LED灯程序设计

• 前言
• 一、LED灯的程序设计1 —— 频闪灯
• 二、LED灯的程序设计2 —— 流水灯
• 三、LED灯的程序设计3 —— 呼吸灯
• 总结
• 参考文献

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前言

• 本文主要介绍三种LED灯的程序设计，即频闪灯、流水灯和呼吸灯。
• 本文使用的MCU芯片为ESP8266EX，程序编写使用Arduino IDE的版本号为Arduino 1.8.19。

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一、LED灯的程序设计1 —— 频闪灯

数字信号

• 数字信号是以0、1表示的电平不连续变化的信号，也就是以二进制的形式表示的信号。 在Arduino中数字信号通过高低电平来表示，高电平则为数字信号1，低电平则为数字信号0 。
  
• 使用输入或输出功能前，需要通过pinMode() 函数配置引脚的模式为输入模式或输出模式，调用形式：

pinMode(pin, mode);

• 参数pin为指定配置的引脚编号；参数mode为指定的配置模式。
  可使用的三种模式:
  INPUT —— 输入模式
  OUTPUT—— 输出模式
  INPUT_PULLUP—— 输入上拉模式
• 配置成输出模式后，你还需要使用digitalWrite() 让其输出高电平或者是低电平，调用形式：

digitalWrite(pin, value);

• 参数pin为指定输出的引脚编号；参数value为你要指定输出的电平，使用HIGH指定输出高电平，或是使用LOW指定输出低电平。
• 数字引脚除了用于输出信号外，还可以用digitalRead() 函数读取外部输入的数字信号，调用形式：

int value = digitalRead(pin);

• 参数pin为指定读取状态的引脚编号；返回值value为获取到的信号状态，1为高电平，0为低电平。
• 以宏定义的方式，来为设备设置一个名称。

#define MCU_LED 2

• delay() 为毫秒延时函数，delay(1000) 即延时1秒（1000毫秒）。
• 基于上述Arduino库函数基础，利用数字信号实现频闪灯。
• 控制LED灯点亮或熄灭，实现500ms点亮，1000ms熄灭，循环点亮LED。

代码实现：

// 频闪灯，500ms点亮，1000ms熄灭，循环点亮LED。

#define MCU_LED 2                //MCU_LED连接到GPIO2
void setup() {
  pinMode(MCU_LED, OUTPUT);      //MCU_LED定义为输出引脚
}

void loop() {
  digitalWrite(MCU_LED, HIGH);   //点亮MCU_LED
  delay(500);                    //延时500ms 
  digitalWrite(MCU_LED, LOW);    //熄灭MCU_LED
  delay(1000);                   //延时1000ms
}

二、LED灯的程序设计2 —— 流水灯

• 硬件准备：将GPIO6、GPIO7、GPIO8、GPIO9分别串联一个3K电阻和一个LED灯到GND。
• 利用数字信号控制4个GPIO口，即控制4个LED灯，实现逐个点亮流水灯效果。

代码实现：

// 逐个点亮4个LED，实现流水灯效果。

void setup() {
  for(int i = 6; i < 10; i++)   //GPIO6、GPIO7、GPIO8、GPIO9定义为输出引脚
  pinMode(i, OUTPUT);
}

void loop() {
  for(int i = 6; i < 10; i++)  //GPIO6 → GPIO9，LED流向从左往右
  {
    digitalWrite(i, HIGH);     //点亮 GPIOi 对应的LED
    delay(500);                //延时500ms
    digitalWrite(i, LOW);      //熄灭 GPIOi 对应的LED
  }
  for(int i = 9; i < 5; i--)   //GPIO9 → GPIO6，LED流向从右往左
  {
    digitalWrite(i, HIGH);    //点亮 GPIOi 对应的LED
    delay(500);               //延时500ms
    digitalWrite(i, LOW);     //熄灭 GPIOi 对应的LED
  }
}

三、LED灯的程序设计3 —— 呼吸灯

模拟信号

• 生活中，接触到的大多数信号都是模拟信号，如声音、温度的变化等。模拟信号是用连续变化的物理量表示的信息，信号随时间作连续变化。

• ESP8266EX芯片可以接受0～5V的模拟信号。
• 模拟输入引脚是带有ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）功能的引脚。它可以将外部输入的模拟信号转换为芯片运算时可以识别的数字信号，从而实现读入模拟值的功能。
• Arduino 模拟输入功能有10位精度，即可以将0～5V的电压信号转换为0～1023的整数形式表示。
• 模拟输入功能需要使用analogRead() 函数，调用形式：

int value = analogRead(pin)

• 参数pin是指定要读取模拟值的引脚，被指定的引脚必须是模拟输入引脚。
• 使用analogWrite() 函数实现这个功能。但该函数并不是输出真正意义上的模拟值，而是以一种特殊的方式来达到输出近似模拟值的效果，这种方式叫做脉冲宽度调制（PWM，Pulse Width Modulation）。
• 需要使用带PWM功能的引脚才能对GPIO口进行配置，配置PWM请参考ESP8266EX芯片手册。
• 当使用analogWrite() 函数时，指定引脚会通过高低电平的不断转换输出一个周期固定的方波，通过改变高低电平在每个周期中所占的比例（占空比），而得到近似输出不同的电压的效果。
• 需要注意的是，这里仅仅是得到了近似模拟值输出的效果，如果要输出真正的模拟值，还需要加上外围滤波电路。
• 模拟输入调用形式：

analogWrite(pin,value)

• 参数pin是指定要输出PWM波的引脚，参数value指定是PWM的脉冲宽度，ESP8266的PWM波value范围为0～1023。
• 在analogWrite() 和analogRead() 函数内部，已经完成了引脚的初始化，因此不用在Setup() 函数中进行初始化操作。
• 基于上述Arduino库函数基础，程序实现呼吸灯。

代码实现：

// analogWrite()函数输出PWM波控制LED，实现呼吸灯效果。

#define MCU_LED 2                 //MCU_LED连接到GPIO2
void setup() {
  pinMode(MCU_LED, OUTPUT);       //MCU_LED定义为输出引脚
}

void loop() {
  for(int i = 0; i < 255; i=i+5)  //LED从暗到亮
  {
    analogWrite(MCU_LED, i);      //输出PWM波
    delay(30);                    //延时30ms，以便观察渐变效果
  }  
  for(int i = 255; i >0; i=i-5)   //LED从暗到亮  
  {         
    analogWrite(MCU_LED, i);     //输出PWM波
    delay(30);                   //延时30ms，以便观察渐变效果
  }
}

• 通过for循环，逐渐改变LED的亮度，达到呼吸的效果。
• 在两个for循环中都有delay(30) 的延时语句，这是为了让我们肉眼能观察到亮度调节的效果。

总结

• 本文通过三个LED灯实例介绍一些常用的Arduino库函数，调用库函数是学习Arduino编程的基础。
• 学会控制GPIO口，便于后续Arduino程序设计的学习。

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参考文献

参考文献1: 数字I/O的使用
参考文献2: 流水灯实验
参考文献3: 模拟I/O的使用
参考文献4: 呼吸灯实验
参考文献5: ESP8266芯片手册