PWM视频代码剖析与解释

发布者:心灵律动最新更新时间:2023-01-30 来源: zhihu关键字:PWM  频率  LED灯闪烁 手机看文章 扫描二维码
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1、不同频率LED灯闪烁

接下来我们以下面LED灯的闪烁代码为例子,改变延时长短来看LED灯的效果

void setup()

{

  pinMode(2, OUTPUT);

}


void loop()

{

  digitalWrite(2, HIGH);

  delay(50); // Wait for xx millisecond(s)

  digitalWrite(2, LOW);

  delay(50); // Wait for xx millisecond(s)

}

动图封面

500ms延时闪烁(1Hz频率)


动图封面

200ms延时闪烁(2.5Hz频率)

动图封面

50延时ms闪烁(10Hz频率)

通过三个对比实验我们发现随着频率的升高,我们的LED灯慢慢的开始感觉不到闪烁,由于我们人眼的视觉停留效应,一般大于50Hz的刷新率就能满足我们的要求


2、高频率LED闪烁变形过程

我们还是以这个代码,将频率固定在50Hz,然后保持周期不变即高低电平加起来的时间等于40ms,然后改变高低电平的占空比(高低电平占总周期的百分比),我们通过调节高低电平的延时的长度来调节亮度的占比

代码部分:

void setup()

{

  pinMode(2, OUTPUT);

}


void loop()

{

  digitalWrite(2, HIGH);

  delay(10); // Wait for 1000 millisecond(s)

  digitalWrite(2, LOW);

  delay(10); // Wait for 1000 millisecond(s)

}

动图封面

50Hz频率最大亮度(即灯灭的情况下延时为0,亮的情况下延时20ms)

动图封面

50Hz频率50%亮度(即灯灭的情况下延时为10ms,灯亮的情况下延时10ms)

动图封面

50Hz频率25%亮度(即灯灭的情况下延时为15ms,灯亮的情况下延时5ms)

动图封面

50Hz频率10%亮度(即灯灭的情况下延时为18ms,灯亮的情况下延时2ms)

我们把上面的动作连贯起来,也就是说把亮度延时做成连续变化,为了在实际中效果更好,我们将延时改成延时200个us,这样连续变化效果更好

代码部分:

void setup()

{

  pinMode(2, OUTPUT);

}


int count = 0;

int PWM_Time = 50;

  

void loop()

{

  digitalWrite(2, HIGH); // LED灯灭

  delayMicroseconds(200-PWM_Time); // Wait for xx millisecond(s)

  digitalWrite(2, LOW); // LED灯亮

  delayMicroseconds(PWM_Time); // Wait for xx millisecond(s)

  

  count++;

  if(count==50)

  {

      count = 0;

      PWM_Time++;

      if(PWM_Time>=200) PWM_Time = 0;

  }

}

动图封面

LED灯渐亮效果

我们再进一步修改下,让它变成一个呼吸的效果

代码部分:

void setup()

{

  pinMode(2, OUTPUT);

}


int count = 0;            // 因为延时比较短,直接使用会变化的

      // 太快看不到效果,说以加个计数的变量

int PWM_Time = 0;         // LED占空比变量

int LED_Togle_Flag = 0;   // LED逐渐亮灭翻转标志

  

void loop()

{

  if(LED_Togle_Flag)

  {

    digitalWrite(2, HIGH); // LED灯灭

    delayMicroseconds(200-PWM_Time); // Wait for xx millisecond(s)

    digitalWrite(2, LOW); // LED灯亮

    delayMicroseconds(PWM_Time); // Wait for xx millisecond(s)

  }

  else

  {

    digitalWrite(2, HIGH); // LED灯灭

    delayMicroseconds(PWM_Time); // Wait for xx millisecond(s)

    digitalWrite(2, LOW); // LED灯亮

    delayMicroseconds(200-PWM_Time); // Wait for xx millisecond(s)

  }

  

  

  count++;

  if(count==50)

  {

  count = 0;

    PWM_Time++;

    // 切换亮暗变化逻辑

    if(PWM_Time>=200) 

    {

    PWM_Time = 0;

        LED_Togle_Flag = ~LED_Togle_Flag;

    }

  }

}

动图封面

LED灯呼吸灯


LED“流星雨”

首先我们先来分析下流星雨的逻辑:

首先我们要实现一个这样的效果,第一个最亮,然后后一个是前一个的45%的亮度

代码部分:

// ----------------------------------------------------------------------------

// LED_Rains.ino

//

// 数字引脚实现的雨滴流动效果

// 雨滴流动效果与流水灯(跑马灯)的区别在于雨滴流水效果有拖尾效果,即亮过的灯是慢慢熄灭的

//

// 使用 UNO 的所有引脚用模拟 PWM 实现雨滴流动的效果,包括模拟输入口也可以用做数字输出

// 各引脚接 LED 正极,LED 负极接 GND

// ----------------------------------------------------------------------------


const unsigned char leds[] = { A4, A5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 }; // 所有的引脚按 LED 接线顺序排列

const unsigned int maxPwm       = 100;    // 手工模拟 PWM,可以自己定义最大的 PWM 值是多少,所以定义一个整百整千的数比较方便计算


unsigned int ledPwm[12] = { 1, 3, 4, 6, 9, 13, 18, 25, 35, 50, 70, 100}; // 存放运行时每一个 LED 的亮度 PWM 值



void setup()

{

    for (char i = 0; i < 12; ++i)

    {

        pinMode(leds[i], OUTPUT);

    }

}


void loop()

{

    unsigned int i, j;


    for (i = 0; i < 12; ++i)      // 先亮灯,等占空比到切换点的时候灭灯

    {

        digitalWrite(leds[i], LOW);

    }

   

    for( i=0; i    {

    for (j = 0; j < 12; ++j)

        {

            if (i == ledPwm[j])

                digitalWrite(leds[j], HIGH);

        }

        delayMicroseconds(1);

    }

}

动图封面

静态流星雨效果

代码解释:

我门首先给亮度数组ledPwm[12]储存按比例分配的数值,这里我是按70%的一个比例来计算

比如说最暗是100,那么次暗的就是100*70% = 70,以此类推,然后我们就按照分配的亮度来把灯分别点亮

这部分代码是把所有LED灯先点亮

    for (i = 0; i < 12; ++i)      // 先亮灯,等占空比到切换点的时候灭灯

    {

        if (ledPwm[i] == 0)

            continue;

        digitalWrite(leds[i], LOW);

    }

这部分代码根据LED灯的亮暗程度来分别控制灭的时间,我们先根据最大亮度值“maxPWM”来将亮度分为100份,每份的延时是1us,然后在内部的循环里面检查当前的亮度值是否到达分配的份数,如果到达了,那就熄灭,没有到达,就继续保持亮


 for( i=0; i    {

    for (j = 0; j < 12; ++j)

        {

            if (i == ledPwm[j])

                digitalWrite(leds[j], HIGH);

        }

        delayMicroseconds(1);

    }



让LED”流星雨“运动

显然这样静态的流星雨还是满足不了我们的要求,接下来我们让流星雨先动起来

我们需要它这样动

LED流星雨动态分解示意图

我们先试着让它动一位,我只需要把ledPwm[12]这个数组里面的值重新进行排列就可以了,这其实就是对数组操作

unsigned int ledPwm[12] = { 3, 4, 6, 9, 13, 18, 25, 35, 50, 70, 100, 1}; // 存放运行时每一个 LED 的亮度 PWM 值

LED流星雨移动一位的效果



LED“流星雨”连续运动

从上面我们知道,我们如果有办法对数组进行连续的操作,那么就能实现“流星雨”流动的效果


其中下面这一点代码是arduino自带的时间计数器,可以直接读取里面的数值,用来辅助计数用的,其实你也可以不用这个,可以自己直接在里面计数也可以的


extern volatile unsigned long timer0_millis;


完整版代码:把所有需要改动的数值变量全部放在最前面,这是编写可复用程序常用的一种做法,可以灵活适应多个灯,同时可以调节速度,调节亮度比例

// ----------------------------------------------------------------------------

// LED_Rains.ino

//

// 数字引脚实现的雨滴流动效果

// 雨滴流动效果与流水灯(跑马灯)的区别在于雨滴流水效果有拖尾效果,即亮过的灯是慢慢熄灭的

//

// 使用 UNO 的所有引脚用模拟 PWM 实现雨滴流动的效果,包括模拟输入口也可以用做数字输出

// 各引脚接 LED 正极,LED 负极接 GND

// ----------------------------------------------------------------------------


const unsigned char leds[] = { A4, A5, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 }; // 所有的引脚按 LED 接线顺序排列

const unsigned int maxPwm       = 100;    // 手工模拟 PWM,可以自己定义最大的 PWM 值是多少,所以定义一个整百整千的数比较方便计算

const unsigned int initPwm      = 100;    // 最亮的灯的 pwm 值,即移动的时候在最头一个灯的亮度

const unsigned int deltaPwm     = 1;      // 灯慢慢熄灭的 pwm 值,后一个灯比前一个灯暗多少。这相当于是一个等差队列。等差的亮度感觉不大好,所以引入下一个等比的因素

const unsigned int deltaPercent = 45;     // 后一个灯比前一个灯暗,其亮度是前一个灯的百分之几。相对于前面的递减,这个相当于是等比级数

const unsigned long delayMs     = 100;     // 移动延迟,单位 ms

const unsigned char ledNum      = sizeof(leds) / sizeof(leds[0]);  // 引脚数量,即 LED 个数


unsigned int ledPwm[ledNum]; // 存放运行时每一个 LED 的亮度 PWM 值


void setup()

{

    for (char i = 0; i < ledNum; ++i)

    {

        pinMode(leds[i], OUTPUT);

        ledPwm[i] = 0;

    }

}


extern volatile unsigned long timer0_millis;    // 声明外部变量 timer0_millis 以便在程序中使用,其实就是 millis() 的返回值——程序运行的毫秒数


void loop()

{

    static unsigned char head = 0;

    static unsigned long lastTick = timer0_millis;

    unsigned int i, j;


    for (i = 0; i < ledNum; ++i)      // 先亮灯,等占空比到切换点的时候灭灯

    {

        if (ledPwm[i] == 0)

            continue;

        digitalWrite(leds[i], LOW);

    }

   

    ledPwm[head] = initPwm;         // 水滴头是最亮的


    for (i = 0; i < maxPwm; ++i)    // 这里就是数字口模拟的 PWM 程序了

    {

        for (j = 0; j < ledNum; ++j)

        {

            if (i == ledPwm[j])

                digitalWrite(leds[j], HIGH);

        }

        delayMicroseconds(1);

    }


    // 如果延时时间还没到,先跳出,不进行水滴的移动 

    if (timer0_millis - lastTick < delayMs) // 由于是用数字口模拟的 PWM,程序要不停的跑,不能使用 delay() 来延时,会卡住的

        return;


    lastTick = timer0_millis;


    for (i = 0; i < ledNum; ++i)      // 处理每一个灯的亮度

    {

        ledPwm[i] = ledPwm[i] * deltaPercent / 100;

        if (ledPwm[i] <= deltaPwm){ ledPwm[i] = 0; }           

        else                      { ledPwm[i] -= deltaPwm; }

            

        if (i == head){ ledPwm[i] = initPwm; }            

    }

    

    head = (head + 1) % ledNum;  // 移动水滴头

}

动图封面

完整版LED“流星雨”效果


总结:

1、我们了解了PWM的实现方式

2、LED在不同的频率下,会“欺骗”我们的眼睛,这样是玩单片机中惯用的一种思路

3、通过剖析LED"流星雨",我们发现其实它就用了一些简单的处理方式实现的,没有我们想象中的那么复杂

4、LED"流星雨"里面有一点简单的算法,算法是独立于单片机的,在其他平台(51,STM32等)上面同样可以实现,同时算法也是一个程序的灵魂

关键字:PWM  频率  LED灯闪烁 引用地址:PWM视频代码剖析与解释

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