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树莓派基础实验1:双色LED灯实验
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树莓派基础实验1:双色LED灯实验
树莓派
LED灯
物联网
张国平
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发布时间: 2020-06-01
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阅读: 1747
## 一、介绍 双色发光二极管(LED)能够发出红色和绿色,两种不同颜色的光。正电压指向LED端子之一,使LED发出相应的颜色的光,一次只能有一个引脚接受电压,常用着各种设备的指示灯。 ---- ## 二、组件 ★Raspberry Pi 3主板*1 ★树莓派电源*1 ★40P软排线*1 ★双色LED模块*1 ★面包板*1 ★跳线若干 ## 三、实验原理 双色LED灯模块: ![双色LED灯模块](https://cf01.ickimg.com/bbsimages/202005/d4354668da3c2660d072d6217ffc0293.jpg) 双色LED灯模块原理图: ![双色LED灯模块原理图](https://cf01.ickimg.com/bbsimages/202005/17ae0a5931ef997d0d8354e74cc6fbe7.png) 将引脚R和G连接到Raspberry Pi的GPIO,对Raspberry Pi进行编程,将LED的颜色从红色变为绿色,然后使用PWM(脉宽调制)混合成其他颜色。 ## 四、实验步骤 第1步:连接电路。将树莓派通过T型转接板连接到面包板,树莓派GPIO 11即T型转接板GPIO 17,“红白线”连接双色LED模块R端子;树莓派GPIO 12 即T型转接板GPIO 18,“绿白线”连接双色LED模块G端子;树莓派GND即T型转接板GND,“黑线”连接双色LED模块GND端子。 双色LED灯电路连接图: ![双色LED灯电路连接图](https://cf01.ickimg.com/bbsimages/202005/da7868b6c10ab08cf3aa6e4e1d2a517f.jpg) 双色LED灯实物连接图: ![双色LED灯实物连接图](https://cf01.ickimg.com/bbsimages/202005/cae396253e6f529a52b23a3e31d97285.jpg) 第2步:启动树莓派。实验1里面我们采用集成开发环境python IDLE编写程序。 ![打开IDLE图](https://cf01.ickimg.com/bbsimages/202005/0a3407babad5927f1c13df04998f73d9.jpg) 第3步:打开IDLE后,在菜单“file”下点击“new file”按钮,新建文件,开始编程。我使用python语言,它是一种脚本语言,不需要编译,按写入的顺序执行,运行在另一个程序“之中”,语法规则较少,易于学习且功能强大。 第4步:导入模块,设置常量、板载模式。Raspberry Pi有三种引脚编号方法:根据引脚的物理位置编号;由C语言GPIO库wiringpi指定的编号;由BCM2837 SOC指定的编号。 [RGB色彩模式](https://baike.baidu.com/item/RGB%E8%89%B2%E5%BD%A9%E6%A8%A1%E5%BC%8F)是工业界的一种颜色标准,是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色[通道](https://baike.baidu.com/item/%E9%80%9A%E9%81%93)的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的,RGB即是代表红、绿、蓝三个通道的颜色。在电脑中,**RGB的所谓“多少”就是指亮度**,并使用整数来表示。通常情况下,RGB各有256级亮度,用数字表示为从0、1、2...直到255。注意虽然数字最高是255,但0也是数值之一,0表示没有刺激量,255表示刺激量达最大值。R、G、B均为255时就合成了白光,R、G、B均为0时就形成了黑色。 下面代码段中的颜色列表中,用两位十六进制数表示每种颜色的刺激量,本实验中只有红色和绿色两种基色,所以每种颜色用四位十六进制数表示。如“0xFF00”表示红色,“0x00FF”表示绿色,而 “0x0FF0”表示红色的刺激量为前两位十六进制数“0F”,绿色的刺激量为后两位十六进制数“F0”。 ```python #!/usr/bin/env python #告诉Linux本文件是一个Python程序 import RPi.GPIO as GPIO #导入控制GPIO的模块,RPi.GPIO import time #导入时间模块,提供延时、时钟和其它时间函数 colors = [0xFF00, 0x00FF, 0x0FF0, 0xF00F] #颜色列表 pins = {'pin_R':11, 'pin_G':12} #针脚字典,物理位置编号,红色针脚为11号,绿色针脚为12号 GPIO.setmode(GPIO.BOARD) #设置引脚编号模式为板载模式,即树莓派上的物理位置编号 #或者为BCM模式: #GPIO.setmode(GPIO.BCM) ``` 第5步:初始化LED灯,输入输出模式、初始电平、频率、占空比。脉宽调制(PWM),是指用微处理器的数字输出对模拟电路进行控制,是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。 ```python for i in pins: GPIO.setup(pins[i], GPIO.OUT) # 设置针脚模式为输出(或者输入GPIO.IN) GPIO.output(pins[i], GPIO.LOW) #设置针脚为低电平,关掉LED灯 p_R = GPIO.PWM(pins['pin_R'], 2000) # 设置频率为 2KHz p_G = GPIO.PWM(pins['pin_G'], 2000) p_R.start(0) # 初始占空比为0(范围:0.0 <= dc <= 100.0,0为关闭状态) p_G.start(0) # p.start(dc) dc代表占空比 ``` **PWM的频率**决定了输出的数字信号on (1) 和 off(0 )的切换速度。频率越高,切换就越快。 **占空比**:指一串理想脉冲序列中,正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。调整led通过电流和不通过电流的时间比来控制的,由于人眼有视觉暂留特性,所以只要频率比较高是看不出来闪烁的。当然通过电流比不通过电流的时间比例越大,led做的功就越多,这样也就越亮,需要注意的是led芯片的温升和最大电流值不要超标,不然会影响其寿命。 > 低占空比意味着输出的能量低,因为在一个周期内大部分时间信号处于关闭状态,如果pwm控制的负载为led,则具体表现例如led灯很暗。 高占空比意味着输出的能量高,在一个周期内,大部分时间信号处于on状态,具体表现为LED比较亮。 当占空比为100%时,表示 fully on,也就是在一个周期内,信号都处于on状态,具体表现为led亮度到达100%。 当占空比为0%时则表示 totally off,在一个周期内,一直处于off状态,具体表现为led熄灭。 现在一切都明了了:脉冲宽度调制,这个宽,不是物体的宽度,而是高电平(有效电平)信号在一个调制周期中持续时间长短,它可以用占空比去衡量,占空比越大,脉冲宽度越宽。取值范围为0到100。 第6步:创建map()函数。由于RGB格式各颜色的刺激量取值范围为:最小0,最大255,而占空比的取值范围为:最小0,最大100,所以要将颜色的刺激量转换为占空比对应的值。 ```python def map(x, in_min, in_max, out_min, out_max): return (x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min ``` 第7步:创建setcolor()函数。通过更改占空比调整各基色的亮度,进而设置LED的发光颜色。 ```python def setColor(col): # 设置颜色 R_val = (col & 0xFF00) >> 8 #先“与”运算只保留自己颜色所在位的值有效 G_val = (col & 0x00FF) >> 0 #再“右移”运算将自己颜色所在位的值提取出来 R_val = map(R_val, 0, 255, 0, 100) #将颜色的刺激量转换为占空比对应的值 G_val = map(G_val, 0, 255, 0, 100) p_R.ChangeDutyCycle(R_val) # 更改占空比,调整该颜色的亮度 p_G.ChangeDutyCycle(G_val) ``` 第8步:创建loop()循环函数。 ```python def loop(): while True: #循环函数 for col in colors: #遍历颜色列表 setColor(col) #设置颜色 time.sl
eep(0.5) #延时0.5秒 ``` 第9步:创建destroy()函数,清除LED状态。 ```python def destroy(): p_R.stop() #停止PWM p_G.stop() for i in pins: GPIO.output(pins[i], GPIO.LOW) # 关掉所有led灯 GPIO.cleanup() #重置GPIO状态 ``` 第10步:创建异常处理。一个Python文件通常有两种使用方法:一是作为脚本直接执行;二是import到其它的Python脚本中被调用执行。if \_\_name\_\_ == "\_\_main\_\_":语句的作用就是控制这两种执行代码的过程,该语句只在第一种(作为脚本直接执行)时为真,而import到其它脚本中执行时为假。 原理是:每个Python模块都包含内置的变量\_\_name\_\_,当该模块被直接执行时,\_\_name\_\_等于文件名($\color{red}{包含}$后缀.py),如果该模块import到其它模块中执行,该模块的\_\_name\_\_等于文件名($\color{red}{不包含}$后缀.py),而 "\_\_main\_\_"始终等于当前模块的名称($\color{red}{包含}$后缀.py),所以...... ```python if __name__ == "__main__": try: #用try-except代码块来处理可能引发的异常 loop() except KeyboardInterrupt: #如果遇用户中断(control+C),则执行destroy()函数 destroy() ``` ![](https://cf01.ickimg.com/bbsimages/202005/f435410639e79a6405a46976cc9f941f.jpg)
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