Arduino基礎：調節LED的亮度

Originally published by Feb 5, 2020

前言

本文最初發佈在deviceplus.jp網站上，而後被翻譯成英語。

Device Plus網站中介紹了有關Arduino的各種應用和作品示例，但無論創作任何作品，基礎知識都很重要！
在本文中，我們將透過使Arduino能夠調節LED亮度，為您帶來“關鍵”的Arduino基礎知識。

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我們曾介紹過，透過將LED連接到Arduino的數位輸出引腳，並設置HIGH (5V) 和LOW (0V) ，可以輕鬆地切換LED的開和關。但是，由於數位輸出只能輸出兩種狀態，因此無法進行亮度調節等控制。
要想解決這個問題，您可以使用“PWM”輸出。PWM可在HIGH和LOW狀態之間反覆切換輸出，所以可以用來調節LED的亮度。
在本文中，我們將學習如何使用PWM來調節LED的亮度。我們還將學習如何編寫使用PWM輸出逐漸點亮LED的程式。

數字不能調節亮度

正如我們上次介紹過的，LED的亮度會隨電流的變化而變化。比如，分別透過330Ω的電阻和10kΩ的電阻來調節連接到LED的電流量，並對它們的結果進行比較時，會發現連接330Ω小電阻時電流量更大，這會使LED更亮。或者，改變連接到LED的電源電壓，也會使流過的電流量發生變化。

如果分別施加5V和3.3V的電壓，施加5V電壓時LED燈更亮。根據上一次介紹過的電阻和流過LED的電流之間的關係式，要想讓LED更亮，需要“降低電阻”，或“提高電壓”。

logic behind creating larger current

然而，Arduino的數位輸出只有HIGH (5V)或 LOW (0V)兩種狀態，這意味著直接連接並不能改變電壓和電阻值，也就是說，無法調節LED的亮度。但是，雖然只有HIGH和LOW兩種輸出狀態，透過一些努力還是可以改變LED亮度的。

使用數位輸出改變LED亮度

讓我們嘗試一下只用數字輸出來改變LED的亮度吧。亮度可以透過讓LED閃爍來調節。我們按照步驟一步一步來實際操作，看看LED的亮度是如何變化的。將LED連接到Arduino的數位引腳5，如下圖所示：

LED circuit

接下來，創建如下所示的程式並將其傳送給Arduino。此時，LED應該會每隔1秒閃爍1次。

const int LED_PIN = 5; 

const int ON_TIME = 1000; 
const int OFF_TIME = 1000; 

void setup(){ 
 pinMode( LED_PIN, OUTPUT ); 
} 

void loop(){ 
 digitalWrite( LED_PIN, HIGH ); 
 delay( ON_TIME ); 

 digitalWrite( LED_PIN, LOW ); 
 delay( OFF_TIME ); 
}

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const int LED_PIN = 5;

const int ON_TIME = 1000;

const int OFF_TIME = 1000;

void setup(){

pinMode( LED_PIN, OUTPUT );

}

void loop(){

digitalWrite( LED_PIN, HIGH );

delay( ON_TIME );

digitalWrite( LED_PIN, LOW );

delay( OFF_TIME );

}

在程式中，透過第11行的“digitalWrite( LED_PIN, HIGH )”輸出HIGH，使LED亮起，然後透過第12行的“delay (ON_TIME)”在指定的時間內保持亮燈。持續時間以毫秒為單位，如果指定1000，則LED將保持點亮1秒鐘。

接下來，透過第14行的“digitalWrite( LED_PIN, LOW )”輸出LOW，使LED熄滅，然後透過第15行的“delay( OFF_TIME )”在指定的時間內保持熄滅狀態。透過反復執行該程式即可實現LED的閃爍。

下面，讓我們嘗試一下縮短點亮和熄滅的持續時間。可以使用第3行的“const int ON_TIME”來更改點亮狀態的持續時間，使用第4行的“const int OFF_TIME”來更改熄滅狀態的持續時間。將這兩個值都更改為“500”並反射程式，然後確認LED的狀態。可以看到閃爍速度增加。接著，當將值逐漸減小到“250”、“100”、“75”、“50”等數位時，閃爍速度變得更快。當值為“10”左右時，LED看起來像在保持點亮狀態。這是因為如果它閃爍得太快，人眼就跟不上它的速度，從而使燈看起來就像一直亮著。

接下來，我們試著改變點亮和熄滅的持續時間。將“ON_TIME”和“OFF_TIME”都設置為“10”。然後，依次將“ON_TIME”的值更改為“9”、“8”、“7”……“1”，並確認LED的點亮狀態。可以看到當減小該值時，LED會逐漸變暗。

high duration and brightness

這是因為持續亮燈時間縮短，發光量減少，從而使LED看起來變暗。也就是說，透過改變“點亮持續時間”也可以調節LED的亮度。使用該方法，可以實現用僅能控制開/關的Arduino數位輸出功能來控制LED的亮度。

透過PWM調節亮度

如上所述，透過調整HIGH和LOW的比例，使LED以較短的週期閃爍，即可調節LED的亮度。但是，自己創建程式來控制閃爍持續時間並不現實。因為處理其他程式需要時間，而這會使閃爍間隔出現偏差，從而會使亮度發生變化。

Arduino可以使用PWM（Pulse Width Modulation，脈衝寬度調製）功能來週期性地輸出HIGH和LOW。PWM是以指定的速率週期性地在HIGH和LOW之間切換的一種功能，可用於上述的LED亮度調節。

但是，需要注意的是，可用於PWM功能的引腳在Arduino中是固定的。只有數位旁邊帶有“〜”標記的引腳（即引腳3、5、6、9、10和11）可使用PWM功能，其他引腳不支援PWM輸出。

pins that support PWM output

另外，由於PWM是透過Arduino的微控制器產生的功能，因此具有輸出穩定、不影響程式運行的優點。
在這裡，我們將LED連接到引腳5來試一下。用與前述電路相同的方式連接LED。
接下來，創建如下所示的程式並將其發送給Arduino，LED將會亮起，但是較暗。

const int LED_PIN = 5; 

const int DUTY = 64; 

void setup(){ 
 pinMode( LED_PIN, OUTPUT ); 
 } 

void loop(){ 
 analogWrite( LED_PIN, DUTY ); 
}

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const int LED_PIN = 5;

const int DUTY = 64;

void setup(){

pinMode( LED_PIN, OUTPUT );

}

void loop(){

analogWrite( LED_PIN, DUTY );

}

透過PWM功能輸出時，需要透過第6行的“pinMode()”將物件引腳設置為輸出模式。實際輸出時，使用第10行的“analogWrite()”。指定物件引腳編號，然後在0到255的範圍內設置保持HIGH的比率。如果設置為“0”，將始終輸出LOW，如果設置為“255”，則始終輸出HIGH。如果設置為“127”，將會以各一半的比率輸出HIGH和LOW。

在這個程式中，可以透過第3行的“const int DUTY”來指定PWM比率。更改該值可以確認亮度的變化情況。

讓LED逐漸閃爍

我們使用PWM輸出拓展了LED點亮的方法。現在，讓我們逐漸改變PWM來嘗試實現LED逐漸變亮的效果。

編寫如下程式：

const int LED_PIN = 5; 

const int WAITTIME = 50; 
const int STEP = 5; 

void setup(){ 
 pinMode( LED_PIN, OUTPUT ); 
} 

void loop(){ 
 int i; 

 i = 0; 
 while ( i <= 255 ){ 
 analogWrite( LED_PIN, i ); 
 delay( WAITTIME ); 
 i = i + STEP; 
 } 

 i = 255; 
 while ( i >= 0 ){ 
 analogWrite( LED_PIN, i ); 
 delay( WAITTIME ); 
 i = i - STEP; 
 } 
}

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const int LED_PIN = 5;

const int WAITTIME = 50;

const int STEP = 5;

void setup(){

pinMode( LED_PIN, OUTPUT );

}

void loop(){

int i;

i = 0;

while ( i <= 255 ){

analogWrite( LED_PIN, i );

delay( WAITTIME );

i = i + STEP;

}

i = 255;

while ( i >= 0 ){

analogWrite( LED_PIN, i );

delay( WAITTIME );

i = i - STEP;

}

在上述程式中，將PWM比率存儲在loop()函數中使用的“i”變數中，以使其可以逐漸增加該值，從而使LED逐漸變亮。

第14行的while處理以STEP指定的增量增加值，直到i達到 255。增加的值由第15行的analogWrite()輸出，以使LED的亮度改變。此外，每次第16行的PWM輸出改變時，將等待由WAITTIME指定的持續時間。

當PWM比率達到255時，它會逐漸減小該值直到0，以使LED逐漸變暗（第21到25行）。可以透過更改第3行的WAITTIME或第4行的STEP的值來調節閃爍速度。

此次我們學習了如何控制LED的亮度。下篇再見！

Deviceplus 編輯團隊

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前言

數字不能調節亮度

使用數位輸出改變LED亮度

透過PWM調節亮度

讓LED逐漸閃爍

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