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PWM实现LED渐变效果及彩灯控制

一、硬件

1. 核心电路设计

模块 参数要求 典型值
PWM控制器 带PWM输出的MCU STM32F103/ESP32
LED类型 共阳/共阴RGB LED WS2812B(数字控制)
限流电阻 根据LED正向压降计算 220Ω-1kΩ
电源 3.3V/5V系统供电 200mA以上

连接示例(STM32)

STM32引脚 → RGB LED
---------------------
TIM3_CH2 → R (PB5)
TIM3_CH3 → G (PB0)
TIM3_CH4 → B (PB1)
GND       → 公共地
3.3V      → 电源输入

2. 电气参数计算

  • 限流电阻计算

    (示例:V_CC=3.3V,V_f=2V,I=20mA → R=65Ω)

  • PWM频率选择

    (推荐值:500Hz-2kHz)


二、软件

1. 基础渐变算法

// 定义颜色通道结构体
typedef struct {uint16_t duty;    // 占空比(0-65535)GPIO_TypeDef* port;uint16_t pin;
} LED_Channel;// 线性渐变函数
void linear_fade(LED_Channel* channels, uint8_t num_channels, uint32_t target_duty, uint32_t step, uint32_t delay_ms) {static int16_t direction = 1;static uint32_t current_duty = 0;for(int i=0; i<num_channels; i++) {current_duty += step * direction;if(current_duty >= 65535 || current_duty <= 0) {direction *= -1;current_duty = constrain(current_duty, 0, 65535);}ledc_set_duty(LEDC_HIGH_SPEED_MODE, channels[i].channel, current_duty);ledc_update_duty(LEDC_HIGH_SPEED_MODE, channels[i].channel);}vTaskDelay(delay_ms / portTICK_PERIOD_MS);
}

2. 呼吸灯实现(STM32 HAL库)

// 定时器配置(TIM3)
void MX_TIM3_Init(void) {TIM_HandleTypeDef htim3;htim3.Instance = TIM3;htim3.Init.Prescaler = 72-1;    // 1MHzhtim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;htim3.Init.Period = 65535;      // 最大占空比htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);// 通道配置TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;sConfigOC.Pulse = 0;sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2); // RHAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_3); // GHAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_4); // BHAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_2);HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_3);HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_4);
}// 呼吸灯主循环
void breathing_led() {uint16_t duty = 0;uint8_t dir = 1;while(1) {__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, duty);__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_3, 65535-duty);__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_4, 0);duty += dir;if(duty == 0 || duty == 65535) dir = -dir;HAL_Delay(1);}
}

三、进阶功能实现

1. 彩虹渐变算法

// HSV转RGB算法
void hsv2rgb(float h, float s, float v, uint16_t* r, uint16_t* g, uint16_t* b) {float c = v * s;float x = c * (1 - fabs(fmod(h/60.0, 2) - 1));float m = v - c;if(h >= 0 && h < 60) { *r = c; *g = x; *b = 0; }else if(h >= 60 && h < 120) { *r = x; *g = c; *b = 0; }else if(h >= 120 && h < 180) { *r = 0; *g = c; *b = x; }else if(h >= 180 && h < 240) { *r = 0; *g = x; *b = c; }else if(h >= 240 && h < 300) { *r = x; *g = 0; *b = c; }else { *r = c; *g = 0; *b = x; }*r = (uint16_t)((*r + m) * 65535 / 255);*g = (uint16_t)((*g + m) * 65535 / 255);*b = (uint16_t)((*b + m) * 65535 / 255);
}// 彩虹渐变主循环
void rainbow_fade() {float hue = 0.0;while(1) {hsv2rgb(hue, 1.0, 1.0, &r_duty, &g_duty, &b_duty);ledc_set_duty(LEDC_HIGH_SPEED_MODE, RED_CHANNEL, r_duty);ledc_set_duty(LEDC_HIGH_SPEED_MODE, GREEN_CHANNEL, g_duty);ledc_set_duty(LEDC_HIGH_SPEED_MODE, BLUE_CHANNEL, b_duty);ledc_update_duty(LEDC_HIGH_SPEED_MODE, RED_CHANNEL);ledc_update_duty(LEDC_HIGH_SPEED_MODE, GREEN_CHANNEL);ledc_update_duty(LEDC_HIGH_SPEED_MODE, BLUE_CHANNEL);hue += 0.5;if(hue >= 360) hue = 0;HAL_Delay(10);}
}

2. 呼吸灯优化方案

// 正弦波呼吸算法
void sine_wave_breathing() {float phase = 0.0;while(1) {float duty = (sin(phase * M_PI / 180) + 1) * 32767; // 16位范围__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, (uint32_t)duty);__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_3, 65535 - (uint32_t)duty);phase += 1;if(phase >= 360) phase = 0;HAL_Delay(1);}
}

四、工程实现要点

1. 硬件保护电路

LED驱动电路设计
----------------
MCU PWM → 电阻 → 二极管 → 电感 → LED↑续流二极管

2. 中断服务程序

// 定时器中断处理
void TIM3_IRQHandler() {if(TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_UPDATE) != RESET) {TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_UPDATE);// 动态调整占空比static uint16_t duty = 0;duty = (duty + 1024) % 65536;TIM_SetCompare2(TIM3, duty);}
}

3. 低功耗优化

// 进入睡眠模式
void enter_sleep_mode() {HAL_PWR_DisablePVD();HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);
}// 唤醒配置
void EXTI0_IRQHandler() {if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);HAL_PWR_DisableSleepDeep();}
}

参考代码 基于PWM的LED渐变效果及彩灯 www.youwenfan.com/contentcnj/72808.html

五、扩展应用场景

1. 智能照明系统

// 光照感应控制
void ambient_light_control() {float lux = read_lux_sensor();float target_duty = 65535 * (lux / 10000.0); // 0-10000luxledc_set_duty(LEDC_HIGH_SPEED_MODE, RED_CHANNEL, target_duty);
}

2. 节日灯光秀

// 预设灯光模式
typedef enum {MODE_STATIC,MODE_FADE,MODE_BREATHE,MODE_RAINBOW
} LightMode;void execute_light_show() {static LightMode current_mode = MODE_STATIC;switch(current_mode) {case MODE_STATIC:set_static_color(0xFFFF, 0x0000, 0x0000); // 纯红色break;case MODE_FADE:linear_fade(channels, 3, 65535, 1024, 50);break;case MODE_BREATHE:sine_wave_breathing();break;case MODE_RAINBOW:rainbow_fade();break;}
}
http://www.sczhlp.com/news/218982/

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