第2课 会发光的LED灯

LED（LightEmittingDiode）灯又称发光二极管，是一种能够直接将电能转化为可见光的固态半导体器件，如图2-1所示。

图2-1 LED灯

课程目标

· 熟练使用顺序结构控制LED灯的亮和灭；

· 理解PWM脉冲宽度调制技术并控制LED灯的明暗；

· 掌握程序的循环结构和呼吸灯的程序设计。

任务描述

· 制作台灯，编写程序控制台灯的亮或灭；

· 编写程序制作呼吸灯。

动手制作

1．使用乐高积木搭建台灯

使用乐高积木能够很容易地搭建出台灯。本课台灯的结构利用乐高的梁和销进行搭建，如图2-2所示。

图2-2 积木搭建的灯

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乐高梁分为直梁和弯梁，如图2-3和2-4所示。为了搭建方便，也可以使用四边形梁，如图2-5所示。我们搭建的机器人主要依靠这几种梁搭建出不同的机器人结构。

图2-3 直梁

图2-4 弯梁

图2-5 四边形梁

销分为黑色销和灰色销，如图2-6所示。黑色销和灰色销的区别在于，黑色销连接部分更加坚固，灰色销连接部分比较松动。当需要固定结构的时候，我们利用黑色销搭建；当需要转动结构的时候（如连杆机构），就可以利用灰色销搭建。

图2-6 灰色销和黑色销

十字轴如图2-7所示，它可以很方便地连接两根梁，固定的时候两端连接轴套。

图2-7 十字轴

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使用乐高积木零件进行搭建更加简单、易学，可以在非常短的时间制作出满意的作品。使用的梁和销，相当于工业产品中的金属梁和螺丝钉。在熟练使用本套课件制作机器人后，同学们再去尝试金属零件的制作就轻而易举了。

2．主板与I/O扩展板连接

将I/O扩展板插入Arduino主板上方，插针要与主板底座相对应，连接图如图2-8所示。

图2-8 主板与I/O扩展板连接

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I/O扩展板

主板可以方便地与I/O扩展板相互连接。扩展板提供14个数字3P针脚、6个模拟3P针脚；中部可直接插入Xbee封装的蓝牙、WiFi和Xbee通信模块，并配有普通蓝牙模块、APC和SD卡的扩展接口；扩展板角落接线柱为主控器和扩展板供电，中部接线柱为数字口上的舵机供电，如图2-9所示。

图2-9 FansMakerI/O扩展板

3.LED灯与主板连接

LED灯模块如图2-10所示。

图2-10 LED灯模块

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LED灯的优点是体积小、发热量少、寿命长、省电、光源色彩丰富、抗冲击和抗震性能好、不易破损、安全性高。

LED灯有3个引脚，VCC、GND、D分别代表正极、地和数据。通过导线与主板的3个引脚对应连接，注意线序不要接错（颜色要对应），将LED灯连接到主板的数字4针脚上，如图2-11所示。

图2-11 LED灯与扩展板连接

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导线的颜色与数字针脚的颜色是对应的，分别是黑色、红色和蓝色，连接时黑色接大地，红色连接正极，蓝色连接数据，这样就不会出错了。注意，一旦连接出现问题，有可能会烧坏设备，如果看到烟雾或闻到烧焦的气味，要立刻拔掉电源。

4.LED灯与积木连接

通过螺丝和螺母将LED灯与积木进行连接，如图2-12所示。

图2-12 LED灯与积木连接

程序设计

本节课编写程序控制台灯的亮或灭。

1．控制LED灯亮或灭

控制数字针脚4设定值为高，LED灯亮，如图2-13所示。当设定值为低时，灯灭。这里要注意在灯亮和灭程序之间加入延时，否则，我们的肉眼可能无法看到灯亮。

图2-13 LED灯亮

制作SOS信号灯时，SOS信号灯亮的时间是三长两短，如图2-14所示的程序是一长一短，试编写三长两短的程序。

图2-14 LED灯亮

2．控制LED灯亮、较亮、暗和灭

LED灯有亮和灭，如果需要稍亮一些或稍暗一些，是否可以用程序进行控制呢？答案是肯定的，我们需要使用PWM脉冲宽度调制技术，Arduino主板的PWM端口分别是3、5、6、9、10、11。注意，应该将LED连接到具有PWM功能的接口上，这里将它连接到数字接口3上。

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PWM脉冲宽度调制

数字信号只有高（5V）、低（0V）两种电压信号。如果要使灯变暗，可以通过串联电阻实现，但是程序中如果要实现频繁地变换灯的不同亮度，用电阻的方法就不现实了，我们需要使用PWM技术。

PWM使用占空比控制方波，从而输出不同的电压。占空比就是高电平保持的时间与该PWM的时钟周期的时间之比，占空比越大，电压越高，灯就越亮。如图2-15所示。

图2-15 PWM方波

PWM使用数字手段控制模拟的输出，例如00000000表示0V,11111111表示5V, 10101010表示2.5V。这样，利用PWM技术就可以将数字针脚的设备当成模拟口使用了，例如灯的明暗、电机的转速都是依靠PWM脉冲宽度调制技术实现的。

程序如图2-16所示，由于使用PWM技术，在程序设计中应使用“设定模拟针脚值”模块。

图2-16 设定模拟针脚值

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Arduino主板上数字接口前有“～”标记的是支持PWM技术的接口，在传感器扩展板和电机扩展板上面有“*”标记的是支持PWM技术的接口，可以通过这个方法查找支持PWM技术的数字接口。

3．呼吸灯的程序设计

LED灯可以像人的呼吸一样缓慢地变暗和变亮，呼吸灯的程序设计需要使用“当循环”语句。在“当循环”语句中，程序会被循环执行。程序如图2-17所示。

图2-17 呼吸灯

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当循环

当test条件成立时，执行commands命令语句并循环；当条件不成立时退出循环，如图2-18所示。像这种可以循环执行的语句结构叫做循环结构。

图2-18 当循环

变量

变量是用来储存数值或字符的，它可以进行数学运算。举个例子，变量就像水杯一样，数值或字符会像水一样存放在水杯中，变量内容在第6课会重点讲解。

变量可以重复储存数值，新存储的数值会覆盖掉前面存储的数值。如图2-19所示，led变量加1后，将结果再赋值给led变量。

图2-19 设置变量led加1

▶完成效果

台灯的完成效果如图2-20所示，你也可以加上按钮，这样就可以制作一个脚踏灯了。

图2-20 制作的台灯

图2-20（续）

▶我问你答

你对PWM技术是如何理解的？

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知识拓展

PWM技术对直流电机的控制

利用PWM技术可以控制灯光的明暗，它还可以控制直流电机的转速。设置模拟针脚值0～255（0是停止，255是最大值）。可以通过PWM控制电机的转速。

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