第2课 科创板-灯光呼吸

1、了解PWM原（yuán）理；

2、利用PWM控制灯亮度；

3、通过编程（chéng）制作呼吸灯（dēng）。

1
PWM原理（lǐ）——Science

PWM又称脉冲宽度调制，就是改变脉冲宽度来（lái）实现对对象的（de）控制，达到预期的效（xiào）果。

我们先来（lái）看（kàn）三组不同的脉（mò）冲信号，如下图所示（shì）：

这是一个周期是10ms的波形（xíng）图（tú），但是在（zài）每（měi）个周期内，高低电平的脉冲宽度各不相同，这就（jiù）是PWM的本质。在这（zhè）里大家要记住一（yī）个概念，叫做（zuò）“占空（kōng）比”，占空比是指在一个周期内，高电平的时间（jiān）占整个周期的比例。比如（rú）第一部分波形的（de）占空比是40%，第（dì）二部分波形占空比是60%，第三（sān）部分波形占（zhàn）空比（bǐ）是80%，这就是PWM原理。

那为何它能对模拟电路进行控（kòng）制呢？在数（shù）字电路（lù）里，只有（yǒu）0和1两种（zhǒng）状态，比如点亮（liàng）LED灯的程序，当我（wǒ）们在（zài）控制程序（xù）里面写“1”时，灯（dēng）就会点亮，写“0”时，灯就会（huì）灭掉。我（wǒ）们让“1”和“0”间隔运行，灯（dēng）就会闪烁。如（rú）果我们把这个间隔不（bú）断的（de）减小，减小到（dào）我们的肉眼分辨不出（chū）来，这时（shí）候灯表现出来的现象就是保持亮的状态，但亮度又没有“1”时（shí）的亮度高。明白（bái）了这个原理（lǐ），那（nà）么我们就可以通过（guò）调（diào）节（jiē）灯亮（liàng）的时间与整个周期的（de）比（bǐ）例（lì）来（lái）调节（jiē）灯的亮度了。

二、试验与科学——Technology and Math

1、利用（yòng）PWM控制灯的亮（liàng）度

认识“数字（zì）”代（dài）码块（kuài）

“数字（zì）”代码块位于“数学”模块（kuài）中（zhōng），它（tā）表示（shì）的是一（yī）个（gè）特定的数（shù）字。

认识“赋值”代码（mǎ）块

“赋（fù）值”代（dài）码块位于“变量”模块中，它的作（zuò）用是定义一个变量，并给（gěi）这（zhè）个变量一个特定值（zhí）。

设置（zhì）一个变量“i”，i的取值（zhí）空间是（shì）0到10，周（zhōu）期为（wéi）10。

i/10就是它的占空比，将i依次从0到10写入程序并下（xià）载（zǎi）到科创板，体验下不同（tóng）占空比时LED灯的亮度变化。

大家已（yǐ）经做（zuò）完试验了，想必大（dà）家会有这样的疑（yí）问，当i=0时，管（guǎn）脚27为（wéi）高电平，0秒后（hòu）为低电平，10毫秒后再变为高电平，如此循环，理论上（shàng）等应（yīng）该是灭的，为什么还稍微（wēi）有点暗（àn）红色呢？

这是因（yīn）为处（chù）理器在执行程序时本来就需要时间的，在执行这段代码时首（shǒu）先执行了（le）管脚27高电平（红灯亮），延时0毫秒，再执行管脚27低电平（红灯灭），这个过程（chéng）需要执行3个程序块，另外在硬件（jiàn）电（diàn）路里（lǐ）往往有震（zhèn）荡出现，电流（liú）不是（shì）马上消失的。

2、初（chū）尝呼（hū）吸灯

认（rèn）识“对“range”中（zhōng）的每个项目”代码块（For循环）

“对“range”中的每个项（xiàng）目”代（dài）码块位于“控制”模块分类中，表示从起始数到终止（zhǐ）数中取出固定步长的变量，并执行（háng）接口中的程（chéng）序（xù）。

呼吸（xī）灯是指灯光在（zài）控制下完成由暗（àn）到亮，再（zài）由亮到暗的（de）逐渐变（biàn）化，感觉好像是人在呼吸。

让灯光（guāng）从暗到亮的逐渐变化过程，可以转化成高电（diàn）平持续时间在固定周期中的比例逐渐升高的过程，即占空（kōng）比（bǐ）从0~1的过程（chéng）。

上图所（suǒ）示程序中， “range”模块（kuài）执行完要（yào）100次（cì），执行一次（cì）周期（qī）10000微秒，即10毫秒。执行完整个“range”模块需要100*10毫秒，即1秒。此为占（zhàn）空（kōng）比从0/10000~10000/10000的LED灯（dēng）。

我（wǒ）们已经实现了LED灯由暗到亮的逐（zhú）渐（jiàn）变化过程，同理可以写出LED灯由亮到按（àn）的逐渐变化过程（chéng）。将两（liǎng）个程序（xù）块放（fàng）到一起，就可以组成一个完整的呼（hū）吸灯了。

3、优化呼吸（xī）灯

认识“初始化PWM模拟输（shū）出”代（dài）码（mǎ）块以及“PWM模拟（nǐ）输（shū）出赋值”代（dài）码块

两（liǎng）个代码（mǎ）块均（jun1）位于“输（shū）入（rù）\输出”模块中。其中“初始化PWM模拟输（shū）出”代码块作用为初（chū）始化指定管（guǎn）脚的PWM模拟输出值； “PWM模（mó）拟输出赋值”代（dài）码块（kuài）作用为将（jiāng）指定（dìng）PWM管脚赋值为特定值（0或1）。

此前PWM的原理以及应用，我们已经学会了。但是我们还有更简单的（de）程序应用，那就是用我们科创板（bǎn）自带的PWM模块。

科创板（bǎn）自带（dài）PWM的赋值范围为0~1023，即占（zhàn）空比从（cóng）0到（dào）1。

板载PWM呼吸灯（dēng）程序：

执（zhí）行以上程序，就（jiù）可以点（diǎn）亮（liàng）板载四个绿色呼吸灯了。

三、延伸与扩展——Arts

想一想，能不能设计一款流水（shuǐ）呼（hū）吸灯呢，怎样去实现？

请（qǐng）以（yǐ）小组的（de）形（xíng）式进行合作，尝试（shì）让多彩LED灯的三色灯光轮流完成一个呼吸灯流程（chéng）。

设（shè）计要求（qiú）：

（能够让多彩LED灯交依次完成一个（gè）呼吸（xī）灯流程（chéng）；

（保证控制方（fāng）式安全可靠。