PWM实现LED调光

背景

众所周知，在我们的日常生活中有许许多多的场景需要用到LED亮度调节，比较常见的场景包括（不仅限于）手机屏幕亮度调剂、电视亮度、汽车仪表盘亮度、家用电器等。这一讲我们介绍如何利用单片机实现LED调光。

原理

介绍调光之前，简单回顾一下点亮LED的工作原理，如下图左侧所示。在电源与地之间串联电阻R和LED，我们这里以3.3V电源进行讲解，根据高中物理欧姆定律可知，调节电阻R的大小，便可调节流过LED电流的大小，又因为LED是电流驱动器件，发光亮度与电流成正比关系。因此，调节电阻便可实现LED发光亮度的调节了。但，这种调节方法在许多场景中是不太适应的，例如手机背景亮度的调节。原因是，电阻R是安装在电路板上，每次调节亮度需要重新焊接一个电阻，为了一个调节背景亮度还需要手机开盖换电阻，显然是不太合实际的。因此，我们希望可以通过软件直接调节亮度。

另一种调节LED亮度的方法称之为PWM调光。如下图右侧所示，直接将LED连接至单片机的I/O口，单片机I/O的状态只有两种要么是0V、要么是3.3V。当I/O输出0V时，LED点亮，当I/O输出3.3V时，LED两端无电压差，并无电流流过，因此不亮。而单片机输出的到底是0V还是3.3V，在软件中可以设计的，因此，可以实现软件调节LED了。

• 如下图①所示，当单片机I/O口输出一直为3.3V时，LED处于常灭状态。
• 当单片机I/O口输出为0V时，LED点亮，如下图② 所示。
• 当单片机I/O口先输出1s的0V、再输出1s的3.3V，如此循环往复的周期信号时，如图③所示。此时我们将观察到的现象为LED先点亮1s,然后熄灭1s,接着又点亮1s，再灭1s,看到的是一种LED闪烁的状态。上面单片机I/O口输出的实际上是一个，周期为2s,0V和3.3V持续时间各占50%，既0V占空比为50%的周期信号。
• 试想一下,假设我们保持占空比50%不变，而将周期2s缩小至1ms，相当于0.5ms的0V，0.5ms的3.3V的周期信号，如图④所示。此时，LED实际上也是闪烁的，只不过闪烁的太快了，人眼无法分辨。由于人眼的视觉暂存效应，看到的LED一直是点亮的，只不过亮度没有图①那么亮，大概在一半作用。
• 我们回过头来看一下，当0V的占空比为0%的时候，不就是图①的常灭状态，当0V的占比为100%，就是图②的常亮情况。那我们是不是通过调节输出的0V的占空比，让其在0%~100%之间变化，就可以调节LED的亮度了？没错，这就是PWM调光原理，即脉冲宽度调制技术（Pulse Width Modulation），即通过调节每个周期内点亮LED的时间长度，来实现LED亮度的调节。
• 通过调节占空比可以实现LED亮度的调节，那么PWM调光有什么缺点呢？屏幕是否闪烁和周期，也常说频率是有关系的。当周期为上面的2s时，频率为周期的倒数，即0.5Hz时，人眼很轻易分辨闪烁的效果。当周期为1ms，即频率为1KHz时，人眼就无法分辨是否闪烁了。人眼可分辨的周期大约为25ms,既40Hz，一般认为只要频率大于60Hz，对与人眼来说其实是一样的，都看不出闪烁效果。所以，对于手机屏幕来讲，大于60Hz就可以了。如果你的手机是PWM调光的，使用高清的摄像机去拍摄屏幕，可以看清闪烁条纹。
• 单片机的I/O口如何实现PWM信号输出呢？请参见“STM32F103C8T6 TIM4 同时配置4路PWM输出” 。

呼吸灯的实现

根据上面的介绍，参考“STM32F103C8T6 TIM4 同时配置4路PWM输出” 。通过设置占空比就可以让LED显示某一个亮度了。这一节我们要在上述基础之上实现呼吸灯的效果，既0-2sLED灯由不亮逐渐变到最亮，2s-4s 由最亮逐渐变到不亮，如此循环往复。 原理简单，在0-4s的时间内平均分成40等份，1,2，3，....20等份的占空比分别设置为5%，10%，15%,....100%,即逐渐递增，后21,22,23，....40等份的占空比分别设置为100%，95%，90%,....5%,即逐渐递减。因此只需要在主程序中启动一个定时器即可，在相应的定时器中断函数中设置PWM的占空比即可。工程代码如下： LED呼吸.mp4