高级流水灯--水滴效果（渐变带拖尾效果）实现和讲解

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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< 36                                     }
37                                     else
38                                     {
39                                              temp &= ~(1< 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< 60                      }
61                      else
62                      {
63                               temp &= ~(1< 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。

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。
`

〖随〗ぁ缘ぉ · 2013-2-15 14:37:51

没有效果图

赵永明 · 2013-2-15 15:48:08

一直在学习

乐绿 · 2013-3-1 17:25:31

很详细的讲解

徐雷 · 2013-3-1 17:42:48

长见识了

钟强 · 2013-3-2 14:41:42

不错

李建廷 · 2013-3-2 16:18:52

不错

yutianf · 2013-3-3 10:04:31

学习学习

李劲 · 2013-3-7 14:11:57

我怎么感觉占空比的就算有毛病呐，我在仔细算算，第二个程序？

王小冬 · 2013-3-7 15:04:50

这个程序厉害呀。。。。。收藏了。。。。

李志健 · 2013-4-4 16:30:03

正在找有关这类的东西来学习，谢谢ＬＺ的分享

丶折戟沉沙 · 2013-4-4 17:18:04

学习下、、下载个、

秦先生 · 2013-4-4 19:37:03

楼主应该继续发扬高风亮节的精神品质，把代码放到文件里方便下载啊~~~~

陈灿兴 · 2013-4-6 10:06:37

谢谢分享，内容不错

陈灿兴 · 2013-4-6 10:08:15

感觉挺好，可惜自己能力太差，还是新手。

陈灿兴 · 2013-4-6 10:09:46

仍待继续努力啊！！！！

冬天朝阳 · 2013-4-7 22:30:20

厉害，学习了。

huzhengli · 2013-4-7 22:52:13

高手在民间啊，厉害

阿永 · 2013-4-8 11:52:21

这个讲的更详细啦。。。。顶个。。。。

徐呵呵 · 2013-4-23 11:55:37

lidingan · 2013-4-23 11:57:31

学习了谢谢楼主无私的分享

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