调节LED的亮度

虽然Devices Plus已经介绍过Arduino的多种应用和作品示例，但是了解相关基础知识对于任何项目的构建仍然是非常重要的！
这次，我们将为您介绍Arduino电子制作的基础知识。此次的分享嘉宾是著名的福田和宏老师，他因编写了《有这本书足够！用Arduino开始电子制作超简单入门教程》等书籍而广为人知。

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前面我们曾介绍过，通过将LED连接到Arduino的数字输出引脚，并设置HIGH (5V) 和LOW (0V) ，可以轻松地切换LED的开（点亮）和关（熄灭）。

但是，由于数字输出只能输出两种状态，因此无法进行亮度调节等控制。要想解决这个问题，您可以使用“PWM”输出功能。该功能可在HIGH和LOW状态之间反复切换输出，所以可以用来调节LED的亮度。
在本文中，将为您介绍如何使用PWM来调节LED的亮度。另外，还会为您介绍如何编写使用PWM输出徐缓地点亮LED的程序。

数字不能调节亮度

正如我们上次介绍过的，LED的亮度会随电流的变化而变化。比如，分别通过330Ω的电阻和10kΩ的电阻来调节连接到LED的电流量，并对它们的结果进行比较时，会发现连接330Ω小电阻时电流量更大，这会使LED更亮。或者，改变连接到LED的电源电压，也会使流过的电流量发生变化。

如果分别施加5V和3.3V的电压，施加5V电压时LED灯更亮。根据上一次介绍过的电阻和流过LED的电流之间的关系式，要想让LED更亮，要么“降低电阻”，要么“提高电压”。

然而，Arduino的数字输出只有HIGH (5V)或 LOW (0V)两种状态，这意味着直接连接并不能改变电压和电阻值，也就是说，无法调节LED的亮度。但是，虽然只有HIGH和LOW两种输出状态，通过一些努力还是可以改变LED亮度的。

使用数字输出改变LED亮度

让我们尝试一下只用数字输出来改变LED的亮度吧。亮度可以通过让LED闪烁来调节。我们按照步骤一步一步来实际操作，看看LED的亮度是如何变化的。所用的电子部件与是在第2篇中使用的LED和电阻器相同。将LED连接到Arduino的数字引脚5，如下图所示：

接下来，创建如下所示的程序并将其传送给Arduino。此时，LED应该会每隔1秒闪烁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 );

}

在程序中，通过第11行的“digitalWrite( LED_PIN, HIGH )”输出HIGH，使LED亮起，然后通过第12行的“delay (ON_TIME)”在指定的时间内保持亮灯。持续时间以毫秒为单位，如果指定1000，则LED将保持点亮1秒钟。

接下来，通过第14行的“digitalWrite( LED_PIN, LOW )”输出LOW，使LED熄灭，然后通过第15行的“delay( OFF_TIME )”在指定的时间内保持熄灭状态。通过反复执行该程序即可实现LED的闪烁。

下面，让我们尝试一下缩短点亮和熄灭的持续时间。可以使用第3行的“const int ON_TIME”来更改点亮状态的持续时间，使用第4行的“const int OFF_TIME”来更改熄灭状态的持续时间。将这两个值都更改为“500”并发送程序，然后确认LED的状态。可以看到闪烁速度增加。接着，当将值逐渐减小到“250”、“100”、“75”、“50”等数字时，闪烁速度变得更快。当值为“10”左右时，LED看起来像在保持点亮状态。这是因为如果它闪烁得太快，人眼就跟不上它的速度，从而使灯看起来就像一直亮着。

接下来，我们试着改变点亮和熄灭的持续时间。将“ON_TIME”和“OFF_TIME”都设置为“10”。然后，依次将“ON_TIME”的值更改为“9”、“8”、“7”……“1”，并确认LED的点亮状态。可以看到当减小该值时，LED会逐渐变暗。

这是因为持续亮灯时间缩短，发光量减少，从而使LED看起来变暗。也就是说，通过改变“点亮持续时间”也可以调节LED的亮度。使用该方法，可以实现用仅能控制开/关的Arduino数字输出功能来控制LED的亮度。

通过PWM调节亮度

如上所述，通过调整HIGH和LOW的比例，使LED以较短的周期闪烁，即可调节LED的亮度。但是，自己创建程序来控制闪烁持续时间并不现实。因为处理其他程序需要时间，而这会使闪烁间隔出现偏差，从而会使亮度发生变化。

Arduino可以使用PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）功能来周期性地输出HIGH和LOW。PWM是以指定的速率周期性地在HIGH和LOW之间切换的一种功能，可用于上述的LED亮度调节。

但是，需要注意的是，可用于PWM功能的引脚在Arduino中是固定的。只有数字旁边带有“〜”标记的引脚（即引脚3、5、6、9、10和11）可使用PWM功能，其他引脚不支持PWM输出。

另外，由于PWM是通过Arduino的微控制器产生的功能，因此具有输出稳定、不影响程序运行的优点。
在这里，我们将LED连接到引脚5来试一下。用与前述电路相同的方式连接LED。
接下来，创建如下所示的程序并将其发送给Arduino，LED将会亮起，但是较暗。

const int LED_PIN = 5;

const int DUTY = 64;

void setup(){

    pinMode( LED_PIN, OUTPUT );

}

void loop(){

    analogWrite( LED_PIN, DUTY );

}

通过PWM功能输出时，需要通过第6行的“pinMode()”将对象引脚设置为输出模式。实际输出时，使用第10行的“analogWrite()”。指定对象引脚编号，然后在0到255的范围内设置保持HIGH的比率。如果设置为“0”，将始终输出LOW，如果设置为“255”，则始终输出HIGH。如果设置为“127”，将会以各一半的比率输出HIGH和LOW。

在这个程序中，可以通过第3行的“const int DUTY”来指定PWM比率。更改该值可以确认亮度的变化情况。

让LED徐缓闪烁

我们使用PWM输出拓展了LED点亮的方法。现在，让我们逐渐改变PWM来尝试实现LED逐渐变亮的效果。

编写如下程序。

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;

    }

}

在程序中，将PWM比率存储在loop()函数中使用的“i”变量中，以使其可以逐渐增加该值，从而使LED徐缓变亮。

第14行的while处理以STEP指定的增量增加值，直到i达到 255。增加的值由第15行的analogWrite()输出，以使LED的亮度改变。此外，每次第16行的PWM输出改变时，将等待由WAITTIME指定的持续时间。

当PWM比率达到255时，它会逐渐减小该值直到0，以使LED逐渐变暗（第21到25行）。可以通过更改第3行的WAITTIME或第4行的STEP的值来调节闪烁速度。