PWM输出控制三色LED灯。主要内容包括PWM基础概念、定时器PWM输出原理、CubeMX配置步骤及代码实现。重点讲解了有效电平和占空比的概念，分析了定时器计数器(CNT)、自动重载寄存器(ARR)和捕获比较寄存器(CCR)的工作原理。通过CubeMX配置TIM2定时器生成三通道PWM波，并详细说明了关键参数计算方法。最后提供了完整的驱动代码实现

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1638人浏览 · 2025-09-24 09:00:00

Hello_Embed · 2025-09-24 09:00:00 发布

STM32HAL 快速入门（三十八）：定时器 PWM 输出实现三色灯控制

一、前言

大家好，这里是 Hello_Embed。上两篇我们用定时器实现了高精度计时，而定时器的另一核心功能 ——PWM 脉冲输出，在嵌入式开发中应用更广：从 LED 亮度调节、电机调速，到舵机角度控制，都离不开 PWM。
本次我们以 “PWM 控制三色灯” 为实战场景，先理解 PWM 的基本概念和定时器输出 PWM 的原理，再通过 CubeMX 配置和代码编写，实现红、绿、蓝三色切换，掌握定时器 PWM 输出的核心流程。后续若需扩展到 “呼吸灯”“混色效果”，只需在此基础上调整占空比即可。

二、主体

2.1 PWM 基础概念：有效电平与占空比

在写代码前，先明确两个核心概念，这是理解 PWM 控制逻辑的前提：

2.1.1 有效电平

有效电平是指 “能让硬件元器件工作的电平”。以本次实验的三色灯为例：当 PA0、PA1、PA2 引脚输出低电平时，对应的红、绿、蓝 LED 会发光（具体需看硬件电路设计），因此 “低电平” 就是该三色灯的有效电平。

2.1.2 占空比

PWM（脉宽调制）是 “高低电平周期性交替的波形”，占空比决定了有效电平在一个周期内的占比，公式如下：占空比 = 有效电平持续时间 / PWM 周期 × 100%

若占空比为 100%：一个周期内全是有效电平，LED 最亮；
若占空比为 0%：一个周期内全是无效电平，LED 熄灭；
若占空比在 0%~100% 之间：LED 亮度随占空比增大而增强（因电平切换频率高于人眼视觉暂留，看不到闪烁，只能感知亮度变化）。

2.2 定时器 PWM 输出原理：从硬件图看核心模块

要生成规律的 PWM 波形，需依赖定时器的 “计数器（CNT）、自动重载寄存器（ARR）、捕获比较寄存器（CCR）”，结合芯片手册的硬件图理解更直观：
请添加图片描述

2.2.1 核心模块作用（聚焦右侧输出部分）

计数器（CNT）：从 0 开始向上累加，每接收一个时钟脉冲加 1，直到达到 “自动重载值（ARR）” 后清零，循环往复（与上一篇计时逻辑一致）；
自动重载寄存器（ARR）：决定 PWM 周期 T——CNT 从 0 到 ARR 的时间就是一个周期，ARR 越大，周期越长；
捕获比较寄存器（CCR）：决定占空比 —— 以 “PWM 模式 1” 为例：
- 当 CNT ≤ CCR 时，输出有效电平；
- 当 CNT > CCR 时，输出无效电平；
- CCR 值越大，有效电平占比越高（占空比越大）；
多通道支持：图中可见 4 个比较寄存器（CCR1~CCR4），对应 4 个 PWM 输出通道（CH1~CH4），可同时控制 4 个设备（本次用 TIM2 的 CH1~CH3 控制三色灯）。

2.3 CubeMX 配置：TIM2 生成三通道 PWM

本次实验用 TIM2 输出 PWM，控制三色灯的红（PA2）、绿（PA1）、蓝（PA0）引脚，配置步骤需重点关注 “时钟源、通道选择、分频与 ARR 计算”。

2.3.1 基础配置

时钟源选择：进入 Connectivity → TIM2，选择 Internal Clock（内部时钟，即 APB1 时钟）；
通道模式配置：将 TIM2 的 Channel 1、Channel 2、Channel 3 均设置为 PWM Generation CHx（PWM 输出模式），截图如下：

2.3.2 关键参数计算：分频值（PSC）与自动重载值（ARR）

PWM 频率需匹配硬件需求：查资料得知，LED 对 PWM 频率的敏感范围在 2kHz 左右（频率过低会有闪烁，过高无意义），因此目标频率设为 2kHz。已知条件：

TIM2 挂载在 APB1 总线上，系统时钟 72MHz，APB1 Timer 时钟频率 = 72MHz（APB1 预分频为 2 时，Timer 时钟翻倍，此处默认配置为 72MHz）；
频率公式：PWM 频率 = 时钟频率 / [(PSC + 1) × (ARR + 1)]。

先确定目标：频率 = 2kHz，时钟频率 = 72MHz，代入公式得：(PSC + 1) × (ARR + 1) = 72MHz / 2kHz = 36000；
若先取 ARR + 1 = 2000（即 ARR = 1999）—— 这样一个周期内有 2000 个脉冲，级数足够多（2000 级），利于后续亮度细腻调节；
则 PSC + 1 = 36000 / 2000 = 18，即 PSC = 17；
若取 ARR = 99（级数 100），会因级数太少导致亮度变化不明显，因此最终确定：PSC = 17，ARR = 1999。

2.3.3 最终 TIM2 配置

Prescaler（分频值）：17；
Counter Mode：Up（向上计数）；
Counter Period（ARR 值）：1999；
Polarity（极性）：Low（低电平有效，匹配三色灯的有效电平）；
其他参数默认，配置截图如下：

2.3.4 GPIO 配置

TIM2 的 Channel 1~3 对应引脚默认是 PA0~PA2（芯片引脚定义），无需手动修改，CubeMX 会自动配置为 “复用推挽输出”。

2.4 代码实现：三色灯驱动与控制

新建 driver_color_led.c 和 driver_color_led.h，实现 “初始化” 和 “颜色设置” 两个核心函数，代码仅添加注释解释关键步骤。

2.4.1 头文件声明与宏定义

// driver_color_led.h
#ifndef __DRIVER_COLOR_LED_H
#define __DRIVER_COLOR_LED_H

#include "stm32f1xx_hal.h"

// 声明 TIM2 句柄（在 CubeMX 生成的 tim.c 中定义）
extern TIM_HandleTypeDef htim2;

// 宏定义：三色灯对应 TIM2 通道（红→CH3，绿→CH2，蓝→CH1）
#define COLOR_LED_R TIM_CHANNEL_3
#define COLOR_LED_G TIM_CHANNEL_2
#define COLOR_LED_B TIM_CHANNEL_1

// 函数声明
void ColorLED_Init(void);                  // 三色灯初始化（启动 PWM）
void ColorLED_SetColor(uint32_t color);    // 设置三色灯颜色（参数格式：0x00RRGGBB）

#endif

2.4.2 三色灯初始化函数（启动 PWM）

// driver_color_led.c
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "driver_color_led.h"

/**
 * @brief  三色灯初始化函数
 * @note   启动 TIM2 的 CH1~CH3 通道 PWM 输出，需在 MX_TIM2_Init() 后调用
 * @param  无
 * @retval 无
 */
void ColorLED_Init(void)
{
    // 启动 TIM2 通道 3（红灯）的 PWM 输出
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, COLOR_LED_R);
    // 启动 TIM2 通道 2（绿灯）的 PWM 输出
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, COLOR_LED_G);
    // 启动 TIM2 通道 1（蓝灯）的 PWM 输出
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, COLOR_LED_B);
}

2.4.3 颜色设置函数（配置占空比）

颜色参数格式为 0x00RRGGBB（RR = 红亮度，GG = 绿亮度，BB = 蓝亮度，范围 0x00_{0xFF），需将亮度值（0}255）转换为 CCR 值（0~1999），核心是 CCR = 亮度值 × 1999 / 255（因 ARR=1999，总级数 2000）。

/**
 * @brief  三色灯颜色设置函数
 * @param  color：颜色值，格式为 0x00RRGGBB（RR/GG/BB 范围 0x00~0xFF，对应亮度 0~255）
 * @retval 无
 * @note   通过配置 TIM2 各通道 CCR 值，调整占空比，实现亮度控制
 */
void ColorLED_SetColor(uint32_t color)
{
    // 定义 PWM 配置结构体（红、绿、蓝分别配置）
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC_R = {0};
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC_G = {0};
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC_B = {0};

    // -------------------------- 红灯配置（TIM2 CH3）--------------------------
    sConfigOC_R.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;        // PWM 模式 1：CNT ≤ CCR 输出有效电平
    // 计算红灯 CCR 值：RR 亮度（0~255）转换为 CCR（0~1999）
    sConfigOC_R.Pulse = ((color >> 16) & 0xff) * 1999 / 255;
    sConfigOC_R.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_LOW; // 低电平有效（匹配红灯硬件）
    sConfigOC_R.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE; // 禁用快速模式
    // 配置 TIM2 通道 3
    if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC_R, COLOR_LED_R) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    // -------------------------- 绿灯配置（TIM2 CH2）--------------------------
    sConfigOC_G.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    // 计算绿灯 CCR 值：GG 亮度（0~255）转换为 CCR（0~1999）
    sConfigOC_G.Pulse = ((color >> 8) & 0xff) * 1999 / 255;
    sConfigOC_G.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_LOW;
    sConfigOC_G.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    // 配置 TIM2 通道 2
    if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC_G, COLOR_LED_G) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    // -------------------------- 蓝灯配置（TIM2 CH1）--------------------------
    sConfigOC_B.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    // 计算蓝灯 CCR 值：BB 亮度（0~255）转换为 CCR（0~1999）
    sConfigOC_B.Pulse = ((color >> 0) & 0xff) * 1999 / 255;
    sConfigOC_B.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_LOW;
    sConfigOC_B.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    // 配置 TIM2 通道 1
    if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC_B, COLOR_LED_B) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

2.4.5 main 函数调用：实现颜色切换

#include "driver_color_led.h"
#include "driver_timer.h"  // 包含 mdelay 函数（上一篇实现的延时）

int main(void)
{
    // 1. 初始化 HAL 库和 TIM2（CubeMX 自动生成）
    HAL_Init();
    MX_TIM2_Init();  // 初始化 TIM2 的 PWM 配置（分频、ARR、通道模式等）

    // 2. 初始化三色灯（启动 PWM 输出）
    ColorLED_Init();

    // 3. 循环切换颜色（红→绿→蓝，每 1000ms 切换一次）
    while (1)
    {
        ColorLED_SetColor(0xFF0000);  // 红色：RR=0xFF，GG=0x00，BB=0x00
        mdelay(100);                 // 延时 1000ms（1秒）
        
        ColorLED_SetColor(0x00FF00);  // 绿色：RR=0x00，GG=0xFF，BB=0x00
        mdelay(100);
        
        ColorLED_SetColor(0x0000FF);  // 蓝色：RR=0x00，GG=0x00，BB=0xFF
        mdelay(100);
    }
}

2.5 测试现象

烧录程序后，三色灯按 “红色→绿色→蓝色” 循环切换，延时为 100ms，可观察到快速闪烁的颜色切换效果。实验截图如下
请添加图片描述

三、结尾

本次实验通过 TIM2 的 PWM 输出功能，成功实现了三色灯的颜色控制，核心是掌握 “ARR 决定周期、CCR 决定占空比” 的规律，以及 CubeMX 中 PWM 参数的计算与配置。至此，STM32HAL 快速入门系列暂告一段落 —— 我们从 UART、I2C、SPI 通信，到 OLED 显示、SPI Flash 存储，再到定时器计时与 PWM 输出，覆盖了嵌入式开发的核心基础模块。
后续若学习新模块（如 ADC、DAC、中断嵌套等），会继续更新该系列。接下来，我计划做一个简单项目，将本系列学到的模块知识整合应用，进一步巩固实战能力。关注**Hello_Embed**，我们共同进步！