单片机：实现LED亮度等级控制（附带源码）

单片机实现LED亮度等级控制

LED亮度控制是单片机应用中的一种常见功能，通常通过调节LED的电流来实现不同的亮度等级。在嵌入式开发中，**PWM（脉宽调制）**信号常用于实现对LED亮度的控制。通过改变PWM信号的占空比（duty cycle），可以调节LED的平均电压，从而调节LED的亮度。

本项目将介绍如何使用**单片机（如AT89C51）**实现LED亮度的等级控制。通过按键控制LED的亮度，并使用PWM信号调节LED的亮度等级。

1. 项目需求分析

目标：

1. 使用单片机通过PWM信号控制LED的亮度。
2. 通过按键输入来切换不同的亮度等级。
3. LED亮度可以分为多个等级，例如：低、中、高亮度。

功能需求：

1. PWM调光：通过改变PWM信号的占空比，调节LED的亮度。
2. 按键控制：通过按键（例如：上升或下降按钮）来切换亮度等级。
3. LED亮度显示：根据设定的亮度等级，通过LED的亮度变化来反映等级的变化。

2. 硬件设计

2.1 单片机选择

选择AT89C51单片机作为控制核心，它具有丰富的I/O口，可以方便地连接PWM输出引脚、按键以及LED。

2.2 硬件连接

1. LED连接：

   • LED与单片机的一个GPIO引脚连接（如P1.0）。为了实现亮度调节，可以将LED和电流限流电阻连接到一个PWM输出引脚。

2. 按键输入：

   • 使用两个按键，一个用于增大亮度等级（如K1），另一个用于减小亮度等级（如K2）。这些按键连接到单片机的输入引脚（如P3.0和P3.1）。

3. 电源：

   • 为单片机提供5V电源，为LED提供足够的电压和电流。

2.3 电路设计

1. LED电路：LED和限流电阻连接到PWM输出引脚，通过PWM信号控制LED的亮度。
2. 按键电路：两个按键连接到P3.0和P3.1，并通过外部上拉电阻或内置上拉电阻配置。

3. 软件设计

3.1 PWM调光原理

PWM信号的占空比（duty cycle）决定了LED的亮度。占空比越大，LED的亮度越高。我们通过调节定时器的重载值来产生不同占空比的PWM信号。

• 占空比计算：占空比是控制信号的高电平时间与总周期的比例。
  • PWM周期 = 1 / PWM频率
  • 占空比 = 高电平时间 / PWM周期

通过改变占空比，单片机可以输出不同的亮度等级。

3.2 按键控制

使用两个按键来控制亮度等级：

• 按键1：增加亮度（增加PWM的占空比）。
• 按键2：减小亮度（减小PWM的占空比）。

3.3 程序设计

1. PWM初始化：通过定时器产生固定频率的PWM信号。
2. 亮度等级调整：根据按键的输入调整PWM的占空比，进而控制LED的亮度。
3. 按键去抖动：使用简单的延时或软去抖动处理按键输入，避免误触发。

3.4 代码实现

#include   // 包含51单片机的寄存器定义文件

// 定义按键连接引脚
#define KEY_UP    P3_0  // 增加亮度的按键
#define KEY_DOWN  P3_1  // 减少亮度的按键

// 定义PWM信号输出引脚
#define PWM_PIN   P1_0  // PWM输出控制LED亮度

// 定义亮度等级
#define MAX_BRIGHTNESS  100  // 最大亮度等级
#define MIN_BRIGHTNESS  0    // 最小亮度等级
#define STEP_BRIGHTNESS 10   // 亮度步长

unsigned char brightness = 50;  // 默认亮度等级为50

// 延时函数，用于PWM周期控制
void delay(unsigned int ms) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++) {
        for (j = 0; j < 120; j++);
    }
}

// PWM信号生成函数
void PWM_Init() {
    // 设置PWM的周期，假设定时器周期较长
    TMOD &= 0xF0;  // 清空定时器模式
    TMOD |= 0x02;  // 设置定时器1为模式2（8位自动重装载）

    // 设置PWM周期
    TH1 = 256 - (255);  // 定时器溢出值
    TL1 = 256 - (255);  // 定时器初值
    TR1 = 1;  // 启动定时器1
}

// PWM中断服务程序
void PWM_ISR() interrupt 3 {
    static unsigned int pwm_counter = 0;
    
    if (++pwm_counter >= brightness) {  // 如果计数器达到亮度等级，则关灯
        PWM_PIN = 0;  // 关闭LED
    } else {
        PWM_PIN = 1;  // 打开LED
    }
    
    if (pwm_counter >= 100) pwm_counter = 0;  // 重新计数
}

// 按键去抖动函数
unsigned char Key_Scan() {
    unsigned char key = 0;
    if (KEY_UP == 0) {  // 如果按下增加亮度键
        delay(10);  // 去抖动延时
        if (KEY_UP == 0) {
            if (brightness < MAX_BRIGHTNESS) brightness += STEP_BRIGHTNESS;
        }
    } else if (KEY_DOWN == 0) {  // 如果按下减少亮度键
        delay(10);  // 去抖动延时
        if (KEY_DOWN == 0) {
            if (brightness > MIN_BRIGHTNESS) brightness -= STEP_BRIGHTNESS;
        }
    }
    return key;
}

// 主程序
void main() {
    // 初始化PWM
    PWM_Init();
    
    // 开启定时器1中断
    ET1 = 1;
    EA = 1;  // 全局中断使能
    
    while (1) {
        Key_Scan();  // 扫描按键
    }
}

4. 代码解释

1. PWM_Init()：

   • 该函数初始化定时器1为模式2（8位自动重装载模式），定时器的溢出周期用于控制PWM信号的周期。
   • 每次定时器溢出时，会触发PWM信号的生成，从而调节LED的亮度。

2. PWM_ISR()：

   • 定时器1的中断服务程序。每当定时器溢出时，这个函数被调用。pwm_counter用于跟踪PWM信号的高电平时间，当计数值小于brightness时，输出PWM高电平，点亮LED；当计数值大于brightness时，输出低电平，熄灭LED。
   • brightness值的范围决定了LED的亮度，brightness值越大，LED越亮。

3. Key_Scan()：

   • 该函数用于扫描按键输入并处理去抖动。当按下增加亮度按键时，brightness增加，减小亮度时，brightness减小。按键去抖动通过延时实现，防止误触发。

4. 主程序：

   • 主程序中初始化PWM输出、启动定时器1中断、扫描按键并控制亮度。

5. Proteus仿真

5.1 电路设计

1. 在Proteus中创建一个新项目，选择AT89C51单片机。
2. 添加一个LED和一个限流电阻，连接到P1.0引脚，用于控制LED的亮度。
3. 添加两个按键，连接到P3.0和P3.1，用于控制亮度等级。
4. 为单片机提供5V电源，设置定时器及PWM输出。

5.2 仿真步骤

1. 将代码上传到Proteus仿真环境中。
2. 运行仿真，按下按键来调节LED的亮度，观察LED亮度的变化。

6. 总结

本项目实现了基于PWM控制的LED亮度调节功能。通过按键控制，可以在不同亮度等级之间切换，PWM信号的占空比决定了LED的亮度。这个项目展示了PWM技术在嵌入式系统中的应用，并可以扩展到更复杂的调光应用，如调节不同类型的LED灯光亮度。