4.3.2 LED灯调节亮度#

4.3.2.1 简介#

本课程将引导您深入了解如何利用脉宽调制（PWM）技术来调节LED灯的亮度。PWM是一种通过快速切换电源来改变LED亮度的高效方法，它通过调整信号的占空比来控制LED的平均电流，从而实现亮度的无级调节。课程内容包括PWM原理、电路设计、编程实现及实际应用案例，旨在帮助学员掌握LED亮度控制的核心技术，并能够应用于各种电子项目中。

4.3.2.2 元件知识#

模拟信号 与 数字信号

模拟信号在时间和数值上都是连续的。相反，数字信号或离散时间信号是由一系列数值组成的时序序列。生活中大多数信号都是模拟信号。一个常见的模拟信号的例子是：一天中的温度会持续变化，不可能突然从 0℃ 突然跃升至 10℃。然而，数字信号能够瞬间改变数值。这种变化以数字形式表示为 1 和 0（这是二进制代码的基础）。当将其绘制成如下图表并进行比较时，其差异会更加明显。

一个常见的模拟信号的例子是：一天中的温度会持续变化，不可能突然从 0℃ 突然跃升至 10℃。然而，数字信号则不同。在实际应用中，我们通常使用二进制作为数字信号，即一系列的 0 和 1。由于二进制信号只有两种值（0 或 1），所以它具有极高的稳定性和可靠性。最后，模拟信号和数字信号都可以相互转换。

PWM

PWM，即脉宽调制，是一种利用数字信号来控制模拟电路的非常有效的方法。普通的处理器无法直接输出模拟信号。而PWM 技术则使得这种转换（将数字信号转换为模拟信号）变得非常便捷。

PWM 技术通过数字引脚发送特定频率的方波信号，即高电平和低电平的交替输出，每次交替持续一段时间。每组高电平和低电平的总时长通常是固定的，这被称为周期（注意：周期的倒数即为频率）。高电平输出的时间通常被称为“脉冲宽度”，而占空比则是脉冲持续时间（PW）与波形总周期（T）的比率所占的百分比。

高电平输出持续的时间越长，对应的占空比就越大，相应的模拟信号电压也就越高。以下图表展示了在 0V 至 5V 之间（高电平为 5V）模拟信号电压随脉冲宽度（0% - 100%）的变化情况：

脉宽调制的占空比越长，输出功率就越高。既然我们已经理解了这种关系，就可以利用脉宽调制来控制 LED 的亮度或直流电机的速度等等。

从上述内容可以看出，脉宽调制并非真正的模拟方式，电压的有效值相当于相应的模拟值。因此，我们可以控制 LED 和其他输出模块的输出功率，以实现不同的效果。

ESP32 和 PWM

在 ESP32 上，LEDC（PWM）控制器有 16 个独立通道，每个通道都可以独立控制频率、占空比，甚至精度。与传统的 PWM 引脚不同，ESP32 的 PWM 输出引脚是可配置的，每个通道有一个或多个 PWM 输出引脚。最大频率与位精度之间的关系如以下公式所示，其中位的最大值为 31 。

例如，生成一个具有 8 位精度的脉宽调制信号（2^8 = 256，数值范围从 0 到 255），其最大频率为 80，000，000 / 255 = 312，500 赫兹。

4.3.2.3 接线图#

LED模块的S引脚连接到io27

⚠️ 特别注意：智慧农场已经组装好了，这里不需要把LED模块拆下来又重新组装和接线，这里再次提供接线图，是为了方便您编写代码！

4.3.2.4 实验代码#

代码文件在Arduino_代码文件夹中，代码文件为4_3_2_Breathing_LED，如下图所示：

鼠标双击4_3_2_Breathing_LED.ino即可在Arduino IDE中打开。

/*
 * 文件名 : Breathing_LED
 * 功能   : 让led灯像呼吸一样忽明忽暗.
 * 编译IDE：ARDUINO 2.3.6
 * 作者   : https://www.keyesrobot.cn/
*/

const int ledPin = 27;  // 定义LED的GPIO引脚

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT); //设置LED引脚为输出模式。
}

void loop() {
  for (int i = 0; i < 255; i++) { //使LED逐渐亮
    analogWrite(ledPin, i); //输出PWM
    delay(10);
  }
  for (int i = 255; i > -1; i--) {  //使LED逐渐熄灭
    analogWrite(ledPin, i); //输出PWM
    delay(10);
  }
}

4.3.2.5 实验结果#

按照接线图接好线，外接电源，选择好正确的开发板板型（ESP32 Dev Module）和适当的串口端口（COMxx），然后单击按钮上传代码。上传代码成功后，即可实现LED灯从暗慢慢变亮，然后再由亮慢慢变暗。以此循环的现象。

4.3.2.6 代码说明#

for (int i = 0; i < 255; i++) {
    ...
}

for → 创建计数循环。官方介绍：for | Arduino Documentation
int i = 0 → 从0开始计数。
i < 255 → 循环条件（i<255时执行）。官方介绍：<(less than) | Arduino Documentation
i++ → 每次循环i增加1。官方介绍：++ (increment) | Arduino Documentation

a49

①：设置循环初始值，只是执行一遍，执行后进入②。

②：判断是否瞒住循环条件，如图中i <= 255则是i小于等于255就能进入循环代码③中。

③：循环代码，将需要循环的代码放到这里，如我们这个代码是需要控制pwm值从0到255所以我们只需将i的值当初pwm值即可然后进入④。

④：i++ 是i在原来的值上再加一的操作等于 i = i +1 （i- -则是等效 i = i - 1），执行完后进入⑤。

⑤：i的值加一（或减一）后接着判断i的值是否小于等于255，如果是则继续进入循环代码③，如果不是则退出for循环。

analogWrite(ledPin, i);   //Output PWM

analogWrite() → Arduino PWM输出函数
ledPin → 支持PWM的引脚（带~符号）
i → 占空比值（0-255）

官方介绍：analogWrite() | Arduino Documentation

4.3.2 LED灯调节亮度

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