第5回 PWM制御(4) 〜PWM機能を実装する〜

今回は、基礎編で製作したタイマープログラムにPWM機能を実装します。

実装する内容

前回までに、PWM制御方法を二通り確認しました。一つは、__delay_us()を使用して時間制御を含めて全てプログラムで制御する方法、もう一つは、PICマイコンのPWM制御機能を使って制御する方法です。

タイマープログラムにPWM機能を実装するのは、ちょっと無理矢理感がありますが、そこをなんとか実装してみようと思います。

実装は「タイマーで時間が来たらブザーを鳴らすと同時にLEDをスムーズに点滅させる」という内容にします。

基礎編で製作したタイマーは、時間が来るとブザーを鳴らし、LEDを点灯させる、という動作でした。この「LEDを点灯させる」という部分を「PWM機能を使ってスムーズに点滅させる」という動作に変更します。

実装仕様

せっかくPICマイコンのPWM制御方法を確認しましたので、その方法で実装します。実装仕様としては以下のように点滅制御させることにします。

• PWMの周期は1ms
• LEDの明るさの制御は、デューティ比を5%〜100%の間で変えることにより行う
• デューティ比は1ms毎に0.1%ずつ変える。5%→100%まで1ms毎に0.1%ずつ大きくし、100%→5%まで1ms毎に0.1%ずつ小さくする、という動作を繰り返す

なお、デューティー比は0%〜100%で変化させても良いと思います。5%から開始しているのは特に意味はありませんので、一度動作させてみてご自分の好きな点灯パターンで調整してみてください。

プログラム

前回、PWM制御方法を詳しく説明しましたので、この動作プログラムは特に詳しい説明は必要ないと思います。特にデューティ比の設定、

/*
 * File:   main.c
 * 変更履歴
 *    2016.11.20: スイッチ制御部分を追加
 *    2016.12.05: 時間計測とブザー制御部分を追加
 *    2017.01.15: 設定時間が来たらLEDをPWM制御に変更
 */

#include <xc.h>

// PIC12F1822 Configuration Bit Settings
// CONFIG1
#pragma config FOSC = INTOSC    // Oscillator Selection (INTOSC oscillator: I/O function on CLKIN pin)
#pragma config WDTE = OFF       // Watchdog Timer Enable (WDT disabled)
#pragma config PWRTE = OFF      // Power-up Timer Enable (PWRT disabled)
#pragma config MCLRE = OFF      // MCLR Pin Function Select (MCLR/VPP pin function is digital input)
#pragma config CP = OFF         // Flash Program Memory Code Protection (Program memory code protection is disabled)
#pragma config CPD = OFF        // Data Memory Code Protection (Data memory code protection is disabled)
#pragma config BOREN = ON       // Brown-out Reset Enable (Brown-out Reset enabled)
#pragma config CLKOUTEN = OFF   // Clock Out Enable (CLKOUT function is disabled. I/O or oscillator function on the CLKOUT pin)
#pragma config IESO = OFF       // Internal/External Switchover (Internal/External Switchover mode is disabled)
#pragma config FCMEN = OFF      // Fail-Safe Clock Monitor Enable (Fail-Safe Clock Monitor is disabled)
// CONFIG2
#pragma config WRT = OFF        // Flash Memory Self-Write Protection (Write protection off)
#pragma config PLLEN = OFF      // PLL Enable (4x PLL disabled)
#pragma config STVREN = OFF     // Stack Overflow/Underflow Reset Enable (Stack Overflow or Underflow will not cause a Reset)
#pragma config BORV = LO        // Brown-out Reset Voltage Selection (Brown-out Reset Voltage (Vbor), low trip point selected.)
#pragma config LVP = OFF        // Low-Voltage Programming Enable (High-voltage on MCLR/VPP must be used for programming)


// クロック周波数指定
// __delay_ms()関数が使用する
#define _XTAL_FREQ 1000000

void main(void) {

    // PICマイコン設定
    OSCCON = 0b01011010;  // 内部クロック周波数を1MHzに設定
    ANSELA = 0b00000000;  // すべてのピンをデジタルモードに設定
    TRISA  = 0b00001000;  // すべてのピンを出力モードに設定(ただしRA3ピンは常に入力モード)
    
    // 変数宣言
    unsigned short timer;   // 時間計測
    unsigned short duty;    // PWMのデューティーサイクル

    // LEDを点灯する
    LATA5 = 1;
    
    // ブザーをOFFにする
    LATA4 = 0;

    // スイッチが押されるまで待つ
    while(RA3){
    }
        
    // LED点滅処理(3秒間繰り返す)
    for(timer=0; timer<3; timer++){
        // LEDを950ms消灯する
        LATA5 = 0;
        __delay_ms(950);
        // LEDを50ms点灯する
        LATA5 = 1;
        __delay_ms(50);            
    }
    
    // ブザーをONにする
    LATA4 = 1;

    // LEDをPWM制御してスムーズな点滅制御をする
    // PWM機能のピン割り当て設定
    APFCONbits.CCP1SEL = 1;     // PWM機能をRA5ピンに設定
    CCP1CONbits.CCP1M = 0b1100; // PWM機能を有効、active-highに設定
    CCP1CONbits.P1M = 0b00;     // RA2ピンはGPIOに設定

    // 周期(1ms)とデューティーサイクル(0.5ms)の設定
    T2CONbits.T2CKPS = 0b00;    // プリスケーラを1:1に設定
    PR2 = 249;                  // 周期を1msに設定 (249 + 1) x 4 x 1us = 1000us = 1ms
    CCPR1L = 500/4;             // デューティーサイクルを0.5msに設定
    CCP1CONbits.DC1B = 500;

    // PWM制御スタート
    T2CONbits.TMR2ON = 1;

    // LEDをPWM制御
    // デューテー比は10%〜100%の制御にする
    while(1) {
        // 5% -> 100%の制御
        for(duty=50; duty<=1000; duty++) {
            CCPR1L = duty / 4;          // 上位8ビット
            CCP1CONbits.DC1B = duty;    // 下位2ビット
            __delay_ms(1);
        }
        // 100% -> 5%の制御
        for(duty=1000; duty>=50; duty--) {
            CCPR1L = duty / 4;          // 上位8ビット
            CCP1CONbits.DC1B = duty;    // 下位2ビット
            __delay_ms(1);
        }

    }
    
    // 以下の命令は実行されない
    return;

}

動作確認

プログラムをビルドしてPICマイコンに書き込んで動作確認しましょう。

ところで、LEDの明るさの変化をよくみると、確かにLEDの発光がだんだん明るくなったり暗くなったりしていますが、なんとなく、すぐに明るくなって、しばらく明るい期間が続き、急に暗くなる、というような動作に見えるかもしれません。

これは、例えばデューティー比が50%の場合、確かに明るさは半分になっているはずなのですが、人間の目にはLEDの明るさが半分になったようには見えないためです。人間の目は明るい方の変化はそれほど感じませんが、暗い方の変化は敏感に感じるようになっています(数学的に説明すると、対数的な感度を持っていて、これは視覚だけではなく、聴覚も同じです)。

LEDのPWM制御は1次関数でデューティー比を制御していますが、人間の目の感度は対数関数であるため、ズレが生じています。

動作確認するとは言っても、目視では正しくPWM制御できているかわかりません。そこで、今回もオシロスコープ(電圧の波形の測定装置)でRA5ピンの電圧を確認しました。

PWM制御ではデューティー比を1ms毎に変えていますので、どのように変化しているか、今回は動画をアップしますので確認してみてください。

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