第二章 科創(chuàng)板-燈光呼吸

第2課 科創(chuàng)板-燈光呼吸

1、了解PWM原理；

2、利用PWM控制燈亮度；

3、通過編程制作呼吸燈。

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PWM原理——Science

PWM又稱脈沖寬度調(diào)制，就是改變脈沖寬度來實現(xiàn)對對象的控制，達到預(yù)期的效果。

我們先來看三組不同的脈沖信號，如下圖所示：

這是一個周期是10ms的波形圖，但是在每個周期內(nèi)，高低電平的脈沖寬度各不相同，這就是PWM的本質(zhì)。在這里大家要記住一個概念，叫做“占空比”，占空比是指在一個周期內(nèi)，高電平的時間占整個周期的比例。比如第一部分波形的占空比是40%，第二部分波形占空比是60%，第三部分波形占空比是80%，這就是PWM原理。

那為何它能對模擬電路進行控制呢？在數(shù)字電路里，只有0和1兩種狀態(tài)，比如點亮LED燈的程序，當(dāng)我們在控制程序里面寫“1”時，燈就會點亮，寫“0”時，燈就會滅掉。我們讓“1”和“0”間隔運行，燈就會閃爍。如果我們把這個間隔不斷的減小，減小到我們的肉眼分辨不出來，這時候燈表現(xiàn)出來的現(xiàn)象就是保持亮的狀態(tài)，但亮度又沒有“1”時的亮度高。明白了這個原理，那么我們就可以通過調(diào)節(jié)燈亮的時間與整個周期的比例來調(diào)節(jié)燈的亮度了。

二、試驗與科學(xué)——Technology and Math

1、利用PWM控制燈的亮度

認(rèn)識“數(shù)字”代碼塊

“數(shù)字”代碼塊位于“數(shù)學(xué)”模塊中，它表示的是一個特定的數(shù)字。

認(rèn)識“賦值”代碼塊

“賦值”代碼塊位于“變量”模塊中，它的作用是定義一個變量，并給這個變量一個特定值。

設(shè)置一個變量“i”，i的取值空間是0到10，周期為10。

i/10就是它的占空比，將i依次從0到10寫入程序并下載到科創(chuàng)板，體驗下不同占空比時LED燈的亮度變化。

大家已經(jīng)做完試驗了，想必大家會有這樣的疑問，當(dāng)i=0時，管腳27為高電平，0秒后為低電平，10毫秒后再變?yōu)楦唠娖剑绱搜h(huán)，理論上等應(yīng)該是滅的，為什么還稍微有點暗紅色呢？

這是因為處理器在執(zhí)行程序時本來就需要時間的，在執(zhí)行這段代碼時首先執(zhí)行了管腳27高電平（紅燈亮），延時0毫秒，再執(zhí)行管腳27低電平（紅燈滅），這個過程需要執(zhí)行3個程序塊，另外在硬件電路里往往有震蕩出現(xiàn)，電流不是馬上消失的。

2、初嘗呼吸燈

認(rèn)識“對“range”中的每個項目”代碼塊（For循環(huán)）

“對“range”中的每個項目”代碼塊位于“控制”模塊分類中，表示從起始數(shù)到終止數(shù)中取出固定步長的變量，并執(zhí)行接口中的程序。

呼吸燈是指燈光在控制下完成由暗到亮，再由亮到暗的逐漸變化，感覺好像是人在呼吸。

讓燈光從暗到亮的逐漸變化過程，可以轉(zhuǎn)化成高電平持續(xù)時間在固定周期中的比例逐漸升高的過程，即占空比從0~1的過程。

上圖所示程序中， “range”模塊執(zhí)行完要100次，執(zhí)行一次周期10000微秒，即10毫秒。執(zhí)行完整個“range”模塊需要100*10毫秒，即1秒。此為占空比從0/10000~10000/10000的LED燈。

我們已經(jīng)實現(xiàn)了LED燈由暗到亮的逐漸變化過程，同理可以寫出LED燈由亮到按的逐漸變化過程。將兩個程序塊放到一起，就可以組成一個完整的呼吸燈了。

3、優(yōu)化呼吸燈

認(rèn)識“初始化PWM模擬輸出”代碼塊以及“PWM模擬輸出賦值”代碼塊

兩個代碼塊均位于“輸入\輸出”模塊中。其中“初始化PWM模擬輸出”代碼塊作用為初始化指定管腳的PWM模擬輸出值； “PWM模擬輸出賦值”代碼塊作用為將指定PWM管腳賦值為特定值（0或1）。

此前PWM的原理以及應(yīng)用，我們已經(jīng)學(xué)會了。但是我們還有更簡單的程序應(yīng)用，那就是用我們科創(chuàng)板自帶的PWM模塊。

科創(chuàng)板自帶PWM的賦值范圍為0~1023，即占空比從0到1。

板載PWM呼吸燈程序：

執(zhí)行以上程序，就可以點亮板載四個綠色呼吸燈了。

三、延伸與擴展——Arts

想一想，能不能設(shè)計一款流水呼吸燈呢，怎樣去實現(xiàn)？

請以小組的形式進行合作，嘗試讓多彩LED燈的三色燈光輪流完成一個呼吸燈流程。

設(shè)計要求：

（能夠讓多彩LED燈交依次完成一個呼吸燈流程；

（保證控制方式安全可靠。