使用51單片機實現(xiàn)LED呼吸燈

【說在前面的話】

單片機技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)自動化、電子電氣及物聯(lián)網(wǎng)等的一門必不可少的主流技術(shù)。隨著人們生活智能化的提高，單片機技術(shù)也幾乎融入了我們生活的各個角落，比如智能電飯煲、智能音箱、等等。

由此，《 重學(xué)51單片機 》系列文章意在幫助初學(xué)者入門單片機技術(shù)。我們會從最簡單的點亮一個燈開始，一步一步實現(xiàn)按鍵、lcd1602、ds18b20、ds1302、雙機通信等模塊，同時，還會講一些硬件通信協(xié)議，比如uart、IIC、SPI等。并結(jié)合C語言的編程技巧，以實際的工程項目來給大家講解編程思路，讓大家靈活運用C語言的指針與結(jié)構(gòu)體，實現(xiàn)編程模塊化。

言歸正傳，接下來我們就開始進入今天的主題，用51單片機控制LED實現(xiàn)呼吸燈的效果。

【呼吸燈原理】

我們先看一下呼吸燈的效果下

呼吸燈就是先漸漸變亮再漸漸變暗，如此循環(huán)就像呼吸一樣?？墒菃纹瑱C的管腳要么輸出1（亮）要么輸出0（滅），怎么會有漸變的效果呢？

這就和我們的眼睛 觀看圖像會有滯留時間引起的 。當(dāng)我們在看東西時，眼睛成像后會滯留0.04s（這個標(biāo)準(zhǔn)是網(wǎng)上找的）。

我們按照0.04s計算，就等于40ms，也就是亮滅都是20ms時，看到的LED就是一直在亮。如下圖：

那LED 20ms亮20ms滅和一直常亮的效果一樣嗎？

哈哈，肯定是不一樣的。交替20ms亮20ms滅我們看到的效果要比一直常亮的效果暗。我們假設(shè)一直常亮的亮度為100%，那么交替20ms亮20ms滅的亮度就是50%，基于此， 我們就可以調(diào)節(jié)LED的亮度了 。如下圖

到此，我們就可以調(diào)節(jié)LED燈的亮度了（就是40ms內(nèi)設(shè)置高電平的持續(xù)時間），這個就是大名鼎鼎的PWM調(diào)節(jié)亮度的原理了，而設(shè)置高電平的持續(xù)時間就是調(diào)節(jié) 占空比 (即高電平的時間除以周期數(shù):20/40=50%)。

這里，我們 最重要的還是這個占空比， 比如周期是20ms，交替10ms亮10ms滅，我們看到的亮度還是50%（即占空比為10/20=50%）

接下來我們就看看程序怎么實現(xiàn)吧。

【程序?qū)崿F(xiàn)】

點亮一個LED

首先，我們先從點亮一個LED燈開始，然后再一步一步實現(xiàn)一個呼吸燈的效果。我們使用的硬件如下：

由原理圖我們知道，LED燈接到了單片機的P4^4腳，單片機輸出1，LED亮，輸出0，LED滅。由此，點亮一個LED的程序就很簡單了，如下

sbit LED1 = P4^4;
void LED_ON(){//LED亮
  LED1 = 1;
}
void LED_OFF(){//LED滅
  LED1 = 0;
}

點亮LED燈的程序還是很簡單，相信大家都會。

調(diào)節(jié)LED亮度

接下來我們就實現(xiàn)一個可以調(diào)節(jié)亮度的函數(shù)(即調(diào)節(jié)占空比)，如下

//調(diào)節(jié)LED亮度
void set_led_luminance(unsigned int pwm_duty_cycle)
{
    static unsigned int s_Counter = 0;//計時
    //調(diào)節(jié)占空比
    if (pwm_duty_cycle >= s_Counter) {
        LED_ON();
    } else {
        LED_OFF();
    }
    //計數(shù)器開始計時
    s_Counter++;
  if(s_Counter > 255){
    //40ms時間到，清零重新計時
    s_Counter = 0;
  }    
}
void main(){
  while(1){
    set_led_luminance(128);
  }
}

• 我們定義了一個靜態(tài)變量s_Counter作為 軟件定時器 ，s_Counter加到255后清零（這里相當(dāng)于是一個周期的時間40ms，當(dāng)然不是嚴(yán)格的40ms，只要周期小于40ms我們就看不到閃爍）
• 函數(shù)的參數(shù)就是我們要調(diào)節(jié)的占空比，比如傳入的是128，占空比為128/255=50%

現(xiàn)在有了設(shè)置LED亮度的函數(shù)，那怎么讓它漸漸變亮再漸漸變暗，實現(xiàn)呼吸燈的效果呢？

實現(xiàn)呼吸燈

這個也很簡單，我們只要給set_led_luminance函數(shù)傳的參數(shù)從0慢慢加到255然后再從255慢慢減到0就可以了，如下

void breath_led(void){
  static int duty_cycle = 0;  
  static char flag = 1;
  //設(shè)置亮度
  set_led_luminance(duty_cycle);
  if(flag == 1){//占空比增加
    duty_cycle++;
    if(duty_cycle > 255){//大于255開始減少
      duty_cycle = 255;
      flag = 0;
    }
  }else{//占空比減少
    duty_cycle--;
    if(duty_cycle < 0){//小于0開始增加
      duty_cycle = 0;
      flag = 1;
    }
  }
}
void main(){
  while(1){
    breath_led();
  }
}

• 定義一個靜態(tài)變量duty_cycle來保存占空比，當(dāng)flag為1時，占空比慢慢增加到255，然后把flag設(shè)置成0 ，duty_cycle再從255慢慢減為0，如此循環(huán)就可以了。

哈哈，到這里你是不是覺得呼吸燈已經(jīng)實現(xiàn)了， 然而，并不是 。不相信的同學(xué)可以自己試試上面的代碼哦。

那到底是哪里有問題呢？

這就是我們直接調(diào)用設(shè)置亮度的函數(shù)set_led_luminance()是有問題的，因為此函數(shù)執(zhí)行一個周期需要40ms，也就是在這40ms期間是不可以改變占空比的，否則可就調(diào)不了亮度了。再來看看breath_led函數(shù)，每次調(diào)用完set_led_luminance()函數(shù)設(shè)置占空比后就立即改變了duty_cycle的值，并沒有延時40ms。

此時，我們還需要再加一個軟件定時器，定時超過40ms后修改duty_cycle的值，修改后的程序如下

void breath_led(void){
  static unsigned int s_breathCounter = 0;
  static int duty_cycle = 0;  
  static char flag = 1;  
  //設(shè)置亮度
  set_led_luminance(duty_cycle);
  //計時器增加
  s_breathCounter++;
  //超過40ms
  if(s_breathCounter > 511){
    //計時器設(shè)置為0，重新計時
    s_Counter = 0;
    if(flag == 1){//占空比增加
      duty_cycle++;
      if(duty_cycle > 255){//大于255開始減少
        duty_cycle = 255;
        flag = 0;
      }
    }else{//占空比減少
      duty_cycle--;
      if(duty_cycle < 0){//小于0開始增加
        duty_cycle = 0;
        flag = 1;
      }
    }
  }
}

• 注意： 我們定時器的時間要大于40ms（也就是s_breathCounter的值要大于255）就可以， 但最好是周期的倍數(shù) ，比如我們的周期為255（即0 ~ 255共256個數(shù)），我們設(shè)置成它的兩倍即256*2-1=511（即0~511共512個數(shù)）。

到這里，我們的呼吸燈就制作好了，是不是很簡單(*￣︶￣)

接下來就是今天的彩蛋環(huán)節(jié)

雖然實現(xiàn)了呼吸燈的效果，但是代碼還是不夠簡潔和優(yōu)雅，用了一堆if和else，我們想辦法再簡化一下。

首先化簡set_led_luminance（）函數(shù)中的這一部分，如下圖所示

化簡之前，先講一個C語言的小知識，就是 按位與運算 。

1 & 0 = 0；
1 & 1 = 1；
0 & 0 = 0；
0 & 1 = 0；

由此，我們知道：不論是1還是0，和0做與運算都為0，

不論是1還是0，和1做與運算還是它本身 ，

為了方便計算，我們采用16進制數(shù)（即前面加0x），比如0xff對應(yīng)的十進制就是255；那么

一個小于等于0xff的數(shù)和0xff做與運算，結(jié)果還是它本身 ，如下

0x03 & 0xff = 0x03;
0xff & 0xff = 0xff;

那一個大于0xff的數(shù)和0xff做與運算呢？

0x100 & 0xff = 0x00;
0x1ff & 0xff = 0xff;

• 結(jié)果就是這個數(shù)除以（0xff+1）的余數(shù)（即結(jié)果還是在0~0xff之間）

有了這個與運算，上面的代碼就可以化簡為

s_Counter++;
s_Counter = s_Counter & 0xff;

• 這樣s_Counter的取值范圍就一直在0x00~0xff了

同樣的，上面breath_led函數(shù)中的軟件定時器也可以化簡一下，如下

//計時器增加
s_breathCounter++;
if (!(s_breathCounter & (0x1ff))) {
    duty_cycle++;
    duty_cycle &= 0x1ff;
}
if(duty_cycle > (0xff)){
  set_led_luminance(duty_cycle - (0xff));
}else{
  set_led_luminance( (0xff) - duty_cycle );
}

• 第3行，0x1ff就是十進制的511，當(dāng)s_breathCounter的值為（0x1ff+1）即512時條件成立，因為512&0x1ff=0，前面還有個感嘆號就是取非運算（準(zhǔn)確的說就是s_breathCounter的值為512的倍數(shù)時條件成立，這樣都省去了s_breathCounter清零的操作了，不知道給大家解釋清楚了沒，大家要多想想），條件成立則占空比開始增加或減少

• 那占空比的范圍不是0~ 255嗎，第5行怎么也變成0x1ff（511）了，別急,你再往下看第8行，我們又減去了0xff,所以占空比的范圍還是0~255

• 第7~ 10行代碼的意思為：當(dāng)duty_cycle > (0xff)時，即256~511，減去0xff，就相當(dāng)于從1增加到255，亮度漸漸變亮

  當(dāng)duty_cycle <= (0xff)時，即duty_cycle 從0增加到255，而設(shè)置的亮度為255 - duty_cycle ，相當(dāng)于從255降到0，亮度 漸漸變暗 ，這樣就實現(xiàn)了呼吸燈的效果。

哈哈，你以為我們的簡化就結(jié)束了嗎？

no，no，no

其實第7到10行還可以更簡單一些。此時就需要用到取絕對值的函數(shù)了。

什么，用絕對值干嘛？

你看第10行0xff- duty_cycle就相當(dāng)于duty_cycle - 0xff然后再取絕對值，好了，化簡后的代碼如下

set_led_luminance(ABS(duty_cycle - (0xff)));

取絕對值的宏函數(shù)如下

#define ABS(N) ((N) < 0 ? -(N) : (N))

最后我把整個化簡后的代碼也貼到下面

#define ABS(N)    ((N) < 0 ? -(N) : (N))
static void set_led_luminance(unsigned int pwm_duty_cycle)
{
    static unsigned int s_Counter = 0;
    if (pwm_duty_cycle >= s_Counter) {
        LED1 = 1;
    } else {
        LED1 = 0;
    }
    s_Counter++;
    s_Counter = s_Counter & 0xff;     
}
void breath_led(void){
  static unsigned int s_breathCounter = 0;
  static int duty_cycle = 0;  
  s_breathCounter++;
  if (!(s_breathCounter & (0x1ff))) {
    duty_cycle++;
    duty_cycle &= 0x1ff;
  }
  set_led_luminance(ABS(duty_cycle - (0xff)));
}
void main(){
  while(1){    
    breath_led();    
  }
}

怎么樣，是不是很簡潔(*￣︶￣)

好了，到這里今天的呼吸燈就講完了，想和我一起重學(xué)51單片機的同學(xué)記得 點贊+關(guān)注， 這會加速我對文章更新的速度哦