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简介 学习嵌入式第一个例子通常都是控制一个 LED 亮灭，然后是花样繁多的流水灯，但不管灯的花样如何变化，单个 LED 的亮度没有变化，只有亮、灭两个状态，本章我们实现如何控制 LED 的亮度。 1 什么是 PWM脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称 PWM），是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术。在本章的应用中可以认为 PWM 就是一种方波。比如图 1： file:///C:\Users\杨磊\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsCB4D.tmp.jpg 图 1 方 波是周期为 10ms，占空比为 60%的 PWM。 占空比：高电平在一个周期之内所占的时间比率。 2 硬件设计在例说 51 单片机的第三章，我们讲过如何控制开发板上 LED 的亮灭。首先译码器输出端 LEDS6 为低，T10 导通，给 8 个 LED 供电，然后通过缓冲器 8 个输出端 BD0~BD7 的控制 LED 的亮灭（低亮高灭）。 file:///C:\Users\杨磊\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsCB6D.tmp.png 图 2 LED 硬件连接
如果 BD 口输出高低不断变化，则 LED 会闪烁；如果这种高低电平变化非常快，由于人的视觉暂留现象，LED 就会出现不同的亮度。 3 软件设计3.1 PWM 能否控制亮度 下面我们就用实践验证 PWM 是否能够控制 LED 的亮度，测试代码如下： 程序清单 L1： 验证 PWM 能否控制 LED 的亮度#include <reg52.h> #include "my_type.h" #include "hw_config.h" void main(void) { u8 i = 0; //使能独立 LED 的供电，即 LEDS6 输出低电平LEDEN = 0; ADDR0 = 0; ADDR1 = 1; ADDR2 = 1; ADDR3 = 1; //第一个 LED 亮P0 = 0xFE; while(1) { for(i=0; i<250; i++) //第 22 行 { if(i<10) { P0 &= 0xFD; //第二个灯亮 } else
{ P0 |= 0x02; //第二个灯灭 } } //第 32 行 } } L1(22-32) ：这段代码实现 P0.1 输出占空比为 96%的方波，而 P0.0 恒为低。 P0.1 输出如图 3 所示（受纸张限制，图中高低电平长度比例和实际有偏差）。 file:///C:\Users\杨磊\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsCB6E.tmp.jpg 图 3 下载验证：从开发板上可以看到运行效果，D1 比 D2 亮。（这里说明一点：当 P0 输出低电平时， LED 亮，所以，PWM 的占空比越小越亮）。 3.2 产生 8 个亮度级别3.1 节的例子证实了我们的设想，PWM 可控制 LED 的亮度，下面我们设计几组占空比不同的 PWM，看看对 LED 亮度的控制效果。代码如下： 程序清单 L2：不同占空比对 LED 亮度的控制#include <reg52.h> #include "hw_config.h" #include "my_type.h" //亮度级别表 code u8 LightLevel[8]={0,1,2,4,8,16,32,64}; void main(void) { u8 i = 0; u8 j = 0; u8 k = 0; u8 temp = 0;
//使能独立 LED 的供电，即 LEDS6 输出低电平LEDEN = 0; ADDR0 = 0; ADDR1 = 1; ADDR2 = 1; ADDR3 = 1; //开始全灭P0 = 0xFF; while(1) { //P0 端口输出 8 组占空比不同的 PWM for(i=0; i<64; i++) //第 29 行 { for( j=0; j<8; j++) { if(LightLevel[ j] <= i) {
} else { } } temp |= (1<<j); temp &= ~(1<<j);
P0 = temp; } } //第 45 行 } L2(29-45).此段程序是让 P0 口输出 8 组占空比不同的 PWM，如图 4：
file:///C:\Users\杨磊\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsCB8F.tmp.jpg 图 4 下载验证：从开发板上可以看到运行效果，从 D1 到 D8 的亮度逐渐增大。 3.3 水滴下落效果根据 PWM 可控制 LED 亮度的原理，我们用 8 个 LED 实现水滴下落的效果。第一步，水滴逐渐变大，用 D1 从暗变亮模拟；第二步，水滴下落，带有拖尾效果，LED 逐个亮，移动速度加快，且越靠前的 LED 亮度越大。 程序清单 L3 水滴流水灯#include <reg52.h> #include "hw_config.h" #include "my_type.h" //亮度级别表 code u8 LightLevel[8]={0,1,2,4,8,16,32,64}; //水滴时间，实现加速效果 code u8 LightTime[16]={16,15,14,13,12,11,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1}; void main(void) { u8 i,j,k;
u8 temp,count; u8 state; //使能独立 LED 的供电，即 LEDS6 输出低电平LEDEN = 0; ADDR0 = 0; ADDR1 = 1; ADDR2 = 1; ADDR3 = 1; while(1) { //开始全灭P0 = 0xFF; //---------------水滴逐渐变大（第一个 LED 亮度逐渐变大）--------- for(i=0; i<64; i++) { //一个亮度级别发送 64 个脉冲for( j=0; j<64; j++) { P0 = 0xFE; //以 i 为亮度级别，随着 i 的增大，占空比增大for(k=0; k<64; k++) { if(k > i) { P0 = 0xFF; } } } } //----------------------水滴降落过程--------------------- for(state=0; state<16; state++) {
//每一状态维持 LightTime[state]个脉冲for(count=0; count<=LightTime[state]; count++) { //temp 记录 8 个 LED 的状态，0 代表亮，1 代表灭temp = 0x00; //一个脉冲长度 j 从 0 到 63 for( j=0; j<64; j++) { //根据亮度表，依次确定 8 个 LED 当前状态，亮或灭for(k=0; k<8; k++) { //以 j 为亮度级别，每个 LED 亮度不一样 if(LightLevel[k] == j) { temp |= (1 << k); } } if(state <= 7) {
} else { } } } file:///C:\Users\杨磊\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsCB90.tmp.png} } } P0 = ~((~temp) >> (7-state)); P0 = ~((~temp) << (state-7));
L2(31-46).实现水滴变大效果，这段代码的作用可用图形表达，如图 5：
file:///C:\Users\杨磊\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsCB91.tmp.jpg 图 5 控制 D1 由暗变亮，用了 64 个亮度级别，每个级别发送 64 个脉冲。 L2(49-81).实现水滴下落。代码就不逐行解释了，大家可根据注释自己分析，主要说一下实现的方法。 定义 LED 有 8 个亮度级别，若用开发板上的 8 个 LED 表示，如图 6： file:///C:\Users\杨磊\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsCB92.tmp.png 图 6 图中的红色面积代表亮度程度。实现流水效果的方法就是：让所有的亮度依次经过在所有 LED， 如图 7：
file:///C:\Users\杨磊\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsCB93.tmp.png 图 7 状态的持续时间从 0-15 逐渐减小，以模拟水滴加速。下载验证：下载到开发板上，可以看到水滴下落效果。 3.4 定时器产生 PWM前面 3 个例子中，我们用循环语句虽然能产生占空比不同的 PWM，但 PWM 的周期不好控制，对此，我们学习如何用定时器产生特定周期 PWM。关于 8051 定时器的使用方法，大家可以参考例说 51 单片机的 4 章和 5 章。 我们用定时器 0 产生 PWM，代码如下： 程序清单 L4 定时器 0 产生 PWM#include <reg52.h> #include "hw_config.h" #include "my_type.h"
//亮度级别表 code u8 LightLevel[8]={1,2,4,8,16,28,50,64}; //函数声明 void timer0_init(void); void main(void) { //使能独立 LED 的供电，即 LEDS6 输出低电平LEDEN = 0; ADDR0 = 0; ADDR1 = 1; ADDR2 = 1; ADDR3 = 1; timer0_init(); while(1) { } } /********************************************************** 函数名称：timer0_init 功 能：初始化定时器 0 **********************************************************/ void timer0_init(void) { TMOD = 0x01; //运行模式 1 TH0 = 0xFF; //10us 中断TL0 = 0xFA; EA = 1; //开启中断ET0 = 1; TR0 = 1; //启动定时器
} /************************************************************ 函数名称：timer0_overflow 功 能：定时器 0 溢出中断 ************************************************************/ void timer0_overflow(void) interrupt TIMER0_OVERFLOW { u8 i,temp = 0; static u8 count = 0; count++; count %= 64; for(i=0; i<8; i++) { if(LightLevel <= count) {
} else { } } temp |= (1<<i); temp &= ~(1<<i);
P0 = temp; TR0 = 0; TH0 = 0xFF; //重新赋值TL0 = 0xF7; TR0 = 1; } L4(32).初始化定时器 0，没 10us 产生一次中断。 L4(55-65).控制输出 8 组不同占空比的 PWM。这段代码功能和程序清单 2 中的功 能一致。
下载验证：下载到开发板上，可以看到 D1 到 D8 亮度逐渐增大。 3.5 亮度不同的点阵学习了用定时器产生 PWM，我们可以控制更多的 LED，比如 LED 点阵的亮度。下面的例子实现 LED 点阵每行的亮度都不同。 程序清单 5 亮度不同的点阵 #include <reg52.h> #include "hw_config.h" #include "my_type.h" //亮度级别表 code u8 LightLevel[8]={1,2,4,8,16,32,50,64}; //函数声明 void timer0_init(void); void main(void) { //使能控制点阵的译码器 LEDEN = 0; ADDR3 = 0; timer0_init(); while(1) {} } /***************************************************************** 函数名称：timer0_init 功 能：初始化定时器 0 *****************************************************************/ void timer0_init(void) { TMOD = 0x01; //运行模式 1 TH0 = 0xFF; //中断时间 10us
/***************************************************************** 函数名称：timer0_overflow 功 能：定时器 0 溢出中断 *****************************************************************/ void timer0_overflow(void) interrupt TIMER0_OVERFLOW { u8 i; u8 p1_value = 0; static u8 state = 0; //点阵状态（扫描行数） static u8 count = 0; TR0 = 0; count++; if(count == 64) { state++; state %= 8; count = 0; } if(count < LightLevel[state]) {
} else { } P0 = 0x00; P0 = 0xFF;
p1_value = P1 & 0xf8; p1_value |= state; P1 = p1_value; TH0 = 0xFF; //重新赋值TL0 = 0xFA; TR0 = 1; } L5(28).初始化定时器，每 10us 中断一次。 L5(51-57).每中断 64 次，点阵扫描移动到下一行，用 state 记录当前行数。 L5(59-66).扫描每一行输出的 PWM 都不一样，使用的方式和处理独立 LED 一致。L5(68-70).输出点阵对应的位码。 下载验证：下载到开发板上，可以看到运行效果，点阵第一行最暗，越往下越亮。 3.6 点阵模拟音乐频谱分析效果在很多音乐播放软件上，都有频谱分析的图形，如图 8： file:///C:\Users\杨磊\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsCB94.tmp.png 图 8 我们用也可以模拟相似的图形，代码如下： 程序清单 6：点阵模拟音乐频谱分析#include <reg52.h> #include "hw_config.h" #include "my_type.h" // 频 谱 波 形 表 code u8 Wave[16][8]= { {0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFE,0xBB,0xFE,0xAA}, {0xFF,0xFF,0xFF,0xFE,0xFB,0xAE,0xFA,0xAA}, {0xFF,0xFF,0xFF,0xFE,0xEB,0xBE,0xEA,0xAA}, {0xFF,0xFF,0xFE,0xFB,0xAF,0xFE,0xAA,0xAA}, {0xFF,0xFE,0xFB,0xBE,0xEA,0xBA,0xAA,0xAA}, {0xFF,0xFE,0xBB,0xEE,0xBA,0xBA,0xAA,0xAA},
{0xFE,0xBB,0xEE,0xBA,0xAA,0xAA,0xAA,0xAA}, {0xBA,0xEF,0xBE,0xAA,0xAA,0xAA,0xAA,0xAA}, {0xEE,0xBB,0xFE,0xAA,0xAA,0xAA,0xAA,0xAA}, {0xEE,0xBB,0xFE,0xEA,0xAA,0xAA,0xAA,0xAA}, {0xFE,0xEB,0xBE,0xFE,0xAA,0xAA,0xAA,0xAA}, {0xFF,0xEE,0xBB,0xFF,0xAE,0xAA,0xAA,0xAA}, {0xFF,0xFE,0xAF,0xFB,0xEE,0xAA,0xAA,0xAA}, {0xFF,0xFF,0xFE,0xBB,0xEF,0xBA,0xAA,0xAA}, {0xFF,0xFF,0xFF,0xFE,0xAB,0xFF,0xEE,0xAA}, {0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFE,0xEB,0xBE,0xAA} }; //亮度级别表 code u8 LightLevel[8]={1,2,4,8,16,32,50,64}; //函数声明 void timer0_init(void); void main(void) { //使能控制点阵的译码器 LEDEN = 0; ADDR3 = 0; timer0_init(); while(1) { } } /***************************************************************** 函数名称：timer0_init 功 能：初始化定时器 0 *****************************************************************/ void timer0_init(void)
{ TMOD = 0x01; //运行模式 1 TH0 = 0xFF; //10us 中断TL0 = 0xFA; EA = 1; //开启中断ET0 = 1; TR0 = 1; //启动定时器 } /***************************************************************** 函数名称：timer0_overflow 功 能：定时器 0 溢出中断 *****************************************************************/ void timer0_overflow(void) interrupt TIMER0_OVERFLOW { u8 i; u8 p1_value = 0; static u8 state = 0; //点阵状态（扫描行数） static u8 count = 0; static u8 wave_state = 0; //波形状态static u16 wave_count = 0; TR0 = 0; //每中断 1000 次，改变波形状态wave_count++; if(wave_count == 1000) { wave_count = 0; wave_state++; wave_state %= 16; } //每中断 64 次，改变扫描的行
count++; if(count == 64) { state++; state %= 8; count = 0; } if(count < LightLevel[state]) {
} else { } P0 = Wave[wave_state][state]; P0 = 0xFF;
//输出位码 p1_value = P1 & 0xf8; p1_value |= state; P1 = p1_value; //定时器重新赋值 TH0 = 0xFF; TL0 = 0xF7; TR0 = 1; } L6(6).波形表，共 16 个状态，每个状态下有 8 个数据，即一个点阵界面。扫描点 阵时循环发送，实现动态效果。 L6(77-83).每中断 1000 次，更换一个状态。 L6(86-101).和 L5 的功能一致，只是点阵段码输出的数据变成了波形表。下载验证：下载程序到开发板，可以看到，点阵显示的频谱分析效果。
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