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[Arduino资料] 零知开源——使用 GPIO 模拟时序驱动 WS2812B LED 灯带

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 楼主| lingzhiLab 发表于 2025-2-20 10:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
ws2812, STM32F4, 时序, LED, GPIO
本帖最后由 lingzhiLab 于 2025-2-20 10:51 编辑

#申请原创# ​

利用零知增强版的GPIO 模拟时序      
      
      在本教程中，我们将探讨如何使用 零知增强版的 GPIO 接口来模拟 WS2812B LED 灯带的信号传输时序，从而实现对单色或多彩 LED 灯带的控制。这种技术允许我们避开专用驱动库，直接与硬件进行交互，理解并掌握 WS2812B 的通信机制。


一、工具原料
电脑、Windows系统
零知增强版开发板
Micro-usb线
WS2812RGB灯

       WS2812B 是一款内含控制器芯片的全彩 LED 灯珠，每个灯珠可以独立显示红、绿、蓝三色。它通过单一数据线接收命令，实现高精度颜色控制。


二、硬件连接
                             零知增强版     
                        		                            WS2812B   
                        
                        5V
                        		                        VCC
                        
                        GND
                        		                        GND
                        
                        51
                        		                        Din
                        
1、硬件连接示意图
a8c9671deece4cd0b644ee0a76decd8a.png


2、实际效果
5e843b45eddd424bb8f17811854d456f.png



三、传输时序和颜色控制

1、信号传输时序
WS2812B 的数据传输遵循特定的时间序列：

  • 高电平持续时间决定比特值：T1H 和 T0H 分别代表比特 1 和比特 0 的高电平持续时间。
  • 低电平持续时间：T1L 和 T0L。
注：T1H 为 800ns，T1L 为 450ns 表示 1 比特。
  T0H 为 400ns，T0L 为 850ns 表示 0 比特。


2、颜色控制控制全局亮度和遵循WS2812B发送的时序：

  • 通过brightness参数调节RGB灯的全局亮度
  • WS2812B协议发送时序为G -> R -> B

四、代码驱动

1、相关定义和初始化
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  1. // WS2812B相关定义
    

  2. #define WS2812B_PIN 51      // WS2812B数据引脚
    

  3. #define NUM_LEDS 8          // 灯珠数量
    

  4. #define MAX_BRIGHTNESS 0.5  // 全局亮度调节（范围：0.0 - 1.0）
    

  5.  
    

  6. // WS2812B控制协议时间（根据各自的时序进行修改该定义）
    

  7. #define T1H 800
    

  8. #define T1L 450
    

  9. #define T0H 400
    

  10. #define T0L 850
    

  11.  
    

  12. // 初始化WS2812B引脚
    

  13. void setupWS2812B() {
    

  14.     pinMode(WS2812B_PIN, OUTPUT);
    

  15.     digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
    

  16. }
    

  17.  
    

  18. // 更精确的纳秒延时函数（这里只是示例，实际可能需要更复杂的实现）
    

  19. // 假设使用了支持纳秒级延时的定时器库
    

  20. // 这里暂时使用简单的微秒级延时近似
    

  21. void delayNanoseconds(unsigned long ns) {
    

  22.     delayMicroseconds(ns / 1000);
    

  23. }


2、控制颜色和发送相关数据
复制
  1. // 发送一个比特
    

  2. void WS2812B_SendBit(bool bitVal) {
    

  3.     if (bitVal) {
    

  4.         // 发送逻辑1
    

  5.         digitalWrite(WS2812B_PIN, HIGH);
    

  6.         delayNanoseconds(T1H);
    

  7.         digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
    

  8.         delayNanoseconds(T1L);
    

  9.     } else {
    

  10.         // 发送逻辑0
    

  11.         digitalWrite(WS2812B_PIN, HIGH);
    

  12.         delayNanoseconds(T0H);
    

  13.         digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
    

  14.         delayNanoseconds(T0L);
    

  15.     }
    

  16. }
    

  17.  
    

  18. // 发送一个字节
    

  19. void WS2812B_SendByte(uint8_t byte) {
    

  20.     for (int i = 7; i >= 0; i--) {
    

  21.         WS2812B_SendBit(byte & (1 << i));
    

  22.     }
    

  23. }
    

  24.  
    

  25. // 发送RGB颜色数据（带亮度调节）
    

  26. void WS2812B_SendColor(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, float brightness) {
    

  27.     // 应用全局亮度调节
    

  28.     red = (uint8_t)(red * brightness * MAX_BRIGHTNESS);
    

  29.     green = (uint8_t)(green * brightness * MAX_BRIGHTNESS);
    

  30.     blue = (uint8_t)(blue * brightness * MAX_BRIGHTNESS);
    

  31.  
    

  32.     // WS2812B协议发送顺序：G -> R -> B
    

  33.     WS2812B_SendByte(green);
    

  34.     WS2812B_SendByte(red);
    

  35.     WS2812B_SendByte(blue);
    

  36. }


3、实现流水灯、呼吸灯等功能
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  1. // 效果：彩虹追逐
    

  2. void rainbowChaseEffect(uint8_t wait) {
    

  3.     for (int offset = 0; offset < 255; offset++) {
    

  4.         for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
    

  5.             int hue = (i * 255 / NUM_LEDS + offset) % 255;
    

  6.             uint8_t r = 0, g = 0, b = 0;
    

  7.             if (hue < 85) {
    

  8.                 r = 255 - hue * 3;
    

  9.                 g = hue * 3;
    

  10.                 b = 0;
    

  11.             } else if (hue < 170) {
    

  12.                 hue -= 85;
    

  13.                 r = 0;
    

  14.                 g = 255 - hue * 3;
    

  15.                 b = hue * 3;
    

  16.             } else {
    

  17.                 hue -= 170;
    

  18.                 r = hue * 3;
    

  19.                 g = 0;
    

  20.                 b = 255 - hue * 3;
    

  21.             }
    

  22.             WS2812B_SendColor(r, g, b, MAX_BRIGHTNESS);
    

  23.         }
    

  24.         delay(wait);
    

  25.     }
    

  26. }
    

  27.  
    

  28. // 呼吸灯效果
    

  29. void breathAndFlow(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, uint8_t steps, uint16_t period, uint8_t wait, uint8_t iterations) {
    

  30.     int ledStep[NUM_LEDS]; // 为每个 LED 创建一个步骤计数器
    

  31.     for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
    

  32.         ledStep[i] = 0; // 初始化每个LED的步进
    

  33.     }
    

  34.  
    

  35.     uint8_t cycleCounter = 0; // 添加循环计数器
    

  36.  
    

  37.     while (cycleCounter < iterations) { // 有限循环，迭代指定次数
    

  38.         for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
    

  39.             // 计算当前 LED 的亮度比例
    

  40.             float brightness = (sin(ledStep[i] * (M_PI / (steps))) + 1) / 2;
    

  41.             WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness); // 使用计算出的亮度
    

  42.  
    

  43.             // 更新 LED 的步骤计数器，模拟呼吸效果
    

  44.             ledStep[i] = (ledStep[i] + 1) % (steps * 2); // 确保计数器在达到两倍步骤后重置
    

  45.  
    

  46.             // 计算每个步骤的时间间隔
    

  47.             delayMicroseconds(period / steps);
    

  48.         }
    

  49.        
    

  50.         // 在一轮呼吸之后关闭所有灯
    

  51.         clearAllLeds();
    

  52.  
    

  53.         // 增加循环计数器
    

  54.         cycleCounter++;
    

  55.  
    

  56.         // 根据需要添加延迟，虽然这不是必须的
    

  57.         delay(wait);
    

  58.     }
    

  59. }
    

  60.  
    

  61. // 增加一个状态变量来记录是否有颜色覆盖
    

  62. bool isCovered = false;
    

  63.  
    

  64. // 流水灯
    

  65. void ShampEffect(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, uint8_t trailDecay, uint8_t wait) {
    

  66.     // 特殊处理第一个灯
    

  67.     WS2812B_SendColor(red, green, blue, MAX_BRIGHTNESS);
    

  68.     // 从第二个灯开始的索引为1
    

  69.     for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
    

  70.         for (int j = 0; j <= NUM_LEDS; j++) {
    

  71.             if (i - j == 0) {
    

  72.                 if (!isCovered) {
    

  73.                     // 如果没有被覆盖，设置为绿色
    

  74.                     WS2812B_SendColor(0, 0, 0, MAX_BRIGHTNESS);
    

  75.                 } else {
    

  76.                     WS2812B_SendColor(red, green, blue, MAX_BRIGHTNESS);
    

  77.                 }
    

  78.             } else {
    

  79.                 WS2812B_SendColor(0, 0, 0, MAX_BRIGHTNESS * trailDecay / 255.0);
    

  80.             }
    

  81.         }
    

  82.         if (i == NUM_LEDS - 1) {
    

  83.             // 当到达最后一个灯时，标记为已覆盖
    

  84.             isCovered = true;
    

  85.         }
    

  86.         delay(wait);
    

  87.     }
    

  88. }


4、控制灯的状态
复制
  1. // 设置特定位置灯珠颜色
    

  2. void setLedColor(uint8_t pos, uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, float brightness) {
    

  3.     if (pos < NUM_LEDS) {
    

  4.         // 只发送前面灯珠的关闭信号，直到要设置颜色的灯珠位置
    

  5.         for (int i = 0; i < pos; i++) {
    

  6.             WS2812B_SendColor(0, 0, 0, 0);
    

  7.         }
    

  8.         // 设置目标灯珠颜色
    

  9.         WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness);
    

  10.         // 发送后面灯珠的关闭信号，从目标灯珠的下一个位置开始
    

  11.         for (int i = pos + 1; i < NUM_LEDS; i++) {
    

  12.             WS2812B_SendColor(0, 0, 0, 0);
    

  13.         }
    

  14.     }
    

  15. }
    

  16.  
    

  17. // 设置所有灯珠颜色
    

  18. void setAllLeds(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, float brightness) {
    

  19.     clearAllLeds();// 先清除所有灯珠，确保没有杂色
    

  20.     for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
    

  21.         WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness);
    

  22.     }
    

  23. }
    

  24.  
    

  25. // 清除所有灯珠
    

  26. void clearAllLeds() {
    

  27.     for (int i = 0; i < NUM_LEDS * 3; i++) {
    

  28.         WS2812B_SendByte(0);
    

  29.     }
    

  30. }


5、主循环
复制
  1. // 初始化
    

  2. void setup() {
    

  3.     setupWS2812B();
    

  4.     clearAllLeds();  // 确保灯带初始状态关闭
    

  5. }
    

  6.  
    

  7. // 主循环
    

  8. void loop() {
    

  9.     uint8_t Count = 0;
    

  10.     //clearAllLeds();
    

  11.     // 设置第六个灯珠为蓝色
    

  12.     //setLedColor(5, 0, 0, 255, MAX_BRIGHTNESS);
    

  13.     //delay(500);
    

  14.     while(Count < 10)
    

  15.     {
    

  16.       ShampEffect(0, 0, random(255), 256, 200);
    

  17.       Count ++;
    

  18.     }
    

  19.    
    

  20.     //rainbowChaseEffect(1000);
    

  21.     breathAndFlow(0,255,0,5,50,100,100);
    

  22. }


五、成果展示将上诉代码验证后上传到零知板，可以看到以下流水灯、呼吸灯等测试结果。
https://live.csdn.net/v/437153?spm=1001.2014.3001.5501

使用 GPIO 模拟时序驱动 WS2812B LED 灯带

1277267b6966836429.png
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王栋春 发表于 2025-2-20 13:48 | 显示全部楼层
做常识性围观一下，毕竟很多代码都不认识。
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评论

lingzhiLab
代码中也可能存在问题，互相学习探讨！  发表于 2025-2-20 15:11
wang1979 发表于 2025-2-21 09:32 | 显示全部楼层
非常不错的学习实例
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xionghaoyun 发表于 2025-2-22 08:21 | 显示全部楼层
用定时器写好些
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评论

lingzhiLab
是的，幻彩灯要求的时序非常精确  发表于 2025-2-22 09:40
通宵敲代码 发表于 2025-2-28 17:05 | 显示全部楼层
数年前用2812玩过两米长的灯带，小二百颗灯珠
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gejigeji521 发表于 2025-3-1 16:07 | 显示全部楼层
如果用SPI的话，那使用DMA发送是不是更给力。
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lingzhiLab
对的，传输大数据量时使用DMA更合适  发表于 2025-3-5 16:17
暖心小太阳 发表于 2025-3-30 12:05 | 显示全部楼层
在实现流水灯和呼吸灯功能时，是不是可以通过调整代码中的参数来改变灯带的显示效果
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lingzhiLab
按理来说可以改变颜色的  发表于 2025-4-1 09:26
gaochy1126 发表于 2025-4-30 09:45 来自手机 | 显示全部楼层
这个不是可以通过spi和dma实现驱动的吗            
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gaochy1126 发表于 2025-4-30 09:46 来自手机 | 显示全部楼层
延时驱动ws2812挺麻烦的               
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gaochy1126 发表于 2025-4-30 09:46 来自手机 | 显示全部楼层
arduino的库挺多的，可以直接使用的            
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gaochy1126 发表于 2025-4-30 09:47 来自手机 | 显示全部楼层
推荐fast led这个库函数，可以试试看   
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 楼主| lingzhiLab 发表于 2025-5-16 13:54 | 显示全部楼层
gaochy1126 发表于 2025-4-30 09:46
延时驱动ws2812挺麻烦的

对的，不仅要考虑时序精确还要数据完整
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hp860629 发表于 2025-6-27 08:42 | 显示全部楼层
lingzhiLab 发表于 2025-5-16 13:54
对的，不仅要考虑时序精确还要数据完整

时许要求太高了，兼容性就差了
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hp860629 发表于 2025-6-27 08:43 | 显示全部楼层
lingzhiLab 发表于 2025-5-16 13:54
对的，不仅要考虑时序精确还要数据完整

有时候换个供应商的灯带就不行
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hp860629 发表于 2025-6-27 08:44 | 显示全部楼层
用51单片机可以达到一样的效果吗？
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hp860629 发表于 2025-6-27 08:45 | 显示全部楼层
gejigeji521 发表于 2025-3-1 16:07
如果用SPI的话，那使用DMA发送是不是更给力。

这种灯珠是集成了芯片在里面吧？
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hp860629 发表于 2025-7-4 09:05 | 显示全部楼层
速度怎么样？
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 楼主| lingzhiLab 发表于 2025-7-7 11:24 | 显示全部楼层
hp860629 发表于 2025-6-27 08:44
用51单片机可以达到一样的效果吗？

51应该也是可以的，单片机时钟频率和存储空间是有要求滴
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 楼主| lingzhiLab 发表于 2025-7-7 11:26 | 显示全部楼层
hp860629 发表于 2025-7-4 09:05
速度怎么样？

STM32传输灯带数据还挺快的
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hp860629 发表于 2025-7-7 14:35 | 显示全部楼层
lingzhiLab 发表于 2025-7-7 11:26
STM32传输灯带数据还挺快的

用STC8H单片机速度还行吗？
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