第3节 第一次硬件控制

现在我们开始尝试用代码控制一个真正的硬件设备。

第一个例子：让Arduino开发板上的一个LED小灯周期性的打开、关闭。
第二个例子：让LED灯亮度逐渐的变亮变暗。

3.1 LED灯的开关

3.1.1 原理介绍

Arduino开发板上，都会有两个LED指示灯。不同的开发板，LED指示灯的位置、颜色略有不同。

1. 电源指示灯。当开发板连接上电源（或者通过USB线供电）后，用来指示电源是否接通。这个LED灯旁边肯定有一个“On”标记；

2. 测试用指示灯。这是一个用来做内部测试的指示灯，也正是本示例要使用到的指示灯。在这个LED灯旁看到个‘L’标记；
   

前面的章节中，我们介绍了Arduino开发板提供了3类引脚。其中数字引脚D13就控制着这个测试用指示灯。因此我们只需要在代码中控制好这个引脚就好了。
没有可外接的LED模块时，就用D13引脚来做测试。

3.1.2 代码设计

通过菜单栏创建一个叫做led.ino的文件，启动这个示例。

1. 任何引脚在使用之前，都要在setup()中对它进行初始化，首先告知这个引脚用来输出－OUTPUT，还是用来输入－INPUT。这里的输入输出对象，是相对于开发板而言的。现在L灯，相当于是连接在D13号针脚上的一个外接硬件，灯的开关由D13号引脚上的电压决定，所以要将该D13针脚作为输出－OUTPUT。 ```cpp //定义引脚的编号，这里使用的是数字引脚13。 int LED_PIN = 13;

void setup() { //设置该引脚类型为输出 pinMode(LED_PIN, OUTPUT); }

2. 
通过`digitalWrite()`函数，让指示灯变亮一秒，然后变暗一秒，如此往复，
```cpp
void loop()
{
    //将该引脚设置成高电平，也就是通电，打开指示灯
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
    //延时1秒（即1000毫秒），在这1秒钟，LED灯状态不变，即点亮状态
    delay(1000);
    //将该引脚设置成低电平，也就是断电，关闭指示灯
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
    //延时1秒（即1000毫秒），在这1秒钟，LED灯状态不变，即熄灭状态
    delay(1000); 
}

loop()执行之后，会被循环再次执行，我们设计的效果就是LED灯一秒亮、一秒暗的不停循环。
delay(1000)表示这里要停顿1000毫秒。
digitalWrite()函数专门用来为数字引脚设置高低电平，这里的高低电平我们用了HIGH和LOW分别表示。

//将该引脚设置成高电平
digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
//将该引脚设置成低电平
digitalWrite(LED_PIN, LOW);

高低电平的说法是数字信号领域中的。它并不是说高电平的电压是1v，低电平的电压是0v，完全可以把1v的电压定义成低电平，5v的电压定义成高电平。而且在真实的物理世界中，不可能存在绝对的1v和5v，电压可能会围绕着1v或者5v有少许的波动，但着并不影响我们对高低电平的判断。

模拟信号就比较符合物理世界的真相，并不是非此即彼，会有很多连续变化的数值。Arduino的模拟引脚就用来处理这样的数据。

在Arduio开发板中，数字引脚会标注为D，模拟引脚会标注为A。

3.1.3 结果观察

将工程编译部署到开发板上，就能看到D13连接到LED指示灯，一秒亮、一秒暗的不停闪烁。

3.2 LED灯明暗调节

3.2.1 原理介绍

数字引脚只能输出高电平HIGH或低电平LOW两种，但是通过脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation简称PWM）就能让数字端口模拟输出多级的电压（通常是0级～255级，0级代表没有，255级代表最高电压）。

数字引脚上的电压，可以看成是一个个脉冲方波，当引脚一直处于高电平的时候，输出为V，

当引脚电压的脉冲方波周期中，有50%的时间中处于高电平的时候，平均输出就为V/2；

当引脚电压的脉冲方波周期中，有33.3%的时间中处于高电平的时候，平均输出就为V/3；

以此类推。

*更官方的表述请参考官网。

Arduino开发板提供的数字引脚中，有的引脚就具备了PWM的能力：能够设置这些数字引脚的电压输出级数。具有PWM功能的引脚，在开发板上有专门的标注，前面会有一个波浪线〰️。

int LED_PIN = 13;
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
......
//设置成输出10级电压，电压强度从0～255
analogWrite(LED_PIN, 10);

这里面，我们使用了analogWrite()函数，向D13引脚写入了第10级的亮度。

通过官网给出的规格，可以看出Arduino MEGA开发板的D13引脚，是具备PWM功能的。所以我们可以让测试指示灯渐变明暗。

不过Arduino UNO开发板上的D13引脚并不具备PWM功能，因此要在它上面进行灯光强弱调整的实验，必须要在其他的引脚上，外接一个LED灯硬件。这部分内容，我们稍后会介绍。

3.2.2 代码设计

改造led.ino文件，实现UNO或者MEGA开发板的PWM的功能。

1. 在setup()中对它进行初始化，告知这个引脚用来输出－OUTPUT，或者用来输入－INPUT。这里是要初始化D13引脚（MEGA板的L灯可以实现PWM），让它作为输出。 ```cpp //定义引脚的编号，这里使用的是数字引脚13 int LED_PIN = 13;

void setup() { //设置该引脚为输出 pinMode(LED_PIN, OUTPUT); }

2. 
通过`analogWrite()`函数，让指示灯逐级变亮，然后逐级变暗，如此往复，
```cpp
void loop()
{
    //将该引脚从0级逐步设置到255级，指示灯逐渐变亮
    for(int level = 0; level < 256; level++)
    {
        analogWrite(LED_PIN, level);
        //延时100毫秒，LED灯状态不变
        delay(10);
    }
    //将该引脚从255级逐步设置到0级，指示灯逐渐变暗
    for(int level = 255; level >= 0; level--)
    {
        analogWrite(LED_PIN, level);
        //延时100毫秒，LED灯状态不变
        delay(10);
    }
}

loop()执行之后，会被循环再次执行，我们设计的效果就是LED灯逐渐变亮，再逐渐变暗。
这里使用了analogWrite()函数向数字引脚设置电压0级～255级中的任何一级，

//将该PWM引脚设置成0～255级中的任何一级
analogWrite(LED_PIN, level);

可见analogWrite()函数并不像它的名字那样只是模拟引脚的专利，它对支持PWM的引脚同样适用。而且可以发现相对于digitalWrite()只能设置高低电平，analogWrite()可以设置更广泛的数值。不过请注意，这个数值并不是电压的大小，而是经过转化后的整数，具体设置成多大的电压，我们开发人员不用操心，只需要知道0最小，255最大。

3.2.3 结果观察

将工程编译部署到开发板上，就能看到MEGA开发板上，D13连接的LED指示灯一会儿亮一会儿暗，逐渐变化。

3.3 其他LED灯的使用

除了使用MEGA开发板的D13引脚，我们也可以使用任何其他带PWM功能的数字引脚。例如Arduino MEGA开发板的D2～D13 D44 D46；Arduino UNO开发板的3 5 6 9 10 11。将LED灯接到这些引脚上面，就能同样的实现对LED灯的控制。

3.3.1 LED模块

LED模块可能是单色的：只能发出一种颜色的光，这种模块有3个引脚，标注字符S的是控制灯光强度的引脚、VCC或者+是电源引脚、GND或者G是接地引脚，例如单色LED灯模块，

LED灯也可能支持3种基础颜色－红绿蓝，这种模块有4个引脚，例如三色LED灯模块，

1. 标注字符R的是控制红色灯光强度的引脚；
2. 字符G的是控制绿色灯光强度的引脚；
3. 字符B的是控制蓝色灯光强度的引脚；
4. GND是接地引脚，

3.3.2 连接模块

这里我们先用单色的LED灯模块举例。

MEGA开发板，2-13引脚都支持PWM，随便选一个都可以。

UNO开发板，3,5,6,9,10,11引脚支持PWM，可以在开发板上看到引脚数字边上有个’~’。

这里我们选择D9引脚来连接LED灯。

LED灯的S引脚连接到MEGA（或者UNO）D9引脚；VCC接到MEGA（或者UNO）5V引脚；GND接到MEGA（（或者UNO）GND引脚。

早期的开发板，为了防止电压不稳定击穿电子器件，需要连接个电阻。
现在的开发板，只在接马达时才需要增加电阻，惯常的做法是增加一块扩展板。

在实际的硬件连接当中，我们通常用扩展板来连接LED模块和开发板。

这里我们使用传感器扩展板，

可以看到扩展板上已经印制出了每个引脚的含义，

对于数字引脚扩展槽来说，
GND或者G：接地引脚
VCC或者V：供电引脚
D或者S：被扩展出的引脚，其下方的数字代表该引脚的编号

对于模拟引脚扩展槽来说，
GND或者G：接地引脚
V或者＋：供电引脚，
S或者D：被扩展出的引脚，其下方的数字代表该引脚的编号

所以，对于这里的情况，我们选择标注了9的数字引脚扩展插槽。

如果使用UNO的扩展板，它可能是下面这个样子，

虽然不同开发板使用的扩展板长相各不相同，但它们上面标注的信息都是一致的

3.3.3 修改代码

因为这次我们使用了D9引脚，所以需要修改前面使用的D13引脚为D9，

//定义引脚的编号，这里使用的是数字引脚9
int LED_PIN = 9;
void setup()
{
   //设置该引脚为输出
   pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}
void loop()
{
   //将该引脚从0级逐步设置到255级，指示灯逐渐变亮
   for(int level = 0; level < 256; level++)
   {
       analogWrite(LED_PIN, level);
       //延时100毫秒，LED灯状态不变
       delay(10);
   }
   //将该引脚从255级逐步设置到0级，指示灯逐渐变暗
   for(int level = 255; level >= 0; level--)
   {
       analogWrite(LED_PIN, level);
       //延时100毫秒，LED灯状态不变
       delay(10);
   }
}

3.3.4 结果观察

将工程编译部署到开发板上，就能看到D9连接到LED指示灯，一会儿亮一会儿暗的逐渐变化。

3.3.5 使用三色LED灯

使用三色的LED灯模块，与使用单色的LED灯模块一样。在硬件连接时，要同时把红R、绿G、蓝B三种颜色对应的引脚连接到PWM接口上。例如使用数字引脚D9、D10、D11，分别对应红、绿、蓝三种颜色，就要多使用几个扩展板的插槽，将对应的R G B引脚插在标注了9 10 11编号的数字扩展口上，

在代码中要初始化三个PWM接口。

//定义引脚的编号，这里使用的是数字引脚D9、D10、D11，
//分别对应红、绿、蓝三种颜色
int RED_LED_PIN = 9;
int GREEN_LED_PIN = 10;
int BLUE_LED_PIN = 11;
void setup()
{   
   //设置该引脚为输出
   pinMode(RED_LED_PIN, OUTPUT);
   pinMode(GREEN_LED_PIN, OUTPUT);
   pinMode(BLUE_LED_PIN, OUTPUT);
}
void loop()
{
   //将该引脚从0级逐步设置到255级，指示灯逐渐变亮
   for(int level = 0; level < 256; level++)
   {
       analogWrite(RED_LED_PIN, level);
       analogWrite(GREEN_LED_PIN, level);
       analogWrite(BLUE_LED_PIN, level);
       //延时100毫秒，LED灯状态不变
       delay(10); 
   }
   //将该引脚从255级逐步设置到0级，指示灯逐渐变暗
   for(int level = 255; level >= 0; level--)
   {
       analogWrite(RED_LED_PIN, level);
       analogWrite(GREEN_LED_PIN, level);
       analogWrite(BLUE_LED_PIN, level);
       //延时100毫秒，LED灯状态不变
       delay(10); 
   } 
}

3.4 传感器引脚标注的约定

经过上面的操作，我们对开发版和元器件也有了初步的认识。大家可以发现，以后主要的工作就是使用连接线连接开发板（或者扩展板）和各种传感器器件。

传感器只需要连接3种引脚：电源正极、电源负极和数据线。

• 电源正极引脚：通常会标注为+ VCC 这种字样；
• 电源负极引脚：通常会标注为- GND 这种字样；
• 数据引脚：大部分传感器只有一根数据引脚，读取或者设置数据，比如单色LED灯；不过有的传感器要使用较多的引脚设置数据，比如LED屏幕阵列；这些数据线引脚的标注，就可能大不相同了，有的标注S，有的标注D，或者其他的，不过只要仔细观察、区分出了电源正负极之后就都能正确找到。至于如何使用这些数据引脚，就要看你购买的产品说明了，它通常会详细的告诉你这些引脚的含义，如何读取或者设置。

上面案例中使用的三色LED灯，没有VCC，而是直接使用的R``G``B标注对应的引脚也是可以的，所以说，具体的使用方法最好还是看看产品配套的说明。