调节LED的亮度
虽然Devices Plus已经介绍过Arduino的多种应用和作品示例,但是了解相关基础知识对于任何项目的构建仍然是非常重要的!
这次,我们将为您介绍Arduino电子制作的基础知识。此次的分享嘉宾是著名的福田和宏老师,他因编写了《有这本书足够!用Arduino开始电子制作 超简单入门教程》等书籍而广为人知。
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前面我们曾介绍过,通过将LED连接到Arduino的数字输出引脚,并设置HIGH (5V) 和LOW (0V) ,可以轻松地切换LED的开(点亮)和关(熄灭)。
但是,由于数字输出只能输出两种状态,因此无法进行亮度调节等控制。要想解决这个问题,您可以使用“PWM”输出功能。该功能可在HIGH和LOW状态之间反复切换输出,所以可以用来调节LED的亮度。
在本文中,将为您介绍如何使用PWM来调节LED的亮度。另外,还会为您介绍如何编写使用PWM输出徐缓地点亮LED的程序。
目录
数字不能调节亮度
正如我们上次介绍过的,LED的亮度会随电流的变化而变化。比如,分别通过330Ω的电阻和10kΩ的电阻来调节连接到LED的电流量,并对它们的结果进行比较时,会发现连接330Ω小电阻时电流量更大,这会使LED更亮。或者,改变连接到LED的电源电压,也会使流过的电流量发生变化。
如果分别施加5V和3.3V的电压,施加5V电压时LED灯更亮。根据上一次介绍过的电阻和流过LED的电流之间的关系式,要想让LED更亮,要么“降低电阻”,要么“提高电压”。
然而,Arduino的数字输出只有HIGH (5V)或 LOW (0V)两种状态,这意味着直接连接并不能改变电压和电阻值,也就是说,无法调节LED的亮度。但是,虽然只有HIGH和LOW两种输出状态,通过一些努力还是可以改变LED亮度的。
使用数字输出改变LED亮度
让我们尝试一下只用数字输出来改变LED的亮度吧。亮度可以通过让LED闪烁来调节。我们按照步骤一步一步来实际操作,看看LED的亮度是如何变化的。所用的电子部件与是在第2篇中使用的LED和电阻器相同。将LED连接到Arduino的数字引脚5,如下图所示:
接下来,创建如下所示的程序并将其传送给Arduino。此时,LED应该会每隔1秒闪烁1次。
const int LED_PIN = 5; const int ON_TIME = 1000; const int OFF_TIME = 1000; void setup(){ pinMode( LED_PIN, OUTPUT ); } void loop(){ digitalWrite( LED_PIN, HIGH ); delay( ON_TIME ); digitalWrite( LED_PIN, LOW ); delay( OFF_TIME ); }
在程序中,通过第11行的“digitalWrite( LED_PIN, HIGH )”输出HIGH,使LED亮起,然后通过第12行的“delay (ON_TIME)”在指定的时间内保持亮灯。持续时间以毫秒为单位,如果指定1000,则LED将保持点亮1秒钟。
接下来,通过第14行的“digitalWrite( LED_PIN, LOW )”输出LOW,使LED熄灭,然后通过第15行的“delay( OFF_TIME )”在指定的时间内保持熄灭状态。通过反复执行该程序即可实现LED的闪烁。
下面,让我们尝试一下缩短点亮和熄灭的持续时间。可以使用第3行的“const int ON_TIME”来更改点亮状态的持续时间,使用第4行的“const int OFF_TIME”来更改熄灭状态的持续时间。将这两个值都更改为“500”并发送程序,然后确认LED的状态。可以看到闪烁速度增加。接着,当将值逐渐减小到“250”、“100”、“75”、“50”等数字时,闪烁速度变得更快。当值为“10”左右时,LED看起来像在保持点亮状态。这是因为如果它闪烁得太快,人眼就跟不上它的速度,从而使灯看起来就像一直亮着。
接下来,我们试着改变点亮和熄灭的持续时间。将“ON_TIME”和“OFF_TIME”都设置为“10”。然后,依次将“ON_TIME”的值更改为“9”、“8”、“7”……“1”,并确认LED的点亮状态。可以看到当减小该值时,LED会逐渐变暗。
这是因为持续亮灯时间缩短,发光量减少,从而使LED看起来变暗。也就是说,通过改变“点亮持续时间”也可以调节LED的亮度。使用该方法,可以实现用仅能控制开/关的Arduino数字输出功能来控制LED的亮度。
通过PWM调节亮度
如上所述,通过调整HIGH和LOW的比例,使LED以较短的周期闪烁,即可调节LED的亮度。但是,自己创建程序来控制闪烁持续时间并不现实。因为处理其他程序需要时间,而这会使闪烁间隔出现偏差,从而会使亮度发生变化。
Arduino可以使用PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)功能来周期性地输出HIGH和LOW。PWM是以指定的速率周期性地在HIGH和LOW之间切换的一种功能,可用于上述的LED亮度调节。
但是,需要注意的是,可用于PWM功能的引脚在Arduino中是固定的。只有数字旁边带有“〜”标记的引脚(即引脚3、5、6、9、10和11)可使用PWM功能,其他引脚不支持PWM输出。
另外,由于PWM是通过Arduino的微控制器产生的功能,因此具有输出稳定、不影响程序运行的优点。
在这里,我们将LED连接到引脚5来试一下。用与前述电路相同的方式连接LED。
接下来,创建如下所示的程序并将其发送给Arduino,LED将会亮起,但是较暗。
const int LED_PIN = 5; const int DUTY = 64; void setup(){ pinMode( LED_PIN, OUTPUT ); } void loop(){ analogWrite( LED_PIN, DUTY ); }
通过PWM功能输出时,需要通过第6行的“pinMode()”将对象引脚设置为输出模式。实际输出时,使用第10行的“analogWrite()”。指定对象引脚编号,然后在0到255的范围内设置保持HIGH的比率。如果设置为“0”,将始终输出LOW,如果设置为“255”,则始终输出HIGH。如果设置为“127”,将会以各一半的比率输出HIGH和LOW。
在这个程序中,可以通过第3行的“const int DUTY”来指定PWM比率。更改该值可以确认亮度的变化情况。
让LED徐缓闪烁
我们使用PWM输出拓展了LED点亮的方法。现在,让我们逐渐改变PWM来尝试实现LED逐渐变亮的效果。
编写如下程序。
const int LED_PIN = 5; const int WAITTIME = 50; const int STEP = 5; void setup(){ pinMode( LED_PIN, OUTPUT ); } void loop(){ int i; i = 0; while ( i <= 255 ){ analogWrite( LED_PIN, i ); delay( WAITTIME ); i = i + STEP; } i = 255; while ( i >= 0 ){ analogWrite( LED_PIN, i ); delay( WAITTIME ); i = i - STEP; } }
在程序中,将PWM比率存储在loop()函数中使用的“i”变量中,以使其可以逐渐增加该值,从而使LED徐缓变亮。
第14行的while处理以STEP指定的增量增加值,直到i达到 255。增加的值由第15行的analogWrite()输出,以使LED的亮度改变。此外,每次第16行的PWM输出改变时,将等待由WAITTIME指定的持续时间。
当PWM比率达到255时,它会逐渐减小该值直到0,以使LED逐渐变暗(第21到25行)。可以通过更改第3行的WAITTIME或第4行的STEP的值来调节闪烁速度。