第2课 科创（chuàng）板-灯光呼吸

1、了解PWM原理；

2、利（lì）用PWM控制灯亮度；

3、通过编（biān）程制（zhì）作呼吸（xī）灯。

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PWM原理——Science

PWM又称脉冲宽度调（diào）制，就是改变（biàn）脉冲宽度来实（shí）现对对象的（de）控（kòng）制，达到预（yù）期的效果。

我们先（xiān）来（lái）看三组不同的脉冲信号，如下（xià）图所示（shì）：

这（zhè）是一个周期（qī）是10ms的波形图，但是在每个周期内，高低电平的脉（mò）冲宽度各不（bú）相同，这就（jiù）是（shì）PWM的（de）本质。在这里大家要记住一个概念，叫做“占空比”，占空比是指（zhǐ）在一个周期内，高电平的时间（jiān）占整个周期的比例。比（bǐ）如第一（yī）部分（fèn）波形的占空比是40%，第（dì）二部分波形占空比是60%，第三（sān）部分（fèn）波形占空比是（shì）80%，这就是（shì）PWM原理。

那为何它能对模拟电路进（jìn）行控制呢？在数字电（diàn）路（lù）里，只（zhī）有0和1两种状态（tài），比如点亮（liàng）LED灯的（de）程序，当我们（men）在控制程（chéng）序里面写“1”时，灯（dēng）就会（huì）点亮，写“0”时，灯就会灭掉。我们让（ràng）“1”和（hé）“0”间隔运行，灯就会闪烁（shuò）。如果我们把这个间隔不断的（de）减小，减小到我（wǒ）们的肉眼分辨不（bú）出（chū）来，这时候灯表（biǎo）现出来的现象就是（shì）保持亮的状态，但亮（liàng）度又（yòu）没有“1”时的亮度（dù）高。明白了这（zhè）个原理，那么我们就（jiù）可以通过调节灯（dēng）亮的时（shí）间与整个周（zhōu）期的比例（lì）来（lái）调（diào）节灯的亮度了（le）。

二（èr）、试验与科学——Technology and Math

1、利用PWM控制灯的亮度

认识“数字（zì）”代码（mǎ）块（kuài）

“数字（zì）”代码块位于“数学”模块中，它表示（shì）的（de）是一个特定（dìng）的数字。

认识“赋值”代码块（kuài）

“赋值”代（dài）码块位（wèi）于“变（biàn）量”模块中，它（tā）的作用是定义（yì）一个变量，并（bìng）给这个变（biàn）量（liàng）一个特定值。

设置一（yī）个（gè）变量“i”，i的（de）取值空间是0到10，周（zhōu）期为10。

i/10就是它的占空比，将i依次从0到10写入程（chéng）序并（bìng）下载到科创板，体验下不同（tóng）占空比时LED灯（dēng）的亮（liàng）度变化（huà）。

大家已经做完试验了，想必（bì）大家会有这（zhè）样的疑问，当i=0时（shí），管脚27为高电平，0秒后为低电平，10毫（háo）秒后再变（biàn）为高电（diàn）平（píng），如（rú）此（cǐ）循（xún）环，理（lǐ）论上等应该是灭的，为（wéi）什么还稍微有点暗红色（sè）呢？

这（zhè）是因为处理器在执行程（chéng）序时本来（lái）就需要时间的，在执行这段（duàn）代码时首先执行了管脚（jiǎo）27高电平（红（hóng）灯（dēng）亮），延时0毫秒，再执行管脚27低电平（红灯（dēng）灭），这个过程需要执行3个（gè）程序块，另外在硬件电路里（lǐ）往往有震荡（dàng）出现，电流不（bú）是马上消失的。

2、初尝（cháng）呼吸灯

认识“对（duì）“range”中的（de）每个项目”代码块（For循环）

“对“range”中的每个（gè）项目”代码块位于“控制”模块（kuài）分类中，表（biǎo）示从起始数到终止数中取出固定步长的变量，并执行接（jiē）口中（zhōng）的程序。

呼（hū）吸灯是指灯光在控制（zhì）下完成由暗到亮，再由亮到暗的逐（zhú）渐变化（huà），感觉好（hǎo）像是人在呼（hū）吸。

让灯光从暗（àn）到亮的逐渐变化过程，可以转化成高电平（píng）持续（xù）时间在（zài）固定（dìng）周（zhōu）期中的比例逐渐升高的（de）过程，即占空比从0~1的过（guò）程。

上（shàng）图所示程序（xù）中， “range”模块执行（háng）完要（yào）100次，执行一（yī）次（cì）周（zhōu）期（qī）10000微秒，即10毫（háo）秒（miǎo）。执行完整个“range”模块（kuài）需要100*10毫（háo）秒，即（jí）1秒（miǎo）。此（cǐ）为占空比从0/10000~10000/10000的LED灯。

我们（men）已（yǐ）经实现了LED灯（dēng）由暗（àn）到亮的逐渐变化过（guò）程，同理可以写出LED灯由亮（liàng）到按（àn）的逐渐变（biàn）化过程。将两（liǎng）个程序块（kuài）放到一（yī）起，就可以（yǐ）组（zǔ）成一个完整（zhěng）的呼吸灯了。

3、优化呼吸灯

认识（shí）“初始化PWM模拟输出”代码（mǎ）块以及“PWM模（mó）拟输出赋值”代码块

两个代（dài）码（mǎ）块（kuài）均位于“输入\输出”模块中。其中“初始（shǐ）化PWM模（mó）拟输出”代码块作用为初始化指（zhǐ）定管脚的（de）PWM模拟输（shū）出值； “PWM模（mó）拟输出赋值”代码（mǎ）块作用为将指定PWM管脚赋值（zhí）为特定值（0或（huò）1）。

此前PWM的原理以及应用（yòng），我们（men）已经（jīng）学会了。但是我们还有更简单的程序（xù）应用，那（nà）就是用我们科创板自带的（de）PWM模块。

科创板自带（dài）PWM的赋值（zhí）范围为0~1023，即占空比从0到1。

板载（zǎi）PWM呼吸灯程序：

执（zhí）行以上程序（xù），就可以点亮板载四（sì）个（gè）绿色（sè）呼吸灯了。

三、延伸（shēn）与扩（kuò）展——Arts

想一想，能不（bú）能设计一款流水呼吸灯呢，怎样去实现？

请以小组（zǔ）的形式进行（háng）合作，尝试让多彩LED灯（dēng）的（de）三（sān）色灯光轮流（liú）完（wán）成（chéng）一个（gè）呼吸灯流（liú）程。

设计要求：

（能够让多彩LED灯交依次完成一个呼吸灯流程；

（保证控制（zhì）方式安全可靠。