树莓派基础实验2：RGB-LED实验

一、介绍

RGB LED模块可以发出各种颜色的光。红色，绿色和蓝色的三个LED被封装到透明或半透明塑料外壳中，并带有四个引脚。红色，绿色和蓝色三原色可以按照亮度混合并组合各种颜色，因此可以通过控制电路使RGB LED发出彩色光。

二、组件

★Raspberry Pi 3主板*1

★树莓派电源*1

★40P软排线*1

★RGB LED模块*1

★面包板*1

★跳线若干

三、实验原理

RGB LED灯

在本实验中，我们将使用PWM技术来控制RGB的亮度。
脉冲宽度调制（PWM）是一种通过数字方式获取模拟结果的技术。数字控制用于创建方波，信号在高电平和低电平之间切换。这种开关模式，可以通过改变信号持续的时间部分，与信号关闭的时间来模拟全开（5V）和关（0V）之间的电压。
“有效”的持续时间称为脉冲宽度。要获得不同的模拟值，可以更改或调制脉冲宽度。如果你使用的LED重复此开关模式足够快，结果好像信号是0到5V之间的稳定电压，控制LED的亮度。

三色LED电路图

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G17，“红白线”连接RGB LED模块R端子；
树莓派GPIO 12 即T型转接板G18，“绿白线”连接RGB LED模块G端子；
树莓派GPIO 13 即T型转接板G27，“蓝白线”连接RGB LED模块B端子；
树莓派GND即T型转接板GND，“黑线”连接RGB LED模块GND端子。

RGB_LED连接图

实物连接图

第2步：PC端安装VNC-Viewer软件。在我们的电脑端建立与树莓派的远程桌面连接，这样可以摆脱每次给树莓派接显示器和鼠标、键盘的麻烦。

VNC远程桌面

第3步：PC端安装FileZilla软件。它是建立在SSH服务下的文件传输软件，通过该软件可以把电脑端编好的程序或者其它文件直接传输到我们的树莓派中。

Filezilla文件传输软件

第4步：通过VNC-Viewer软件打开树莓派的远程桌面，然后启动IDLE后开始编程。
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，所以每种颜色用六位十六进制数表示。如“0xFF0000”表示红色，“0x00FF00”表示绿色，而 “0xFF00FF”表示介于红色和蓝色之间的紫色。

#!/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 = [0xFF0000, 0x00FF00, 0x0000FF, 0xFFFF00, 0xFF00FF, 0x00FFFF] #颜色列表
R = 11        #定义物理针脚号
G = 12
B = 13

第5步：初始化设置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。

def setup(Rpin, Gpin, Bpin):
    global pins   #在函数内部声明被其修饰的变量是全局变量
    global p_R, p_G, p_B
    pins = {'pin_R': Rpin, 'pin_G': Gpin, 'pin_B': Bpin}
    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
    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) # Set pins to low(0 V) to off led
    
    p_R = GPIO.PWM(pins['pin_R'], 2000)  # set Frequece to 2KHz
    p_G = GPIO.PWM(pins['pin_G'], 1999)
    p_B = GPIO.PWM(pins['pin_B'], 5000)
    
    p_R.start(0)      # Initial duty Cycle = 0(leds off)
    p_G.start(0)
    p_B.start(0)

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：定义两个小函数。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): #将颜色的刺激量转换为占空比对应的值。
    return (x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min

def off():
    for i in pins:
        GPIO.output(pins[i], GPIO.LOW)    # Turn off all leds

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):   # For example : col = 0x112233
    R_val = (col & 0xff0000) >> 16   #先“与”运算只保留自己颜色所在位的值有效
    G_val = (col & 0x00ff00) >> 8    #再“右移”运算将自己颜色所在位的值提取出来
    B_val = (col & 0x0000ff) >> 0

    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)
    B_val = map(B_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)
    p_B.ChangeDutyCycle(B_val)

第8步：定义循环函数。

def loop():
    while True:
        for col in colors:
            setColor(col)
            time.sleep(1)

第9步：定义清除LED状态的函数。

def destroy():
    p_R.stop()      #Turn off PWM
    p_G.stop()
    p_B.stop()
    off()              # Turn off all leds
    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（ $\color{red}{包含}$ 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（ $\color{red}{不包含}$ 后缀.py）,而 "__main__"始终等于当前模块的名称（ $\color{red}{包含}$ 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
        setup(R, G, B)      #调用初始化设置LED灯的函数
        loop()                     #调用循环函数
    except KeyboardInterrupt:      #如果遇用户中断（control+C），则执行destroy()函数
        destroy()             #调用清除LED状态的函数