单片机开发—呼吸灯的三种实现方法

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一、前言

提示：本文使用的芯片并非STM32系列，利用定时器实现呼吸灯是从寄存器层面讲解的，但是对于不同芯片以及是否使用库函数开发来说，基本原理是相同的。

1、什么是呼吸灯

顾名思义，呼吸灯是指灯能够像人的呼吸一样，实现由暗到亮或由亮到暗的变化，通常用于消息提示功能，或者作为系统正在运行的提示。

2、如何实现呼吸灯

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其实无论哪种实现方法，基本思想都是通过脉冲宽度调制（PWM）实现，即通过调节占空比来对模拟信号电平进行数字编码。关于何为PWM，何为占空比，这里就不再赘述了，简单理解就是，占空比越高，LED两端电压越大，LED越亮。这里用一张图简单的介绍一下呼吸灯的实现原理。

人眼的分辨率为1秒24帧，即人眼看到的图像滞留时间为0.04s左右，就按40ms计算。也就是说，一个周期为40ms，人眼是看不出其中的亮灭变化的。但是为了让呼吸灯效果看起来更好，建议选则周期长度小于40ms，这里选则25ms。

二、利用for循环实现呼吸灯

利用for循环实现呼吸灯主要有两个关键变量，一个是周期T，一个是占空比的值t，他们的含义如下图所示：

图中T为一个周期（脉冲宽度），t为占空比。
利用for循环实现呼吸灯的程序如下：

int main(void)
{
	uint32 T = 1600;   // 周期（脉冲宽度）
	uint32 i=0,m=0,n=0,t=0;

	PT0OES_D9 = 1;   // 输出使能
	PT0DAT_D9 = 1;   // 灭

    while (1)
    {
		for (i=0;i<T;i++)
		{
			PT0DAT_D9 = 0;   // 亮
			for (m=0;m<t;m++);
			PT0DAT_D9 = 1;   // 灭
			for (n=0;n<T-t;n++);
			t++;

			if (t >= T)
			{
				for (i=0;i<T;i++)
				{
					PT0DAT_D9 = 0;   // 亮
					for (m=0;m<t;m++);
					PT0DAT_D9 = 1;   // 灭
					for (n=0;n<T-t;n++);
					t--;
				}
			}
		}
    }
}

这里程序逻辑比较容易理解，就不再赘述，有需要讨论的小伙伴可以留言讨论。虽然利用for循环能够很简单的实现呼吸灯，但是这种方法是利用for循环来控制亮灭时间，时间控制并不精确。

三、利用定时器实现呼吸灯

1.利用定时器中断实现

利用定时器中断实现呼吸灯的程序如下：

uint32 count= 0;
uint32 flag = 0;
uint32 t = 0;

int main(void)
{
    Osc_Setup();   // 初始化系统时钟
    EnableGlobalInterrupt();   // 使能全局中断

	PT0OES_D9 = 1;   // 输出使能
	PT0DAT_D9 = 1;   // 灭

	TMR1_TCR_CRST = 1;   // 复位定时器计数值寄存器和预分频计数值寄存器
	while (TMR1_TCR_CRST);   // 等待复位完成
	TMR1_PR_PR = 49;   // 设置预分频系数
	TMR1_MCR_MR0I = 1;   // 产生匹配中断
	TMR1_MCR_MR0R = 1;   // 产生计数器复位
	TMR1_MCR_MR0S   = 0;   // 计数器不停止计数
	TMR1_MR0 = 250;   // 设置匹配值
	TMR1_IR = 0xffffffff;   // 清除匹配中断标志位
	NVIC_ISER_TMR1  = 1;
	TMR1_TCR_CEN = 1;   //定时器定时，捕捉功能启动

    while (1)
    {
    	if (t <= count)
    	{
    		PT0DAT_D9 = 1;   // 灭
    	}
    	else if (t > count)
    	{
    		PT0DAT_D9 = 0;   // 亮
    	}
    }
}

void __attribute__((isr)) ISR_TMR1(void)   // 匹配中断服务函数
{
    count = count + 1;

    if (count >= 100 && flag <= 100)   // 由暗到亮
    {
    	count = 0;
    	t = t + 1;
    	flag = flag + 1;
    }
    if (count >= 100 && flag > 100)   // 由亮到暗
       {
       	count = 0;
       	t = t - 1;
       	flag = flag + 1;
       }
    if (flag > 200)
    {
    	count = 0;
    	t = 0;
    	flag = 0;
    }
    TMR1_IR = 0xffffffff;
}

配置TMR1来实现呼吸灯功能，配置TMR1时预分频系数设置为49，匹配值设置为250，配置产生匹配中断，中断后产生计数器复位，计数器不停止计数，然后开启定时器1。这里需要注意的是要配置中断后产生计数器复位，否则计数器会等到计数到最大值后才清零，此时的现象是LED依然可是像呼吸灯一样由暗变亮，再由亮变暗，但是期间会不断闪烁。

假设进入匹配中断的时间为t，系统主时钟频率为Fsys，预分频系数为PR，匹配值为n，那么进入一次匹配中断的时间t= ((PR + 1)/Fsys)*n。因为开头提到过，本程序设置的脉冲宽度为25ms，系统主时钟频率为50MHz，所以这里将预分频系数设置为49和匹配值设置为250，计算后可知，每0.25ms进入一次匹配中断，进入100次更改一次占空比，即25ms更改一次，总的脉冲宽度为25ms。如果想更改脉冲宽度只需要调整count的值即可。

2.利用定时器输出PWM波实现

相比于前两种方法来说，初学单片机的人更加熟悉的是利用定时器输出PWM波来实现呼吸灯，因为正点原子或普中科技等等教程中都有详细介绍，这里就不再赘述了。

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四、总结

虽然利用for循环能够比较简单地实现呼吸灯，但是其时间控制没有利用定时器实现准确，建议使用定时器来实现呼吸灯功能。

当然，上面给出的程序存在不好的地方，在中断中执行了太多语句，这是平时开发需要注意的。可以只在中断中保留count自加操作，其他放在主函数地while(1)中进行，这样可以减少在中断中执行的程序。

PS：本人也属于技术小白级别，本文如有写的不合适的地方，欢迎各位在评论区讨论。