Arduino基礎(chǔ)：調(diào)節(jié)LED的亮度

這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。

Originally published by Feb 5, 2020

前言

本文最初發(fā)布在deviceplus.jp網(wǎng)站上，而后被翻譯成英語。

Device Plus網(wǎng)站中介紹了有關(guān)Arduino的各種應(yīng)用和作品示例，但無論創(chuàng)作任何作品，基礎(chǔ)知識都很重要！
在本文中，我們將通過使Arduino能夠調(diào)節(jié)LED亮度，為您帶來“關(guān)鍵”的Arduino基礎(chǔ)知識。

我們曾介紹過，通過將LED連接到Arduino的數(shù)字輸出引腳，并設(shè)置HIGH (5V) 和LOW (0V) ，可以輕松地切換LED的開和關(guān)。但是，由于數(shù)字輸出只能輸出兩種狀態(tài)，因此無法進行亮度調(diào)節(jié)等控制。

要想解決這個問題，您可以使用“PWM”輸出。PWM可在HIGH和LOW狀態(tài)之間反復(fù)切換輸出，所以可以用來調(diào)節(jié)LED的亮度。
在本文中，我們將學(xué)習如何使用PWM來調(diào)節(jié)LED的亮度。我們還將學(xué)習如何編寫使用PWM輸出逐漸點亮LED的程序。

數(shù)字不能調(diào)節(jié)亮度

正如我們上次介紹過的，LED的亮度會隨電流的變化而變化。比如，分別通過330Ω的電阻和10kΩ的電阻來調(diào)節(jié)連接到LED的電流量，并對它們的結(jié)果進行比較時，會發(fā)現(xiàn)連接330Ω小電阻時電流量更大，這會使LED更亮?；蛘?，改變連接到LED的電源電壓，也會使流過的電流量發(fā)生變化。

如果分別施加5V和3.3V的電壓，施加5V電壓時LED燈更亮。根據(jù)上一次介紹過的電阻和流過LED的電流之間的關(guān)系式，要想讓LED更亮，要么“降低電阻”，要么“提高電壓”。

然而，Arduino的數(shù)字輸出只有HIGH (5V)或 LOW (0V)兩種狀態(tài)，這意味著直接連接并不能改變電壓和電阻值，也就是說，無法調(diào)節(jié)LED的亮度。但是，雖然只有HIGH和LOW兩種輸出狀態(tài)，通過一些努力還是可以改變LED亮度的。

使用數(shù)字輸出改變LED亮度

讓我們嘗試一下只用數(shù)字輸出來改變LED的亮度吧。亮度可以通過讓LED閃爍來調(diào)節(jié)。我們按照步驟一步一步來實際操作，看看LED的亮度是如何變化的。將LED連接到Arduino的數(shù)字引腳5，如下圖所示：

接下來，創(chuàng)建如下所示的程序并將其傳送給Arduino。此時，LED應(yīng)該會每隔1秒閃爍1次。

在程序中，通過第11行的“digitalWrite( LED_PIN, HIGH )”輸出HIGH，使LED亮起，然后通過第12行的“delay (ON_TIME)”在指定的時間內(nèi)保持亮燈。持續(xù)時間以毫秒為單位，如果指定1000，則LED將保持點亮1秒鐘。

接下來，通過第14行的“digitalWrite( LED_PIN, LOW )”輸出LOW，使LED熄滅，然后通過第15行的“delay( OFF_TIME )”在指定的時間內(nèi)保持熄滅狀態(tài)。通過反復(fù)執(zhí)行該程序即可實現(xiàn)LED的閃爍。

下面，讓我們嘗試一下縮短點亮和熄滅的持續(xù)時間?？梢允褂玫?行的“const int ON_TIME”來更改點亮狀態(tài)的持續(xù)時間，使用第4行的“const int OFF_TIME”來更改熄滅狀態(tài)的持續(xù)時間。將這兩個值都更改為“500”并發(fā)送程序，然后確認LED的狀態(tài)?？梢钥吹介W爍速度增加。接著，當將值逐漸減小到“250”、“100”、“75”、“50”等數(shù)字時，閃爍速度變得更快。當值為“10”左右時，LED看起來像在保持點亮狀態(tài)。這是因為如果它閃爍得太快，人眼就跟不上它的速度，從而使燈看起來就像一直亮著。

接下來，我們試著改變點亮和熄滅的持續(xù)時間。將“ON_TIME”和“OFF_TIME”都設(shè)置為“10”。然后，依次將“ON_TIME”的值更改為“9”、“8”、“7”……“1”，并確認LED的點亮狀態(tài)?？梢钥吹疆敎p小該值時，LED會逐漸變暗。

這是因為持續(xù)亮燈時間縮短，發(fā)光量減少，從而使LED看起來變暗。也就是說，通過改變“點亮持續(xù)時間”也可以調(diào)節(jié)LED的亮度。使用該方法，可以實現(xiàn)用僅能控制開/關(guān)的Arduino數(shù)字輸出功能來控制LED的亮度。

通過PWM調(diào)節(jié)亮度

如上所述，通過調(diào)整HIGH和LOW的比例，使LED以較短的周期閃爍，即可調(diào)節(jié)LED的亮度。但是，自己創(chuàng)建程序來控制閃爍持續(xù)時間并不現(xiàn)實。因為處理其他程序需要時間，而這會使閃爍間隔出現(xiàn)偏差，從而會使亮度發(fā)生變化。

Arduino可以使用PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）功能來周期性地輸出HIGH和LOW。PWM是以指定的速率周期性地在HIGH和LOW之間切換的一種功能，可用于上述的LED亮度調(diào)節(jié)。

但是，需要注意的是，可用于PWM功能的引腳在Arduino中是固定的。只有數(shù)字旁邊帶有“?”標記的引腳（即引腳3、5、6、9、10和11）可使用PWM功能，其他引腳不支持PWM輸出。

另外，由于PWM是通過Arduino的微控制器產(chǎn)生的功能，因此具有輸出穩(wěn)定、不影響程序運行的優(yōu)點。
在這里，我們將LED連接到引腳5來試一下。用與前述電路相同的方式連接LED。
接下來，創(chuàng)建如下所示的程序并將其發(fā)送給Arduino，LED將會亮起，但是較暗。

通過PWM功能輸出時，需要通過第6行的“pinMode()”將對象引腳設(shè)置為輸出模式。實際輸出時，使用第10行的“analogWrite()”。指定對象引腳編號，然后在0到255的范圍內(nèi)設(shè)置保持HIGH的比率。如果設(shè)置為“0”，將始終輸出LOW，如果設(shè)置為“255”，則始終輸出HIGH。如果設(shè)置為“127”，將會以各一半的比率輸出HIGH和LOW。

在這個程序中，可以通過第3行的“const int DUTY”來指定PWM比率。更改該值可以確認亮度的變化情況。

讓LED逐漸閃爍

我們使用PWM輸出拓展了LED點亮的方法?，F(xiàn)在，讓我們逐漸改變PWM來嘗試實現(xiàn)LED逐漸變亮的效果。

編寫如下程序：

在上述程序中，將PWM比率存儲在loop()函數(shù)中使用的“i”變量中，以使其可以逐漸增加該值，從而使LED逐漸變亮。

第14行的while處理以STEP指定的增量增加值，直到i達到 255。增加的值由第15行的analogWrite()輸出，以使LED的亮度改變。此外，每次第16行的PWM輸出改變時，將等待由WAITTIME指定的持續(xù)時間。

當PWM比率達到255時，它會逐漸減小該值直到0，以使LED逐漸變暗（第21到25行）?？梢酝ㄟ^更改第3行的WAITTIME或第4行的STEP的值來調(diào)節(jié)閃爍速度。

此次我們學(xué)習了如何控制LED的亮度。下篇再見！

審核編輯：湯梓紅