使用51单片机实现LED呼吸灯

【说在前面的话】

单片机技术是现代工业自动化、电子电气及物联网等的一门必不可少的主流技术。随着人们生活智能化的提高，单片机技术也几乎融入了我们生活的各个角落，比如智能电饭煲、智能音箱、等等。

由此，《 重学51单片机 》系列文章意在帮助初学者入门单片机技术。我们会从最简单的点亮一个灯开始，一步一步实现按键、lcd1602、ds18b20、ds1302、双机通信等模块，同时，还会讲一些硬件通信协议，比如uart、IIC、SPI等。并结合C语言的编程技巧，以实际的工程项目来给大家讲解编程思路，让大家灵活运用C语言的指针与结构体，实现编程模块化。

言归正传，接下来我们就开始进入今天的主题，用51单片机控制LED实现呼吸灯的效果。

【呼吸灯原理】

我们先看一下呼吸灯的效果下

呼吸灯就是先渐渐变亮再渐渐变暗，如此循环就像呼吸一样。可是单片机的管脚要么输出1（亮）要么输出0（灭），怎么会有渐变的效果呢？

这就和我们的眼睛 观看图像会有滞留时间引起的 。当我们在看东西时，眼睛成像后会滞留0.04s（这个标准是网上找的）。

我们按照0.04s计算，就等于40ms，也就是亮灭都是20ms时，看到的LED就是一直在亮。如下图：

那LED 20ms亮20ms灭和一直常亮的效果一样吗？

哈哈，肯定是不一样的。交替20ms亮20ms灭我们看到的效果要比一直常亮的效果暗。我们假设一直常亮的亮度为100%，那么交替20ms亮20ms灭的亮度就是50%，基于此， 我们就可以调节LED的亮度了 。如下图

到此，我们就可以调节LED灯的亮度了（就是40ms内设置高电平的持续时间），这个就是大名鼎鼎的PWM调节亮度的原理了，而设置高电平的持续时间就是调节 占空比 (即高电平的时间除以周期数:20/40=50%)。

这里，我们 最重要的还是这个占空比， 比如周期是20ms，交替10ms亮10ms灭，我们看到的亮度还是50%（即占空比为10/20=50%）

接下来我们就看看程序怎么实现吧。

【程序实现】

点亮一个LED

首先，我们先从点亮一个LED灯开始，然后再一步一步实现一个呼吸灯的效果。我们使用的硬件如下：

开发板	零壹单片机培训开发板
单片机型号	STC89C52
LED接口	P4^4脚

由原理图我们知道，LED灯接到了单片机的P4^4脚，单片机输出1，LED亮，输出0，LED灭。由此，点亮一个LED的程序就很简单了，如下

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

点亮LED灯的程序还是很简单，相信大家都会。

调节LED亮度

接下来我们就实现一个可以调节亮度的函数(即调节占空比)，如下

//调节LED亮度
void set_led_luminance(unsigned int pwm_duty_cycle)
{
    static unsigned int s_Counter = 0;//计时
    //调节占空比
    if (pwm_duty_cycle >= s_Counter) {
        LED_ON();
    } else {
        LED_OFF();
    }
    //计数器开始计时
    s_Counter++;
  if(s_Counter > 255){
    //40ms时间到，清零重新计时
    s_Counter = 0;
  }    
}
void main(){
  while(1){
    set_led_luminance(128);
  }
}

• 我们定义了一个静态变量s_Counter作为 软件定时器 ，s_Counter加到255后清零（这里相当于是一个周期的时间40ms，当然不是严格的40ms，只要周期小于40ms我们就看不到闪烁）
• 函数的参数就是我们要调节的占空比，比如传入的是128，占空比为128/255=50%

现在有了设置LED亮度的函数，那怎么让它渐渐变亮再渐渐变暗，实现呼吸灯的效果呢？

实现呼吸灯

这个也很简单，我们只要给set_led_luminance函数传的参数从0慢慢加到255然后再从255慢慢减到0就可以了，如下

void breath_led(void){
  static int duty_cycle = 0;  
  static char flag = 1;
  //设置亮度
  set_led_luminance(duty_cycle);
  if(flag == 1){//占空比增加
    duty_cycle++;
    if(duty_cycle > 255){//大于255开始减少
      duty_cycle = 255;
      flag = 0;
    }
  }else{//占空比减少
    duty_cycle--;
    if(duty_cycle < 0){//小于0开始增加
      duty_cycle = 0;
      flag = 1;
    }
  }
}
void main(){
  while(1){
    breath_led();
  }
}

• 定义一个静态变量duty_cycle来保存占空比，当flag为1时，占空比慢慢增加到255，然后把flag设置成0 ，duty_cycle再从255慢慢减为0，如此循环就可以了。

哈哈，到这里你是不是觉得呼吸灯已经实现了， 然而，并不是 。不相信的同学可以自己试试上面的代码哦。

那到底是哪里有问题呢？

这就是我们直接调用设置亮度的函数set_led_luminance()是有问题的，因为此函数执行一个周期需要40ms，也就是在这40ms期间是不可以改变占空比的，否则可就调不了亮度了。再来看看breath_led函数，每次调用完set_led_luminance()函数设置占空比后就立即改变了duty_cycle的值，并没有延时40ms。

此时，我们还需要再加一个软件定时器，定时超过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;  
  //设置亮度
  set_led_luminance(duty_cycle);
  //计时器增加
  s_breathCounter++;
  //超过40ms
  if(s_breathCounter > 511){
    //计时器设置为0，重新计时
    s_Counter = 0;
    if(flag == 1){//占空比增加
      duty_cycle++;
      if(duty_cycle > 255){//大于255开始减少
        duty_cycle = 255;
        flag = 0;
      }
    }else{//占空比减少
      duty_cycle--;
      if(duty_cycle < 0){//小于0开始增加
        duty_cycle = 0;
        flag = 1;
      }
    }
  }
}

• 注意： 我们定时器的时间要大于40ms（也就是s_breathCounter的值要大于255）就可以， 但最好是周期的倍数 ，比如我们的周期为255（即0 ~ 255共256个数），我们设置成它的两倍即256*2-1=511（即0~511共512个数）。

到这里，我们的呼吸灯就制作好了，是不是很简单(*￣︶￣)

接下来就是今天的彩蛋环节

虽然实现了呼吸灯的效果，但是代码还是不够简洁和优雅，用了一堆if和else，我们想办法再简化一下。

首先化简set_led_luminance（）函数中的这一部分，如下图所示

化简之前，先讲一个C语言的小知识，就是 按位与运算 。

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

由此，我们知道：不论是1还是0，和0做与运算都为0，

不论是1还是0，和1做与运算还是它本身 ，

为了方便计算，我们采用16进制数（即前面加0x），比如0xff对应的十进制就是255；那么

一个小于等于0xff的数和0xff做与运算，结果还是它本身 ，如下

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

那一个大于0xff的数和0xff做与运算呢？

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

• 结果就是这个数除以（0xff+1）的余数（即结果还是在0~0xff之间）

有了这个与运算，上面的代码就可以化简为

s_Counter++;
s_Counter = s_Counter & 0xff;

• 这样s_Counter的取值范围就一直在0x00~0xff了

同样的，上面breath_led函数中的软件定时器也可以化简一下，如下

//计时器增加
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就是十进制的511，当s_breathCounter的值为（0x1ff+1）即512时条件成立，因为512&0x1ff=0，前面还有个感叹号就是取非运算（准确的说就是s_breathCounter的值为512的倍数时条件成立，这样都省去了s_breathCounter清零的操作了，不知道给大家解释清楚了没，大家要多想想），条件成立则占空比开始增加或减少

• 那占空比的范围不是0~ 255吗，第5行怎么也变成0x1ff（511）了，别急,你再往下看第8行，我们又减去了0xff,所以占空比的范围还是0~255

• 第7~ 10行代码的意思为：当duty_cycle > (0xff)时，即256~511，减去0xff，就相当于从1增加到255，亮度渐渐变亮

  当duty_cycle <= (0xff)时，即duty_cycle 从0增加到255，而设置的亮度为255 - duty_cycle ，相当于从255降到0，亮度 渐渐变暗 ，这样就实现了呼吸灯的效果。

哈哈，你以为我们的简化就结束了吗？

no，no，no

其实第7到10行还可以更简单一些。此时就需要用到取绝对值的函数了。

什么，用绝对值干嘛？

你看第10行0xff- duty_cycle就相当于duty_cycle - 0xff然后再取绝对值，好了，化简后的代码如下

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

取绝对值的宏函数如下

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

最后我把整个化简后的代码也贴到下面

#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();    
  }
}

怎么样，是不是很简洁(*￣︶￣)

好了，到这里今天的呼吸灯就讲完了，想和我一起重学51单片机的同学记得 点赞+关注， 这会加速我对文章更新的速度哦