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2022年12月26日 | 单片机开发系统学习LED亮度控制原理
2022-12-26 来源：zhihu
早期控制LED亮度的方法一般是采用模拟电路来调节LED的工作电流来实现，这种方式灵活性较差，很难达到智能控制的效果。本文将介绍如何通过一个普通MCS51单片机来产生PWM信号，达到调节LED的亮度的目的。
一、硬件的简单介绍：
该实验在“ME300B型51/AVR单片机学习开发系统”上完成（本刊2005年第11期和2006年第1期上分别有ME300B的功能与使用介绍），实验中用到了开发系统上的8个发光二极管、独立按键和蜂鸣器，现将这三部分的电路工作原理进行简单的介绍：
发光二极管驱动电路
ME300B上的8个发光二极管接在单片机的P0端口上。由于51系列单片机的P0端口输出高电平时的推电流能力弱，而输出低电平时的灌电流能力强，所以ME300B开发板上的8个发光二极管设计成输出低电平时点亮，输出高电平时熄灭，如图1所示。
图1 发光二极管驱动电路
独立键盘电路
独立键盘是直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立键盘单独占有一根I/O口线。
开发板设有4个独立按键，分别对应接于P1.4-P1.7端口上，如图2所示。
图2 独立键盘电路
在正常状况下，与键盘所连接的单片机I/O端口先被置为高电平，即“1”状态（输入状态）。当有键按下时，与之相连的单片机I/O端口将被拉成低电平，即“0”状态。所以直接依据每个I/O口线的状态来判断按键是否按下。
蜂鸣器驱动电路
图3 蜂鸣器驱动电路
由于ME300B开发系统使用的是交流蜂鸣器，不能使用直流电平控制方式，必须使用交变脉冲控制方式来驱动，这一点请大家注意。
二、PWM的工作原理
PWM 是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）的简称，PWM是一种周期一定而高低电平的占空比可以调制的方波信号，当输出脉冲周期一定时，输出脉冲的占空比越大，相对应的输出有效电压越大。
图4 PWM波形图
在一个周期内的脉冲宽度（导通时间）为T1，周期为T，波形如图4所示。
则输出电压的平均值为： U=Vcc×T1/ T=αVcc
其中，α=T1/T（正脉冲的持续时间与脉冲周期的比值）称为占空比，α的变化范围为0≤α≤1，Vcc为电源电压。
当电源电压Vcc不变的情况下，输出电压的平均值U取决于占空比α的大小，改变α的大小就可以改变输出电压的平均值，这就是PWM的工作原理。
发光二极管的亮度与加在发光二极管两端的电压成比例，而发光二极管两端的电压与PWM信号的占空比成正比。因此，占空比越大，发光二极管越亮，当占空比α＝1时，发光二极管的亮度最高。
三、 演示软件的编程方法
由于大多数51系列单片机没有PWM信号输出功能，所以我们在这里采用单片机定时器配合软件的方法来实现PWM信号的输出。
确定改变占空比的值的方法
有几种方法都可以改变占空比的值。
定宽调频法
保持T1不变，只改变T2，这样使周期（或频率）也随之改变。
调频调宽法
保持T2不变，而改变T1，这样使周期（或频率）也随之改变。
1.3 定频调宽法
周期T（或频率）保持不变，而同时改变T1和T2。
我们选用定频调宽的方法来改变占空比的值。
2、确定PWM的占空比输出方式
图5 P0口输出波形
由于P0所接的8个发光二极管是用低电平驱动，所以要将PWM的实际输出波形按图5所示的P0口输出波形进行编程，即PWM的占空比输出方式为反向。
演示软件的编程
用T0定时器设置PWM输出的周期（或频率），T0定时器设置成工作方式1，16位定时器。
T0中断服务子程序主要任务是确定PWM输出的周期（或频率）和控制定时器1中断。
T0定时器的定时常数是一个固定值，这样就确定PWM输出的周期（或频率）。
用T1定时器设置PWM输出的占空比，T1定时器设置成工作方式2， 8位定时器，自动载入设定值。
T1中断服务子程序主要任务是调节PWM输出的占空比（或脉宽）
T1定时器的定时常数是一个变化值，用K1键或K2键来设定。
T0、T1中断服务子程序如下：
;====================================================
;T0中断服务子程序 周期（或频率）
;控制定时器1中断
;====================================================
INTT0:
CLR TR1
MOV TH0,#0FCH ;1ms延时常数
MOV TL0,#066H ;周期调节
MOV TH1,PWM_NUM
SETB TR1
MOV PWM_OUT,#00H ;输出低电平
RETI
;====================================================
;T1中断服务子程序 脉宽（或占空比）
;控制PWM脉冲宽度
;====================================================
INTT1:
CLR TR1
MOV PWM_OUT,#0FFH ;输出高电平
RETI
PWM_OUT 为外接LED的控制端口，PWM_NUM为按键设置的T1定时器定时值的存放单元。
4、演示软件的功能
由两个按键K1、K2来调节P0口输出脉冲的占空比，该脉冲直接驱动P0口所接的8个发光二极管，随着占空比的不同发光二极管的亮度不同，当按下K1键（不要松手）发光二极管逐渐变暗，当有蜂鸣器响时，说明输出脉冲的占空比已经达到最小值，发光二极管的亮度已处在最暗的状态。
当按下K2键（不要松手）发光二极管逐渐变亮，当有蜂鸣器响时，说明输出脉冲的占空比已经达到最大值，发光二极管的亮度已处在最亮的状态。
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