第2课 科创板-灯光呼吸

1、了解（jiě）PWM原理；

2、利用PWM控（kòng）制灯亮度；

3、通过编程（chéng）制作呼吸灯。

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PWM原理——Science

PWM又称（chēng）脉冲宽度调制，就是改变脉冲宽（kuān）度来实现（xiàn）对（duì）对象的控制，达到预期（qī）的效（xiào）果。

我们先来看三组不同的脉冲信号，如下图所示：

这是（shì）一个周期是10ms的波形图，但是在每个周（zhōu）期内（nèi），高低电平的脉冲（chōng）宽度各不相同，这就是PWM的本质。在这（zhè）里大家要记住一个概（gài）念，叫（jiào）做“占空比（bǐ）”，占空比（bǐ）是指在一（yī）个周期（qī）内，高电平的时间占整个周期的比（bǐ）例。比如第一部分（fèn）波形的占空比是（shì）40%，第二部分波形占空（kōng）比（bǐ）是60%，第（dì）三（sān）部分波形占空比是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，只有0和1两种状态，比如点亮LED灯（dēng）的程序，当我（wǒ）们在（zài）控制程序里面写“1”时，灯就（jiù）会点亮（liàng），写（xiě）“0”时，灯就会灭掉（diào）。我们让“1”和“0”间隔运行，灯就会闪烁。如果我（wǒ）们把这个（gè）间隔不断的减小，减小到我们的肉眼分辨不出来，这时候灯表现出来的现象就是保持亮的（de）状态（tài），但亮度又没有“1”时的亮度（dù）高。明白了这（zhè）个原理，那么我们就可以通过调（diào）节（jiē）灯（dēng）亮的时间与整个周期的（de）比例（lì）来调节灯的亮（liàng）度了。

二、试验与科学——Technology and Math

1、利用PWM控（kòng）制灯（dēng）的亮度（dù）

认识“数（shù）字（zì）”代码块

“数字”代码块位于“数学（xué）”模块中，它表示的是一（yī）个（gè）特定（dìng）的数字（zì）。

认识“赋值”代（dài）码块

“赋值”代码块位于“变量”模块中，它（tā）的作用（yòng）是定义一个变量，并（bìng）给（gěi）这个变量一个特定值（zhí）。

设置一个变（biàn）量“i”，i的取值空间是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）序并下载到科创板，体验下（xià）不同（tóng）占（zhàn）空比时LED灯的亮度变化（huà）。

大家已经做完试验了，想必（bì）大家会有（yǒu）这样的疑问，当i=0时，管脚27为高电平（píng），0秒后为低电平，10毫秒（miǎo）后再变为高电平，如此循环，理论上（shàng）等应该是灭的，为什么还稍微有点暗红色呢（ne）？

这是因为处理（lǐ）器在执（zhí）行程序时本来就需（xū）要时（shí）间（jiān）的，在执行这段代码时首先（xiān）执行（háng）了管脚（jiǎo）27高电（diàn）平（红灯亮），延时0毫（háo）秒，再执行管脚27低电平（红灯灭），这个过程需要执行3个（gè）程序（xù）块，另外在硬件电（diàn）路里往往有震（zhèn）荡出现，电（diàn）流不是马上消失的。

2、初尝呼（hū）吸（xī）灯

认识“对“range”中的每个项目”代码块（For循环）

“对“range”中（zhōng）的每个项目”代码块（kuài）位于“控制（zhì）”模块分类（lèi）中（zhōng），表示从起始数到（dào）终（zhōng）止数中取出固定步长的（de）变量，并执（zhí）行接（jiē）口中的程序。

呼吸灯是指灯光在控制下完成由暗到亮，再由亮（liàng）到暗的（de）逐（zhú）渐变化，感觉好像是（shì）人在呼吸。

让灯光（guāng）从（cóng）暗到亮的逐渐（jiàn）变化过程，可以转化成高电平（píng）持续时间在固（gù）定（dìng）周期中的比例逐渐升高的（de）过程，即占空（kōng）比从0~1的过程。

上图所（suǒ）示程序中， “range”模块执（zhí）行完要100次，执（zhí）行一次周期10000微秒（miǎo），即10毫秒。执行完整个“range”模块需要100*10毫秒，即1秒。此为占空比从0/10000~10000/10000的LED灯。

我们已经实现（xiàn）了LED灯由暗到亮的逐渐变化（huà）过（guò）程，同理（lǐ）可以（yǐ）写出LED灯（dēng）由亮到按的逐渐变化过（guò）程。将两个程序块放到一起，就可以组成（chéng）一个完（wán）整的呼（hū）吸灯（dēng）了。

3、优化呼吸灯

认（rèn）识（shí）“初始（shǐ）化PWM模拟输（shū）出（chū）”代码块（kuài）以及“PWM模拟输（shū）出赋值（zhí）”代码块

两个代（dài）码（mǎ）块均位于“输入\输出（chū）”模块（kuài）中（zhōng）。其中“初始化PWM模拟（nǐ）输出”代码块作用为初始化指定管（guǎn）脚的PWM模拟输出值； “PWM模拟输出赋值”代码块作用为将（jiāng）指定PWM管脚赋值为特定值（0或（huò）1）。

此前PWM的（de）原理以及（jí）应用（yòng），我们已经（jīng）学会了。但是我们还有（yǒu）更简单的程序应（yīng）用，那就是用我们科创板自带的PWM模（mó）块（kuài）。

科创板自带PWM的赋值范（fàn）围（wéi）为0~1023，即占空比从0到1。

板载PWM呼（hū）吸（xī）灯程序：

执行以上程序（xù），就可（kě）以点亮板载四个（gè）绿色呼吸（xī）灯了。

三、延（yán）伸与扩展——Arts

想一想，能不（bú）能设计（jì）一（yī）款流水呼吸灯呢，怎样去（qù）实现？

请（qǐng）以小组的形式进行合作（zuò），尝试让多彩LED灯的（de）三色（sè）灯光轮（lún）流（liú）完成（chéng）一（yī）个呼吸灯流程。

设计要（yào）求：

（能够让多彩（cǎi）LED灯交依次完成一（yī）个呼吸灯流程；

（保（bǎo）证控制（zhì）方式安全可靠。