Arduino 极速入门系列 - 光控灯（1）- 关于理论和 LED 那些事

点个 LED 闪亮好像太单调，这次来个光控 LED 灯。这个其实不需要 Arduino 也能做，这次只是用来演示一下 PWM 在 Arduino 里面的做法。PWM 原理后面会解释。这次用充电宝提供 5V ，对四个 LED 供电，NPN 三极管作为开关用，Arduino 接基极发 PWM 控制亮度，另外 PWM 是从光敏电阻取值而发出。就是说，通过 Arduino，环境变暗，LED 就越亮的一个控制。

这一篇主要是针对新学的朋友们，讲解或者回顾一下基本知识点。

需要的材料

整个光控灯我们需要以下材料完成：

Arduino	Mini Pro 3.3V	1 PCS
LED	白色，直插	4 PCS
排母	12孔	2 PCS
电阻	47 欧	1 PCS
电阻	4.7K 欧	2 PCS
光敏电阻	47K 欧	1 PCS
NPN 三极管	2N3904	1 PCS
充电宝	任何牌子	1 PCS
USB 座	直插，母	1 PCS
USB 头	自组装	2 PCS
单股电线	线芯 0.5MM	若干
万用板	单面木质	1 PCS
外壳	PVC/ABS 板自制	1 PCS

因为QQ群里发起了投票，发现有不少朋友们希望了解基本知识，所以加入以下新手专用的理论部分。如无兴趣请直接跳过。

原理简单介绍 - 新手专用

我认为这些知识以及它们的物理原理，是需要看书的，这里只是简单描述一下。

1. 电路

电路，不管是数字还是模拟，都是一个个回路组成，特别注意是回路，是一个圈。不是回路，就无法导通，电信号或电能不能通过。

举例，TTL 不供电时候我们只接了 TX 和 RX 两条信号线，是无法通讯的，必须加上 GND 地线，至少三条线。可以想作，TX 发出电信号，电能从 GND 回路回来，RX 接到电信号，电能从 GND 回去。

2. 通路、开路、短路

电路有三个状态，通路、开路、短路。通路顾名思义是正常导通有电流的回路，开路是电路断开不能导通没有电流的，而短路是指，电源供应直接连到电源的地而中间没有负载。

短路因没有负载，电流会一口气从源头涌往地端，造成巨大电流。从导体来看，巨大电流从没有负载的导体比如电线流过时，电线无法承受而转化电能为热能释放，造成各种灾害。从电源来看，一瞬间释放大量电流，供电源有可能也承受不了，同样会造成灾害。

3. 电压、电阻、电流

电压，符号 V （Voltage），计量单位为伏（V），是指电路里面两个点的电势差；电阻，符号 R（Resistance），计量单位为欧姆（Ohm），是电流通过导体时遇到的阻碍；电流，符号 I （Idensity of Current），计量单位为安培 A（Amp），是表达导体切面中电子流过数量的值。人们常用水流类比，一个水桶满载液体，底部以水管连接到另一个空水桶。两个水桶水压差异导致水往空的水桶流动，类比电势差；水管内材质形状长度影响水流阻力，类比成电阻；水流在水管其中一个部分切面流过的水分子数量（速度），类比成电流。

如用一节 1.5V 电池点亮的灯，我们会发现到了后段快没电时候，灯会变暗然后慢慢熄灭，原因是，电池的正负极电势差慢慢趋向零。情况类比到上面水桶说法就是，两个桶的水量渐渐趋向相同，水就不再流动了。

从上可以看到电压电阻与电流，在电路中是有一定关系的。欧姆定律就是描述这个关系的一个公式，详见百度百科或书本资料。

I = V / R

我们下面会运用到这一公式来做些计算。

4. 交流电与直流电

交流电 AC （Alternating Current）是指电流的方向随着时间有周期性变化的电流。家用电插座是 220伏 50Hz 的交流电，50Hz 意思是每秒五十个周期，正反方向流动一组为一个周期，意思在一秒内电流方向变换了一百次。具体详见百度百科或看书之类参考。

直流电 DC （Direct Current）是指电流的方向不会变化的电流，它还细分了很多种，比如恒定电流是指方向与电流大小都不会变化的电流。详见百度百科或看书之类参考。

本次实验是一个直流电的电路。

5. 发光二极管 LED （Light Emitting Diode）

发光二极管是二极管的一种，当然，正常工作时候会发光。

二极管其中一个特性是在正常工作电压下单向导通，它在原理图的符号形状很好地描述此一特性。也因此单向导通特性，市电交流电电路里面是无法使用 LED 的。虽然说单向导通，但电压再加大时候，是可以反向击穿的。另外，所谓正常工作电压，意思是你供给的电压如果低于它，它是不会工作的。

发光二极管是电流流过时，光子释出，发出特定波段的光。所谓特定波段，也包括了不可见的红外线。LED 有两个重要参数，一是它的工作电压，二是最大能承受的最大电流。电流越大 LED 越亮，但超过一定电流值的话它会烧毁。

不同的 LED 他们的工作电压是不一样的。就算外形看起来一样的我们实验用到的小草帽型 LED，不同颜色的工作电压也有所不同。还有高亮的 LED 灯珠也有不同的最大流限制。使用前，务必查看清楚，以免造成损坏。

基本理论仿真实验 - 新手专用

首先我们用 Multisim 软件，做简单的仿真，看看以上关于 LED 的特性。

我们从二极管分类里面找到了 LED，选个红色，看看这个界面：

大家可以看到右侧中间位置 Function 窗口有个 Vf = 1.83V @ 20mA 的一句话。意思是它的工作电压最大是 1.83V ，而最大电流是 20mA（即 0.02 A）。我们试试给 1V ，电路加个探针然后开始仿真，看看什么情况：

你会看到 LED 那两个往外代表发光的箭头是空心的，代表没有点亮。然后我们按停止仿真，把直流电源改为 5V，再启动仿真看看：

如果 Multisim 仿真可以做个烧毁的动画图就更好了。这次，它发光的箭头红色了，但注意一下探针读数，1.11kA（即 1110 A）。家用电磁炉功耗够大了也才 7A 左右，这一千多安培能一瞬间烧毁 LED。

为了阻止大量电流，我们加入一个电阻，限制电流在电路里面的流动。运用欧姆定律计算，如下：

I = V / R

0.02 A = (5V – 1.83V) / R

R = 158.5 Ohm

我们就加入一个 158.5 Ohm 电阻器，再次启动仿真看看：

可以看到，探针读数 1.83V 20mA。加入了电阻器作为限制电流，LED 就正常工作了。如果我们把电阻加大，电流减少，LED 虽然能发光但会变暗。Multisim 的 LED 参数里面有控制最小能发光的电流，是 5 mA。我们把电阻改为 220 Ohm （Arduino 官网例子就是用这个值的电阻），再启动仿真看看：

你会发现它电压读数有所减少，而电流变成了 14.5mA。同样能点亮。

然后这次，我们看看蓝色的 LED 是怎样的参数：

3.45V @ 20mA，如果我们用蓝色，电阻的值就是：

(5V – 3.45V) / 0.02 A = 77.5 Ohm

本次实验的并联 LED - 新手专用

这次来点实际的，本次实验中用到的四颗 LED 并联情况，直接上公式，看看仿真：

（5V – 3.45V) / (20 mA x 4）= 19.375 Ohm

由于是四颗并联（注意不是串连），以上电流值是需要乘以 4。我们得到所需要的电阻为 19.375 Ohm。

第一个探针的值是总的电流，第二个探针是流到其中一个 LED 的电流。由于四路的负载相同，他们分得的电流也是相同，对电压无影响。这是最高亮度的安全情况了。各位有兴趣的，可以思考一下，把其中一个 LED 改为红色，保持全部 LED 每颗获得 20mA 应该怎么做。

然后，确定了阻值，我们可以搭建实物了。第一个问题来了，仿真归仿真，现实世界的实物中，19.375 欧姆的电阻哪里找来呢？

其实电子世界存在很多误差，要生产出精确无误而且不受温度影响的电阻是非常高难度和高成本。一般我们买到的直插电阻，特别是新手包套装套件那种，误差可能达 10%。另外 LED 所谓的标称工作电压，也不一定那么准确。再说你的电源，也不一定精确无误地提供 5V 稳定电源。所以，我们计算时候，都是以范围来估算，所以各位在各种情况看到的数据手册，很多值都是以范围标示。

电阻的值，百分之十误差来说，我们看看为了保持电流在 20mA 或以下我们应该怎么选：

R x 90% = 19.375 Ohm

R = 21.5278 Ohm

我们知道阻值越高电流越少。在使用蓝色 LED 时，我们选10% 误差的电阻，超过以上标称阻值的（估算结果 21.5278 Ohm），就是安全了。我们实物的电阻，找个比这值大的最接近值即可。我家里最接近的就 47 Ohm，我就那个来搭。

实物的 LED，具体参数请找厂家卖家，或者网上搜索获得。

实物电路与仿真相同，只是照片里的电阻放了在负极。

用5V 电源接通后的效果如上图。

最后一点，是否超过 20mA 比如 22mA 的电流，LED 就会挂呢？答案是否定的，至少你不会马上看到它烧毁。但厂家写了最高电流，你却在使用过程中长期超过，LED 的寿命就可能会缩短。

总结

以上就是组成 LED 部分最基本的电路。这电路还没加入灯的开关，没有探测室内光线亮度的电路，当然也没加上 Arduino。下一篇，我们先看看光敏电阻怎样用。

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参考

实用电子元器件与电路基础 第三版	电子工业出版社，ISBN：9787121223785
模拟电子技术基础 第五版	高等教育出版社，ISBN：9787040425055
电子元器件的选择与应用	科学出版社，ISBN：9787030165060
电路基础（英文版 第五版）	机械工业出版社，ISBN：9787111411840
Multisim 12.0 软件	http://www.ni.com/multisim/