呼吸灯在 C51 和 STM32 上的实现
前言
上学期在学习 51 单片机的时候，曾经写了一个叫做 『 LED Show 』的程序，它的效果是这样的：
很弱智哈哈哈，原理也很直接：选好音乐，给音乐中每个小节设计一个灯光效果，控制好节拍（试出最合适的延时使其与音乐节拍吻合）就行。不过我想说的是，那个时候我想过要在 51 上面实现呼吸灯的效果，但一番查阅资料，又是中断（是的当时连中断是啥都不晓得🤷♂️）又是啥 PWM ，无奈放弃了。最近翻回去查了查资料，发现实现呼吸灯的基本原理已经差不多理解了，不过，51 相关的知识已经忘得差不多了，正好借这个机会，好好复习一下。
我所使用的 51 开发板来自清翔电子，芯片型号为 STC89C52。
中断和定时计数器的复习
呼吸灯的实现原理其实就是控制 LED 灯的亮灭时间比例，正好中断的知识已经忘得差不多了，那不如用定时器中断来实现，所以首先简单复习一下 STC89C52 的中断系统。
STC89C52 提供了包括 4 个外部中断、3 个定时器中断以及 1 个串口中断在内的 8 个中断请求源。具体在程序中的的控制方法实在记不起来了，查阅了芯片手册，才勉强回忆起来，在此做一个总结：
-
CPU 总中断控制位为
EA； -
外部中断
INT0 ~ INT3的中断允许控制位分别是EX0 ~ EX3，触发方式由ITx控制，ITx = 1代表下降沿触发而 ITx = 0 代表低电平触发。清翔的开发板给每个外部中断的引脚接到的不同的外部硬件，如按键或红外接收器，可以查阅开发板原理图找到每个外部中断对应的可用的硬件模块； -
定时器中断
Timer0 ~ Timer2的中断允许控制位分别是ET0 ~ ET2，其运行控制位分别为TR0 ~ TR2，3个定时器中断中的Timer0和Timer1共用一个工作模式寄存器TMOD，低四位控制Timer0而高四位控制Timer1。Timer2有一个单独的控制寄存器T2CON用来实现更丰富的功能。 -
寄存器TMOD
TMOD.7 TMOD.6 TMOD.5 TMOD.4 TMOD.3 TMOD.2 TMOD.1 TMOD.0 GATE C/T' M1 M0 GATE C/T' M1 M0 GATE控制定时器：GATE = 0时用TRx来控制定时器的启动，GATE = 1时则用外部中断来控制。
C/T'控制定时器用作定时器还是计数器：C/T'= 0 表示定时器模式；C/T'= 1 表示计数器模式，定时器的外部引脚下降沿作为脉冲。
M1和M0控制定时器的模式：分别配置为0 0（模式 0）为 13 位定时器，THx仅低五位参与分频；分别配置为0 1（模式 1）为 16 位定时器，数据的低 8 位和高 8 位分别在THx和TLx寄存器中；分别配置为1 0（模式 2）为 8 位自动重装定时器，当TLx溢出时自动将THx数据重装入TLx（对于模式 0 和模式 2，往往是在中断程序中手动装载计数值来实现周期定时）；而当M1 M0设置为1 1（模式 3）时，对定时器 1 是停止计数，效果与将TR1设置为0相同，而对于定时器 0 而言，此时TH0和TL0将作为两个独立的 8 位计数器，且定时器 0 的部分控制位将被TL0占用，因为这一方式的逻辑结构较为复杂，故不在此处阐述，读者可以查阅芯片手册的 7.1.2.4 模式 3 ( 两个 8 位计数器 ) 章节。
接下来是最重要的定时器中断的时间间隔控制方法，因为定时器在不同的模式下位数不同，因此在不同的工作模式下计算方法也略有不同。
对于模式 1（16 位定时器）：
对于模式 2（8 位定时器）：
对应到我所使用的开发板（晶振频率 11.0592 MHz，1 机器周期 = 12时钟周期），就是：
这样就可以写出定时器中断的代码了：
/**
* 在我的开发板上，
* 8位定时器最多实现 256 × 1.085 ≈ 277us 的中断时间间隔，
* 13位定时器最多实现 8192 × 1.085 ≈ 8888us 的中断时间间隔，
* 16位定时器最多实现 65536 × 1.085 ≈ 71ms 的中断时间间隔，
* 这里用了 200us 做演示，因此选择模式 2。
*/
void Timer0_Init(void) {
EA = 1; // 打开 CPU 中断总开关
ET0 = 1; // 打开 Timer0 的中断允许控制位
TMOD = 0x02; // 设置 Timer0 为 TR0 控制、定时器模式、8 位定时器
TR0 = 1; // 打开 Timer0
TH0 = (256 - 184);
TL0 = (256 - 184); // 时间间隔 200us
}
void timer0() interrupt 1 { // Timer0 的中断号为 1
/* code */
}
思路和实现
前面提到，控制 LED 亮灭的时间的比例变化就可以实现呼吸灯，我先用了最简单的办法实现：
用变量 flag 来划分 0 到 max，i 属于 flag 之前时亮灯，i 属于 flag 之后时灭灯，i 走完 0 到 max 后，flag 移动一位（改变亮灭时间比例）。
#include <reg52.h>
unsigned int max = 100, flag = 0, i = 0;
char step = 1; // 不能用 unsigned
void timer0() interrupt 1 { // Timer0 的中断号为 1
if(i < flag) P1 = 0x00;
if(i >= flag && i <= max) P1 = 0xff;
if(++i == max){
i = 0;
if(flag == max) step = -1;
if(flag == 0) step = 1; // 改变flag移动方向，实现由灭到亮再到亮
flag += step;
}
}
void Timer0_Init(void) {...} // 此处代码与上文相同，故省略
void main() {
Timer0_Init();
while(1);
}
优化：代码精简
这样一来，开发板上已经可以看到不错的呼吸效果了，不过我们仔细看看代码，现在每次中断都要把 LED 的亮灭状态设置一次，而我更想让它只在变化的时候设置一次。那也不难发现，i 从 0 递增到 max，加到 max 后回到 0，而我们刚才说了，i 属于 flag 之前时亮灯，i 属于 flag 之后时灭灯，也就可以简化成：i == 0 || i == flag 时变换亮灭状态，这样就可以把前两句 if 变成一句了。不过实现过程中，仍然发现了需要注意的点：flag 的范围不能再是 0 ~ max，因为当 flag 和 i 都等于 0 时，那一次 i 从 0 到 max 的循环 LED 只会变化一次，具体代码如下：
unsigned int max = 100, flag = 2, i = 0;
char step = 1;
void timer0() interrupt 1 {
if(i == 0 || i == flag) P1 = ~P1;
if(++i > max){
i = 0;
/**
* 下面这一句也可以改，原理近似，但注意点还是挺多的：
* 首先 flag 的初值不能与下面的比较值一样，避免第一次就改变 step；
* 其次 flag 的比较值不可以与 i 的初值一样，这样 i 在一次循环中才可以改变一次亮灭，P1 = ~ P1 才可以按照正常的规律进行，
* 上一句要写 ++i > max 而不是 >= 或 ==，也是这个原因。
* 这里的逻辑还是挺有意思的，读者可以自己尝试不同的初值、比较值，看看呼吸灯是怎样的效果。
*/
if(flag == max || flag == 1) step = -step;
flag += step;
}
}
一些简单的概念
上述的方法中我们通过改变数字信号的占空比，从而实现了近似于输出模拟信号的功能，这就叫做 PWM（脉冲宽度调制），在上文案例中，每 100 次进入定时器中断完成一次从暗到亮的变化，所以我们的 PWM 周期就是 100 × 200us = 2s，我们可以改变定时器周期和 max 变量来配合改变 PWM 周期和亮暗变化的细腻程度，比如将上面代码中的 max 改为 20 就可以得到近似于 Disco 灯球的动感；再比如将定时器的 TH0 TL0 都设置为 0xEC， max 设置为 200，就可以得到变化细腻且在低亮度下也不易观察到频闪的呼吸灯效。读者可以随意尝试看看不一样的效果，而在电机控制等应用场景中，对于 PWM 周期会有更为严格的要求（比如不合适的周期脉冲可能会让电机产生异响等），如果读者是初学者，应该对这些要有一个概念。
参考
