TA的每日心情 | 无聊
2018-11-16 10:48 |
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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：
(原文件名:120611_0.png) 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）。
(原文件名:120611_1.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
1 #include
2 #include "my_type.h"
3 #include "hw_config.h"
4
5
6 void main(void)
7 {
8 u8 i = 0;
9
10 //使能独立LED的供电，即LEDS6输出低电平
11 LEDEN = 0;
12 ADDR0 = 0;
13 ADDR1 = 1;
14 Addr2 = 1;
15 Addr3 = 1;
16
17 //第一个LED亮
18 P0 = 0xFE;
19
20 while(1)
21 {
22 for(i=0; i<250; i++)
23 {
24 IF(i<10)
25 {
26 P0 &= 0xFD; //第二个灯亮
27 }
28 else
29 {
30 P0 |= 0x02; //第二个灯灭
31 }
32 }
33 }
34 }
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）。
(原文件名:120611_2.png) 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
1 #include
2 #include "hw_config.h"
3 #include "my_type.h"
4
5
6 //亮度级别表
7 code u8 LightLevel[8]={0,1,2,4,8,16,32,64};
8
9 void main(void)
10 {
11 u8 i = 0;
12 u8 j = 0;
13 u8 k = 0;
14 u8 temp = 0;
15
16 //使能独立LED的供电，即LEDS6输出低电平
17 LEDEN = 0;
18 ADDR0 = 0;
19 ADDR1 = 1;
20 ADDR2 = 1;
21 ADDR3 = 1;
22
23 //开始全灭
24 P0 = 0xFF;
25
26 while(1)
27 {
28 //P0端口输出8组占空比不同的PWM
29 for(i=0; i<64; i++)
30 {
31 for(j=0; j<8; j++)
32 {
33 if(LightLevel[j] <= i)
34 {
35 temp |= (1<<j);
36 }
37 else
38 {
39 temp &= ~(1<<j);
40 }
41 }
42
43 P0 = temp;
44 }
45 }
46 }
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：
(原文件名:120611_3.png) 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
1 #include
2 #include "hw_config.h"
3 #include "my_type.h"
4
5 //亮度级别表
6 code u8 LightLevel[8]={0,1,2,4,8,16,32,64};
7
8 //水滴时间，实现加速效果
9 code u8 LightTime[16]={16,15,14,13,12,11,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1};
10
11
12 void main(void)
13 {
14 u8 i,j,k;
15 u8 temp,count;
16 u8 state;
17
18 //使能独立LED的供电，即LEDS6输出低电平
19 LEDEN = 0;
20 ADDR0 = 0;
21 ADDR1 = 1;
22 ADDR2 = 1;
23 ADDR3 = 1;
24
25 while(1)
26 {
27 //开始全灭
28 P0 = 0xFF;
29
30 //---------------水滴逐渐变大（第一个LED亮度逐渐变大）---------
31 for(i=0; i<64; i++)
32 {
33 //一个亮度级别发送64个脉冲
34 for(j=0; j<64; j++)
35 {
36 P0 = 0xFE;
37 //以i为亮度级别，随着i的增大，占空比增大
38 for(k=0; k<64; k++)
39 {
40 if(k > i)
41 {
42 P0 = 0xFF;
43 }
44 }
45 }
46 }
47
48 //----------------------水滴降落过程---------------------
49 for(state=0; state<16; state++)
50 {
51 //每一状态维持LightTime[state]个脉冲
52 for(count=0; count<=LightTime[state]; count++)
53 {
54 //temp记录8个LED的状态，0代表亮，1代表灭
55 temp = 0x00;
56
57 //一个脉冲长度j从0到63
58 for(j=0; j<64; j++)
59 {
60 //根据亮度表，依次确定8个LED当前状态，亮或灭
61 for(k=0; k<8; k++)
62 {
63 //以j为亮度级别，每个LED亮度不一样
64 if(LightLevel[k] == j)
65 {
66 temp |= (1 << k);
67 }
68 }
69
70 if(state <= 7)
71 {
72 P0 = ~((~temp) >> (7-state));
73 }
74 else
75 {
76 P0 = ~((~temp) << (state-7));
77 }
78 }
79 }
80 }
81 }
82 }
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：
(原文件名:120611_4.png) 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：
(原文件名:120611_5.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：
(原文件名:120611_6.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
1 #include
2 #include "hw_config.h"
3 #include "my_type.h"
4
5
6 //亮度级别表
7 code u8 LightLevel[8]={1,2,4,8,16,28,50,64};
8
9 //函数声明
10 void timer0_init(void);
11
12 void main(void)
13 {
14 //使能独立LED的供电，即LEDS6输出低电平
15 LEDEN = 0;
16 ADDR0 = 0;
17 ADDR1 = 1;
18 ADDR2 = 1;
19 ADDR3 = 1;
20
21 timer0_init();
22
23 while(1)
24 {
25 }
26 }
27
28 /**********************************************************
29 函数名称：timer0_init
30 功 能：初始化定时器0
31 **********************************************************/
32 void timer0_init(void)
33 {
34 TMOD = 0x01; //运行模式1
35 TH0 = 0xFF; //10us中断
36 TL0 = 0xFA;
37 EA = 1; //开启中断
38 ET0 = 1;
39 TR0 = 1; //启动定时器
40
41 }
42
43 /************************************************************
44 函数名称：timer0_oveRFlow
45 功 能：定时器0溢出中断
46 ************************************************************/
47 void timer0_overflow(void) interrupt TIMER0_OVERFLOW
48 {
49 u8 i,temp = 0;
50 static u8 count = 0;
51
52 count++;
53 count %= 64;
54
55 for(i=0; i<8; i++)
56 {
57 if(LightLevel <= count)
58 {
59 temp |= (1<<i);
60 }
61 else
62 {
63 temp &= ~(1<<i);
64 }
65 }
66
67 P0 = temp;
68
69 TR0 = 0;
70 TH0 = 0xFF; //重新赋值
71 TL0 = 0xF7;
72 TR0 = 1;
73 }
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
1 #include
2 #include "hw_config.h"
3 #include "my_type.h"
4
5
6 //亮度级别表
7 code u8 LightLevel[8]={1,2,4,8,16,32,50,64};
8
9 //函数声明
10 void timer0_init(void);
11
12 void main(void)
13 {
14 //使能控制点阵的译码器
15 LEDEN = 0;
16 ADDR3 = 0;
17
18 timer0_init();
19
20 while(1)
21 {}
22 }
23
24 /*****************************************************************
25 函数名称：timer0_init
26 功 能：初始化定时器0
27 *****************************************************************/
28 void timer0_init(void)
29 {
30 TMOD = 0x01; //运行模式1
31 TH0 = 0xFF; //中断时间10us
32 TL0 = 0xF7
33 EA = 1; //开启中断
34 ET0 = 1;
35 TR0 = 1; //启动定时器
36 }
37
38 /*****************************************************************
39 函数名称：timer0_overflow
40 功 能：定时器0溢出中断
41 *****************************************************************/
42 void timer0_overflow(void) interrupt TIMER0_OVERFLOW
43 {
44 u8 i;
45 u8 p1_value = 0;
46 static u8 state = 0; //点阵状态（扫描行数）
47 static u8 count = 0;
48
49 TR0 = 0;
50
51 count++;
52 if(count == 64)
53 {
54 state++;
55 state %= 8;
56 count = 0;
57 }
58
59 if(count < LightLevel[state])
60 {
61 P0 = 0x00;
62 }
63 else
64 {
65 P0 = 0xFF;
66 }
67
68 p1_value = P1 & 0xf8;
69 p1_value |= state;
70 P1 = p1_value;
71
72 TH0 = 0xFF; //重新赋值
73 TL0 = 0xFA;
74 TR0 = 1;
75 }
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：
(原文件名:120611_7.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
1 #include
2 #include "hw_config.h"
3 #include "my_type.h"
4
5 //频谱波形表
6 code u8 Wave[16][8]=
7 {
8 {0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFE,0xBB,0xFE,0xAA},
9 {0xFF,0xFF,0xFF,0xFE,0xFB,0xAE,0xFA,0xAA},
10 {0xFF,0xFF,0xFF,0xFE,0xEB,0xBE,0xEA,0xAA},
11 {0xFF,0xFF,0xFE,0xFB,0xAF,0xFE,0xAA,0xAA},
12 {0xFF,0xFE,0xFB,0xBE,0xEA,0xBA,0xAA,0xAA},
13 {0xFF,0xFE,0xBB,0xEE,0xBA,0xBA,0xAA,0xAA},
14 {0xFE,0xBB,0xEE,0xBA,0xAA,0xAA,0xAA,0xAA},
15 {0xBA,0xEF,0xBE,0xAA,0xAA,0xAA,0xAA,0xAA},
16 {0xEE,0xBB,0xFE,0xAA,0xAA,0xAA,0xAA,0xAA},
17 {0xEE,0xBB,0xFE,0xEA,0xAA,0xAA,0xAA,0xAA},
18 {0xFE,0xEB,0xBE,0xFE,0xAA,0xAA,0xAA,0xAA},
19 {0xFF,0xEE,0xBB,0xFF,0xAE,0xAA,0xAA,0xAA},
20 {0xFF,0xFE,0xAF,0xFB,0xEE,0xAA,0xAA,0xAA},
21 {0xFF,0xFF,0xFE,0xBB,0xEF,0xBA,0xAA,0xAA},
22 {0xFF,0xFF,0xFF,0xFE,0xAB,0xFF,0xEE,0xAA},
23 {0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFE,0xEB,0xBE,0xAA}
24 };
25
26 //亮度级别表
27 code u8 LightLevel[8]={1,2,4,8,16,32,50,64};
28
29 //函数声明
30 void timer0_init(void);
31
32 void main(void)
33 {
34 //使能控制点阵的译码器
35 LEDEN = 0;
36 ADDR3 = 0;
37
38 timer0_init();
39
40 while(1)
41 {
42 }
43 }
44
45 /*****************************************************************
46 函数名称：timer0_init
47 功 能：初始化定时器0
48 *****************************************************************/
49 void timer0_init(void)
50 {
51 TMOD = 0x01; //运行模式1
52 TH0 = 0xFF; //10us中断
53 TL0 = 0xFA;
54 EA = 1; //开启中断
55 ET0 = 1;
56 TR0 = 1; //启动定时器
57
58 }
59
60 /*****************************************************************
61 函数名称：timer0_overflow
62 功 能：定时器0溢出中断
63 *****************************************************************/
64 void timer0_overflow(void) interrupt TIMER0_OVERFLOW
65 {
66 u8 i;
67 u8 p1_value = 0;
68 static u8 state = 0; //点阵状态（扫描行数）
69 static u8 count = 0;
70
71 static u8 wave_state = 0; //波形状态
72 static u16 wave_count = 0;
73
74 TR0 = 0;
75
76 //每中断1000次，改变波形状态
77 wave_count++;
78 if(wave_count == 1000)
79 {
80 wave_count = 0;
81 wave_state++;
82 wave_state %= 16;
83 }
84
85 //每中断64次，改变扫描的行
86 count++;
87 if(count == 64)
88 {
89 state++;
90 state %= 8;
91 count = 0;
92 }
93
94 if(count < LightLevel[state])
95 {
1 P0 = Wave[wave_state][state];
2 }
3 else
4 {
5 P0 = 0xFF;
6 }
7
8 //输出位码
9 p1_value = P1 & 0xf8;
10 p1_value |= state;
11 P1 = p1_value;
12
13 //定时器重新赋值
14 TH0 = 0xFF;
15 TL0 = 0xF7;
16 TR0 = 1;
17 }
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。
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发表于 2020-6-5 10:00:30
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