实例3：树莓派呼吸灯
实验目的
- 通过背景知识学习，了解digital与analog的区别。
- 通过GPIO对外部LED灯进行呼吸控制，熟悉PWM技术。
实验要求
通过python编程，用GPIO控制LED灯，使之亮度逐渐增大，随后减小，并循环上述过程，实现呼吸效果，周期为4s。
实验知识
1. 查看树莓派GPIO引脚图
pinout
参考链接：树莓派官方4B引脚图的详细资料
2.安装及引入RPi.GPIO库
sudo pip install RPi.GPIO # 命令行pip安装RPi.GPIO
import RPi.GPIO as GPIO # 在Python代码引入RPi.GPIO库
3. RPi.GPIO库的用法
GPIO.setmode(GPIO.BOARD) #初始化GPIO引脚编码方式，需放在代码正式开始处
# GPIO引脚由多种编码方式，比如BCM、wiringPi、BOARD等,方便起见，课程均采用BOARD编码模式
GPIO.setup(12, GPIO.OUT) #初始化GPIO引脚设置，需放在代码正式开始处
GPIO.setup(12, GPIO.IN) #12为引脚号 GPIO.IN或者GPIO.OU为输入输出模式
print(GPIO.input(12)) #GPIO.input查看GPIO输入的电平信号
#GPIO.HIGH为高电平 ，GPIO.LOW为低电平 也可用于条件判断作其他操作
# GPIO.output向端口发送高低电平信号
GPIO.output(12, GPIO.HIGH) # 此处以12号端口为例
GPIO.output(12, GPIO.LOW)
GPIO.cleanup() #在使用完GPIO后要作清理，避免后续引脚被占用
参考链接：Python RPi.GPIO库官方文档
图片2：树莓派LED灯细节图
4.什么是模拟？
LED灯在数字信号0和1的切换下发生亮灭的变化，但是，LED灯在亮和灭之间存在着许多中间状态，比如30%亮度、50%亮度，这些状态应该如何表示呢？这就要提到模拟、数字以及PWM技术了。
模拟信号（Analog）是指用连续变化的物理量表示的信号，分布于自然界的各个角落，如气温、电流、电压的变化。
在模拟电路中，电压和电流可直接用来进行控制对象，比如家庭音箱的音量。简单来说，随着电流的增大，播放音乐的音量也在逐步增大。
5.什么是数字？
数字信号（Digital）是人为的、抽象出来的、在幅度取值上不连续的信号。
比如我们在控制LED灯闪烁时，是通过0和1，也就是高低电平信号来控制LED的亮和灭，只存在两种状态，要么高电平，要么低电平，没有其他中间值。
在计算机中，大小常用有限位的二进制数表示的这种离散的、不连续的信号被称为数字信号。
模拟信号在现实的传输过程中经常会被外界干扰，造成传输信息有偏差，比如打电话时的模糊，老式电视机上的雪花噪点，将模拟信号转化为数字信号则可以解决这个问题。
图片4：使模拟信号数字化的图
6.什么是PWM？
PWM正是一种将模拟信号转换数字信号的技术，它对模拟信号电平进行数字编码。
PWM，全称为Pulse-width modulation，意为脉冲宽度调制，通过对数字信号每一个周期内高电平的占比时长的调节，来使得信号对外的表现为0～1之间的一个中间值。
高电平的占比时常也就是占空比(Duty Cycle)，占空比指电路被接通的时间占整个电路工作周期的百分比。
当方波在一个周期内高电平（1）的时长为周期的一半时，低电平（0）的时长也为周期的一半，那么这个周期对外展现出的值就是(1x50% + 0x50%)=0.5
当我们希望LED对外呈现30%的亮度时，只需要让高电平（1）的时间占比为周期的30%，其余70%的时间为低电平（0），那么这个周期对外展现出的值就是(1x30% + 0x70%)=0.3
如此一来，LED灯就呈现出了30%的亮度。
图片5：PWM示意图
7. RPi的GPIO库中PWM的用法
import RPi.GPIO as GPIO # 引入GPIO库
GPIO.setmode(GPIO.BOARD) #初始化GPIO引脚编码方式，需放在代码正式开始处
GPIO.setup(12, GPIO.OUT) #初始化GPIO引脚设置，需放在代码正式开始处
p = GPIO.PWM(channel, frequency) # 创建pwm实例 channel为引脚号 frequency为频率
p.start(dc) # 开始pwm dc为初始占空比(0.0 <= dc <= 100.0)
p.stop() # 停止pwm
p.ChangeFrequency(freq) # 改变频率（Hz）freq
p.ChangeDutyCycle(dc) # 改变占空比(0.0 <= dc <= 100.0)
GPIO.cleanup() # 清理GPIO引脚
参考链接：RPi GPIO库中PWM()函数的详细资料
8.mini pupper学习套件-LED模块的使用
mini pupper学习套件中的LED模块自带板载限流电阻，能够保护LED模块。
接线如下：
| 引脚 | 作用 | 树莓派对应口 |
|---|---|---|
| GND | 接地 | GND口 |
| R | 红灯正极 | PWM口 |
| G | 绿灯正极 | PWM口 |
| B | 蓝灯正极 | PWM口 |
实验步骤
1.硬件连接
- 将灯的任一正极（R/G/B/Y）接入树莓派上的PWM端口（例如33号端口）
树莓派的GPIO中仅有部分为PWM口，你可以通过查看树莓派GPIO的引脚图来确认哪个端口是PWM端。 - 将灯的GND端接入树莓派上的GND端口（例如34号端口）
你可以通过查看树莓派GPIO的引脚图来确认哪个端口是GND端。
2.编写Python程序led_breathe.py
#!/usr/bin/python
# coding:utf-8
# led_breathe.py
# 树莓派GPIO控制外部LED灯呼吸，周期为4秒。
import time
import RPi.GPIO as GPIO
# GPIO初始化
LED = 33 # 外部led灯连接的树莓派PWM端口，可根据需要调整
GND = 34 # 接地的端口
period = 4 # 呼吸周期
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup(LED, GPIO.OUT)
p = GPIO.PWM(LED, 50) # 引脚=LED 频率=50Hz
p.start(0)
print("PWM控制呼吸灯开始，端口号为%d，周期为%d秒。" % (LED, period))
try: # try和except为固定搭配，用于捕捉执行过程中，用户是否按下ctrl+C终止程序
while 1:
for dc in range(0, 101, 1):
p.ChangeDutyCycle(dc)
time.sleep(period / 200)
for dc in range(100, -1, -1):
p.ChangeDutyCycle(dc)
time.sleep(period / 200)
except KeyboardInterrupt:
pass
p.stop()
GPIO.cleanup()
3.运行程序，观察实验效果
在led_breathe.py的目录下执行以下命令：
sudo python led_breathe.py
应该能观察到用LED灯亮度逐渐增大，随后减小，并循环上述过程，体现了呼吸的效果，周期为4s。
图片3：gif图片 LED呼吸效果
实验总结
经过本知识点的学习和实验操作，你应该能达到以下水平：
| 知识点 | 内容 | 了解 | 熟悉 | 掌握 |
|---|---|---|---|---|
| 模拟与数字 | 模拟与数字的区别 | ✔ | ||
| 树莓派 | 树莓派GPIO中的PWM端口 | ✔ | ||
| PWM | PWM技术的用法 | ✔ | ||
| 硬件 | mini pupper学习套件的LED模块的使用 | ✔ |
版权信息：教材尚未完善，此处预留版权信息处理方式
mini pupper相关内容可访问：https://github.com/mangdangroboticsclub
