第2课 科创板-灯光（guāng）呼吸

1、了（le）解PWM原理；

2、利（lì）用PWM控制灯亮度；

3、通过编程制作呼吸灯。

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PWM原理——Science

PWM又称脉冲（chōng）宽度调制，就是改变脉冲宽（kuān）度（dù）来实现对对象（xiàng）的控制，达（dá）到预期（qī）的效（xiào）果。

我们先来看（kàn）三组（zǔ）不同（tóng）的脉冲信（xìn）号，如下图所示：

这是一（yī）个周期是10ms的波形图，但（dàn）是在每个周期内，高（gāo）低电平的脉冲宽度各不相同，这就（jiù）是PWM的本质（zhì）。在这里（lǐ）大家（jiā）要记住（zhù）一（yī）个概念，叫做“占空比”，占空比是（shì）指在（zài）一个（gè）周期内，高电平（píng）的时间占整个周期的比例。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（kōng）比是80%，这就是PWM原理。

那为何它（tā）能（néng）对模拟电路进行控制呢？在数字电路里（lǐ），只有0和1两种状（zhuàng）态（tài），比如点亮LED灯的程序，当我们在（zài）控制程（chéng）序里面（miàn）写“1”时，灯就会点亮，写（xiě）“0”时，灯就会灭掉。我们让“1”和“0”间隔（gé）运（yùn）行（háng），灯（dēng）就会闪（shǎn）烁。如果（guǒ）我们把这个间隔不断的减小，减小到（dào）我们（men）的肉（ròu）眼分（fèn）辨不出来，这时候灯表现（xiàn）出来的现象（xiàng）就是保持亮的状态（tài），但亮度又没有“1”时的亮度高。明白了这个原理，那么我们就可以（yǐ）通过调（diào）节灯亮的时（shí）间（jiān）与整个周期的比例来调节灯（dēng）的（de）亮（liàng）度了。

二（èr）、试验与科学——Technology and Math

1、利用PWM控（kòng）制（zhì）灯的亮（liàng）度（dù）

认识“数字（zì）”代码块

“数字”代码块位（wèi）于“数学”模块中，它表示的是一个特定（dìng）的数字。

认识“赋值”代（dài）码块（kuài）

“赋（fù）值”代码块位于“变量”模块（kuài）中（zhōng），它（tā）的作（zuò）用是定义一个（gè）变量，并（bìng）给这个变（biàn）量一个特定（dìng）值。

设置一个（gè）变量“i”，i的取值空间（jiān）是0到10，周期为10。

i/10就是它的（de）占空比，将i依次从0到10写入（rù）程序并下（xià）载（zǎi）到（dào）科（kē）创板（bǎn），体验（yàn）下不（bú）同占空比时LED灯的亮度变化。

大（dà）家已经做完试验（yàn）了，想必大家会有（yǒu）这样的疑问，当i=0时（shí），管脚27为高电平，0秒后为低电平，10毫秒（miǎo）后再变为高（gāo）电平（píng），如此循环，理（lǐ）论上等应（yīng）该是灭的，为什么还（hái）稍（shāo）微有点暗红（hóng）色呢？

这是因为处理器在执（zhí）行（háng）程序（xù）时本（běn）来就需要时间的，在执行这段代（dài）码时首先执行了管脚（jiǎo）27高电平（红灯亮），延时0毫秒，再执行管脚（jiǎo）27低电（diàn）平（红灯灭（miè）），这个过程需要执行3个程序块，另外在硬件电路（lù）里（lǐ）往往有震荡出现（xiàn），电流（liú）不是马上（shàng）消失的。

2、初尝呼吸灯

认识“对“range”中的每个项（xiàng）目”代码块（For循环）

“对“range”中的每（měi）个项目”代码块位于“控制（zhì）”模块分类中（zhōng），表示（shì）从（cóng）起（qǐ）始数（shù）到终止数中取出固定步长的变量，并执行接口中的程序。

呼吸灯是指灯光在控制（zhì）下完成由（yóu）暗到（dào）亮，再由亮（liàng）到暗的逐渐变化（huà），感（gǎn）觉好（hǎo）像是人在呼吸。

让灯光从暗（àn）到亮的逐（zhú）渐变化过程，可以转化成高电（diàn）平（píng）持续时（shí）间在固定周（zhōu）期中的比例逐渐升高（gāo）的过程，即占空比从0~1的过程。

上图所示程（chéng）序中， “range”模块（kuài）执行完要100次，执行一次周期10000微秒（miǎo），即10毫秒（miǎo）。执行完整个“range”模块需要（yào）100*10毫秒，即（jí）1秒。此为占空（kōng）比（bǐ）从0/10000~10000/10000的LED灯。

我（wǒ）们已经实现了LED灯由暗（àn）到亮的逐渐变化过程，同理可以写出LED灯（dēng）由亮到按的逐渐变化过程。将（jiāng）两个程（chéng）序（xù）块放到（dào）一起，就可以组成一（yī）个完（wán）整的呼吸灯了。

3、优（yōu）化呼（hū）吸（xī）灯（dēng）

认识“初（chū）始化PWM模拟输出”代（dài）码（mǎ）块以及“PWM模拟输出赋值”代（dài）码（mǎ）块

两个代码块（kuài）均位（wèi）于“输入\输出”模块中。其中“初始化（huà）PWM模拟（nǐ）输出”代码块作用为初（chū）始化指定管脚的PWM模拟输出值； “PWM模拟输出赋值”代码块作用（yòng）为将指定PWM管（guǎn）脚赋值为（wéi）特定值（0或1）。

此（cǐ）前PWM的原理以及（jí）应用，我们已（yǐ）经学会了（le）。但是我们还有（yǒu）更简单的（de）程序（xù）应（yīng）用，那就是用我们（men）科创板自（zì）带的PWM模块。

科创板自带PWM的赋值范围为0~1023，即占（zhàn）空比从0到1。

板载PWM呼吸灯程序：

执（zhí）行（háng）以上（shàng）程序（xù），就（jiù）可以点（diǎn）亮板载四个（gè）绿色呼吸灯了。

三、延（yán）伸与扩展——Arts

想一想，能（néng）不能设（shè）计一款流水呼吸灯呢，怎样去实（shí）现？

请以小组（zǔ）的（de）形（xíng）式进（jìn）行合作（zuò），尝试让多彩（cǎi）LED灯（dēng）的（de）三色（sè）灯光（guāng）轮流完（wán）成（chéng）一个呼吸灯流（liú）程。

设计要求：

（能够让（ràng）多（duō）彩LED灯交依次完（wán）成一个呼吸灯流程（chéng）；

（保证控制（zhì）方式安全可靠（kào）。