树莓派基础实验1：双色LED灯实验

一、介绍

   双色发光二极管（LED）能够发出红色和绿色，两种不同颜色的光。正电压指向LED端子之一，使LED发出相应的颜色的光，一次只能有一个引脚接受电压，常用着各种设备的指示灯。

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二、组件

★Raspberry Pi 3主板*1

★树莓派电源*1

★40P软排线*1

★双色LED模块*1

★面包板*1

★跳线若干

三、实验原理

双色LED灯模块 双色LED灯模块原理图

  将引脚R和G连接到Raspberry Pi的GPIO，对Raspberry Pi进行编程，将LED的颜色从红色变为绿色，然后使用PWM（脉宽调制）混合成其他颜色。

四、实验步骤

  第1步：连接电路。将树莓派通过T型转接板连接到面包板，树莓派GPIO 11即T型转接板GPIO 17，“红白线”连接双色LED模块R端子；树莓派GPIO 12 即T型转接板GPIO 18，“绿白线”连接双色LED模块G端子；树莓派GND即T型转接板GND，“黑线”连接双色LED模块GND端子。

双色LED灯电路连接图
双色LED灯实物连接图

  第2步：启动树莓派。实验1里面我们采用集成开发环境python IDLE编写程序。

打开IDLE图

  第3步：打开IDLE后，在菜单“file”下点击“new file”按钮，新建文件，开始编程。我使用python语言，它是一种脚本语言，不需要编译，按写入的顺序执行，运行在另一个程序“之中”，语法规则较少，易于学习且功能强大。
  第4步：导入模块，设置常量、板载模式。Raspberry Pi有三种引脚编号方法：根据引脚的物理位置编号；由C语言GPIO库wiringpi指定的编号；由BCM2837 SOC指定的编号。
  RGB色彩模式是工业界的一种颜色标准，是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的，RGB即是代表红、绿、蓝三个通道的颜色。在电脑中，RGB的所谓“多少”就是指亮度，并使用整数来表示。通常情况下，RGB各有256级亮度，用数字表示为从0、1、2...直到255。注意虽然数字最高是255，但0也是数值之一，0表示没有刺激量，255表示刺激量达最大值。R、G、B均为255时就合成了白光，R、G、B均为0时就形成了黑色。
  下面代码段中的颜色列表中，用两位十六进制数表示每种颜色的刺激量，本实验中只有红色和绿色两种基色，所以每种颜色用四位十六进制数表示。如“0xFF00”表示红色，“0x00FF”表示绿色，而 “0x0FF0”表示红色的刺激量为前两位十六进制数“0F”，绿色的刺激量为后两位十六进制数“F0”。

#!/usr/bin/env python     #告诉Linux本文件是一个Python程序
import RPi.GPIO as GPIO   #导入控制GPIO的模块，RPi.GPIO
import time     #导入时间模块，提供延时、时钟和其它时间函数

colors = [0xFF00, 0x00FF, 0x0FF0, 0xF00F]   #颜色列表
pins = {'pin_R':11, 'pin_G':12}  #针脚字典，物理位置编号，红色针脚为11号，绿色针脚为12号

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)       #设置引脚编号模式为板载模式，即树莓派上的物理位置编号
#或者为BCM模式：
#GPIO.setmode(GPIO.BCM)

  第5步：初始化LED灯，输入输出模式、初始电平、频率、占空比。脉宽调制（PWM），是指用微处理器的数字输出对模拟电路进行控制，是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

for i in pins:
    GPIO.setup(pins[i], GPIO.OUT)   # 设置针脚模式为输出（或者输入GPIO.IN）
    GPIO.output(pins[i], GPIO.LOW) #设置针脚为低电平，关掉LED灯

p_R = GPIO.PWM(pins['pin_R'], 2000)  # 设置频率为 2KHz
p_G = GPIO.PWM(pins['pin_G'], 2000)

p_R.start(0)      # 初始占空比为０（范围：0.0 <= dc <= 100.0，0为关闭状态)
p_G.start(0)      # p.start(dc) dc代表占空比

  PWM的频率决定了输出的数字信号on （1） 和 off（0 ）的切换速度。频率越高，切换就越快。
  占空比：指一串理想脉冲序列中，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。调整led通过电流和不通过电流的时间比来控制的，由于人眼有视觉暂留特性，所以只要频率比较高是看不出来闪烁的。当然通过电流比不通过电流的时间比例越大，led做的功就越多，这样也就越亮，需要注意的是led芯片的温升和最大电流值不要超标，不然会影响其寿命。

  低占空比意味着输出的能量低，因为在一个周期内大部分时间信号处于关闭状态,如果pwm控制的负载为led,则具体表现例如led灯很暗。
  高占空比意味着输出的能量高，在一个周期内,大部分时间信号处于on状态,具体表现为LED比较亮。
  当占空比为100%时，表示 fully on，也就是在一个周期内，信号都处于on状态,具体表现为led亮度到达100%。
  当占空比为0%时则表示 totally off，在一个周期内，一直处于off状态，具体表现为led熄灭。

  现在一切都明了了：脉冲宽度调制，这个宽，不是物体的宽度，而是高电平（有效电平）信号在一个调制周期中持续时间长短，它可以用占空比去衡量，占空比越大，脉冲宽度越宽。取值范围为0到100。
  第６步：创建map()函数。由于RGB格式各颜色的刺激量取值范围为：最小0，最大255，而占空比的取值范围为：最小0，最大100，所以要将颜色的刺激量转换为占空比对应的值。

def map(x, in_min, in_max, out_min, out_max):
    return (x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min

  第7步：创建setcolor()函数。通过更改占空比调整各基色的亮度，进而设置LED的发光颜色。

def setColor(col):   # 设置颜色
    R_val = (col & 0xFF00) >> 8    #先“与”运算只保留自己颜色所在位的值有效
    G_val = (col & 0x00FF) >> 0    #再“右移”运算将自己颜色所在位的值提取出来
    
    R_val = map(R_val, 0, 255, 0, 100)   #将颜色的刺激量转换为占空比对应的值
    G_val = map(G_val, 0, 255, 0, 100)
    
    p_R.ChangeDutyCycle(R_val)     # 更改占空比，调整该颜色的亮度
    p_G.ChangeDutyCycle(G_val)

  第8步：创建loop()循环函数。

def loop():
    while True:        #循环函数
        for col in colors:         #遍历颜色列表
            setColor(col)      #设置颜色
            time.sleep(0.5)   #延时0.5秒

  第9步：创建destroy()函数，清除LED状态。

def destroy():
    p_R.stop()        #停止PWM
    p_G.stop()
    for i in pins:
        GPIO.output(pins[i], GPIO.LOW)    # 关掉所有led灯
    GPIO.cleanup()     #重置GPIO状态

  第10步：创建异常处理。一个Python文件通常有两种使用方法：一是作为脚本直接执行；二是import到其它的Python脚本中被调用执行。if __name__ == "__main__":语句的作用就是控制这两种执行代码的过程，该语句只在第一种（作为脚本直接执行）时为真，而import到其它脚本中执行时为假。

  原理是：每个Python模块都包含内置的变量__name__，当该模块被直接执行时,__name__等于文件名（后缀.py），如果该模块import到其它模块中执行，该模块的__name__等于文件名（后缀.py）,而 "__main__"始终等于当前模块的名称（后缀.py），所以......

if __name__ == "__main__":
    try:         #用try-except代码块来处理可能引发的异常
        loop()
    except KeyboardInterrupt:     #如果遇用户中断（control+C），则执行destroy()函数
        destroy()