第10课 PWM模拟输出实现LED呼吸灯

目标

1、整数类型int和变量的使用

2、PWM及模拟输出

3、for循环的使用

4、呼吸灯的制作

实验材料

Arduino UNO开发板

LED发光模块

配套USB数据线

配套杜邦线若干

Arduino IDE软件

内容

模拟信号

模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号， 或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。

模拟输出与PWM调制

模拟信号输出的电压值在0~5V变化，但Arduino UNO板的输出端口都是数字端口，仅能输出高（5V）和低（0V）两种电压值，所以ArduinoUNO板无法输出真正的模拟信号，Arduino程序内建的模拟输出是通过PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制的方法，用高低电平不断切换的数字脉冲信号来模拟模拟信号，在讲解PWM之前要先了解两个概念：脉冲周期及占空比。

脉冲周期：相邻两次脉冲之间的时间间隔，周期的倒数即脉冲频率。

占空比：在一次脉冲周期内高电平持续时间与脉冲周期的比值。

PWM实际是通过高低电平的快速切换来实现模拟信号的输出效果的，在一个脉冲周期内，若占空比为50%，则相当于灯全亮半个周期，之后灯熄灭半个周期。

Arduino的PWM信号脉冲周期仅有0.002s，即每秒500个脉冲周期，由于人眼的视觉残留效果，呈现出的视觉效果相当于50%的亮度，而此时PWM等效输出电压V=5V×占空比=5V×50%=2.5V。

Arduino UNO板数字引脚支持PWM功能的口有6个，分别是3、5、6、9、10、11，当然这些口也可以当普通的数字输出使用，Arduino的PWM支持256级输出，也就是我们可以设置模拟值的范围在0-255，其中255就是表示100％的PWM输出。

案例

通过模拟输出PWM控制LED灯，改变其亮度，达到呼吸效果

接线图

（Arduino UNO开发板与LED发光模块接线图）

接线方式

Arduino UNO开发板    <------>          LED发光模块

          3V3/5V              <------>                VCC

           GND                 <------>               GND

            D3                   <------>                 IN

应用for循环+1执行循环内的程序

应用for循环-1执行循环内的程序

程序实现代码

1. void setup(){
   
2. }
   
3. void loop(){
   
4.   for (int i = 0; i <= 255; i ++)    //循环语句，控制PWM亮度的增加
   
5. {
   
6.     analogWrite(3,i);       //对引脚3写入i的数值
   
7.     delay(10);               //当前亮度维持的时间是10ms
   
8.   }
   
9.   for (int i = 255; i >= 0; i--) {    //循环语句，控制PWM亮度的减小
   
10.     analogWrite(3,i);
    
11.     delay(10);               //当前亮度维持的时间是10ms
    
12.   }
    
13. }

复制代码

for

for语句用于重复执行一段语句块，通常会使用一个增量计数器递增和终止循环，for语句对于任何需要重复的操作是非常有用的。

结构

for(表达式1；表达式2；表达式3）{

语句块

}

以上程序的执行过程如下：
1) 先求解表达式1。

2) 求解表达式2，若其值为真（非0），则执行括号中的语句块，否则将结束循环。

3) 每一次执行完语句块，Arduino将求解表达式3。

4) 重复执行步骤 2) 和 3)，直到循环结束。

注意：表达式1仅在第一次循环时求解，以后都不会再执行，可以认为这是一个初始化语句。

for循环的执行过程可用下图表示：

analogWrite

将一个模拟数值写进Arduino引脚，这个操作可以用来控制LED的亮度, 或者控制电机的转速，Arduino每一次对引脚执行analogWrite()指令，都会给该引脚一个固定频率的PWM信号，PWM信号的频率大约为490Hz。

在Arduino UNO控制器中，5号引脚和6号引脚的PWM频率为980Hz，在一些基于ATmega168和ATmega328的Arduino控制器中，analogWrite()函数支持以下引脚: 3, 5, 6, 9, 10, 11。

在Arduino Mega控制其中,该函数支持引脚 2 – 13 和 44 – 46，使用ATmega8的Arduino控制器中，该函数只支持引脚 9, 10, 11。

在调用analogWrite()函数前，您无需使用pinMode()函数来设置该引脚。

语法

analogWrite(pin, value)

参数

pin：被读取的模拟引脚号码

value：0到255之间的PWM频率值, 0对应off, 255对应on

Int

整数是基本数据类型，整数数据类型占用2字节，整数的范围为-32,768到32,767（ -2^15 ~（2^15)-1）。
整数类型使用2的补码方式存储负数，最高位通常为符号位，表示数的正负，其余位被“取反加1”。

Arduino可处理负数计算，但是对整数类型数值进行右移位运算符时，可能会产生不可预料的编译结果。

语法

int var = val;
var – 变量名
val – 赋给变量的值

提示

当变量数值过大而超过整数类型所能表示的范围时（-32,768 到 32,767），变量值会“回滚”

int x
x = -32,768;
x = x – 1; // x 现在是 32,767。

x = 32,767;
x = x + 1; // x 现在是 -32,768。

=赋值运算符(单个等号)

把等号右边的值存储到等号左边的变量中。
在C语言中单个等号被称为赋值运算符，它与在代数课中的意义不同，后者象征等式或相等，赋值运算符告诉Arduino将等号右边的数值或表达式计算结果存入等号左边的变量中。

赋值运算符（单个=号）左边的变量要足够大到容纳赋值运算符右面的值，如果不够大，存储在该变量中的值将是错误的。

不要混淆单个等号的赋值运算符（ ＝ ）和双等号的关系运算符（ ＝＝ ），关系运算符用于关系运算符两边的表达式是否相等。

返回值

无

i++、i--

复合运算符

i++相当于 i = i + 1

i-- 相当于 i = i – 1

第10课 PWM模拟输出实现LED呼吸灯

目标

1、整数类型int和变量的使用

2、PWM及模拟输出

3、for循环的使用

4、呼吸灯的制作

实验材料

Arduino UNO开发板

LED发光模块

配套USB数据线

配套杜邦线若干

Arduino IDE软件

内容

模拟信号

模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号， 或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。

模拟输出与PWM调制

模拟信号输出的电压值在0~5V变化，但Arduino UNO板的输出端口都是数字端口，仅能输出高（5V）和低（0V）两种电压值，所以ArduinoUNO板无法输出真正的模拟信号，Arduino程序内建的模拟输出是通过PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制的方法，用高低电平不断切换的数字脉冲信号来模拟模拟信号，在讲解PWM之前要先了解两个概念：脉冲周期及占空比。

脉冲周期：相邻两次脉冲之间的时间间隔，周期的倒数即脉冲频率。

占空比：在一次脉冲周期内高电平持续时间与脉冲周期的比值。

PWM实际是通过高低电平的快速切换来实现模拟信号的输出效果的，在一个脉冲周期内，若占空比为50%，则相当于灯全亮半个周期，之后灯熄灭半个周期。

Arduino的PWM信号脉冲周期仅有0.002s，即每秒500个脉冲周期，由于人眼的视觉残留效果，呈现出的视觉效果相当于50%的亮度，而此时PWM等效输出电压V=5V×占空比=5V×50%=2.5V。

Arduino UNO板数字引脚支持PWM功能的口有6个，分别是3、5、6、9、10、11，当然这些口也可以当普通的数字输出使用，Arduino的PWM支持256级输出，也就是我们可以设置模拟值的范围在0-255，其中255就是表示100％的PWM输出。

案例

通过模拟输出PWM控制LED灯，改变其亮度，达到呼吸效果

接线图

（Arduino UNO开发板与LED发光模块接线图）

接线方式

Arduino UNO开发板    <------>          LED发光模块

          3V3/5V              <------>                VCC

           GND                 <------>               GND

            D3                   <------>                 IN

应用for循环+1执行循环内的程序

应用for循环-1执行循环内的程序

程序实现代码

1. void setup(){
   
2. }
   
3. void loop(){
   
4.   for (int i = 0; i <= 255; i ++)    //循环语句，控制PWM亮度的增加
   
5. {
   
6.     analogWrite(3,i);       //对引脚3写入i的数值
   
7.     delay(10);               //当前亮度维持的时间是10ms
   
8.   }
   
9.   for (int i = 255; i >= 0; i--) {    //循环语句，控制PWM亮度的减小
   
10.     analogWrite(3,i);
    
11.     delay(10);               //当前亮度维持的时间是10ms
    
12.   }
    
13. }

复制代码

for

for语句用于重复执行一段语句块，通常会使用一个增量计数器递增和终止循环，for语句对于任何需要重复的操作是非常有用的。

结构

for(表达式1；表达式2；表达式3）{

语句块

}

以上程序的执行过程如下：
1) 先求解表达式1。

2) 求解表达式2，若其值为真（非0），则执行括号中的语句块，否则将结束循环。

3) 每一次执行完语句块，Arduino将求解表达式3。

4) 重复执行步骤 2) 和 3)，直到循环结束。

注意：表达式1仅在第一次循环时求解，以后都不会再执行，可以认为这是一个初始化语句。

for循环的执行过程可用下图表示：

analogWrite

将一个模拟数值写进Arduino引脚，这个操作可以用来控制LED的亮度, 或者控制电机的转速，Arduino每一次对引脚执行analogWrite()指令，都会给该引脚一个固定频率的PWM信号，PWM信号的频率大约为490Hz。

在Arduino UNO控制器中，5号引脚和6号引脚的PWM频率为980Hz，在一些基于ATmega168和ATmega328的Arduino控制器中，analogWrite()函数支持以下引脚: 3, 5, 6, 9, 10, 11。

在Arduino Mega控制其中,该函数支持引脚 2 – 13 和 44 – 46，使用ATmega8的Arduino控制器中，该函数只支持引脚 9, 10, 11。

在调用analogWrite()函数前，您无需使用pinMode()函数来设置该引脚。

语法

analogWrite(pin, value)

参数

pin：被读取的模拟引脚号码

value：0到255之间的PWM频率值, 0对应off, 255对应on

Int

整数是基本数据类型，整数数据类型占用2字节，整数的范围为-32,768到32,767（ -2^15 ~（2^15)-1）。
整数类型使用2的补码方式存储负数，最高位通常为符号位，表示数的正负，其余位被“取反加1”。

Arduino可处理负数计算，但是对整数类型数值进行右移位运算符时，可能会产生不可预料的编译结果。

语法

int var = val;
var – 变量名
val – 赋给变量的值

提示

当变量数值过大而超过整数类型所能表示的范围时（-32,768 到 32,767），变量值会“回滚”

int x
x = -32,768;
x = x – 1; // x 现在是 32,767。

x = 32,767;
x = x + 1; // x 现在是 -32,768。

=赋值运算符(单个等号)

把等号右边的值存储到等号左边的变量中。
在C语言中单个等号被称为赋值运算符，它与在代数课中的意义不同，后者象征等式或相等，赋值运算符告诉Arduino将等号右边的数值或表达式计算结果存入等号左边的变量中。

赋值运算符（单个=号）左边的变量要足够大到容纳赋值运算符右面的值，如果不够大，存储在该变量中的值将是错误的。

不要混淆单个等号的赋值运算符（ ＝ ）和双等号的关系运算符（ ＝＝ ），关系运算符用于关系运算符两边的表达式是否相等。

返回值

无

i++、i--

复合运算符

i++相当于 i = i + 1

i-- 相当于 i = i – 1