树莓派用led制作呼吸灯

前面我们做了第一个实验，让树莓派点亮了一个小灯–点击查看，今天我们通过树莓派GPIO引脚的pwm功能来实现一个呼吸灯的效果。

准备工作

硬件器材：

led小灯（我选用的是红色）
1kΩ电阻（保护电路）
面包板一个
导线若干
树莓派一个

软件：

python2.7
RPi扩展库

关于pwm

PWM就是脉冲宽度调制，也就是占空比可变的脉冲波形。PWM是一个非常巧妙的技术，该技术在保持每秒脉冲个数不变的条件下允许你改变脉冲的长度。在使用之前需要先导入RPi库：

1	import RPi.GPIO as gpio

创建一个pwm实例：

1	pwm = gpio.PWM(channel, fequency)

channel为绑定的引脚，frequency为pwm的频率。

启用pwm：

1	pwm.start(dc)

dc代表占空比，范围为0.0 <= dc >= 100.0

更改频率：

1	pwm.ChangeFrequency(freq)

freq为设置的新频率，单位为Hz。

更改占空比：

1	pwm.ChangeDutyCycle(dc)

dc为设置的新的占空比。

停止pwm：

1	pwm.stop()

注意：如果实例中的占空比超出范围，也会导致pwm停止。

开始

我们继续使用BCM编码的18号引脚，创建一个文件led_breath.py,然后开始我们的代码编辑：

# coding: utf-8
# python 2.7
import RPi.GPIO as gpio
import time
gpio.setmode(gpio.BCM)
gpio.setup(18, gpio.OUT)
pwm_led = gpio.PWM(18, 500)
pwm_led.start(0)
print 'pwm start'
try:
    while True:
        for i in range(0, 100):
            pwm_led.ChangeDutyCycle(i)
            time.sleep(0.05)
        for i in range(100, 0):
            pwm_led.ChangeDutyCycle(i)
            time.sleep(0.05)
except KeyboardInterrupt:
    pwm_led.stop()
    gpio.cleanup()
    print 'pwm stop and gpio clean up by ctrl + c'

我们打开了18号gpio引脚，然后设置了一个死循环，让灯一个亮灭为周期，当按下ctrl+c的时候关闭pwm并清理gpio。

运行这个脚本：

1	$ python led_breath

如果没什么特殊情况就可以看到led灯在一亮一灭之间不停转换。

但是，这个呼吸灯有点生硬啊，因为它的变化是线性的。。。那我们能不能改进下我们的程序，让呼吸灯”呼吸“更好看一点呢？

使用三角函数

回想一下我们的三角函数，正好是在周期变化的曲线，我们来尝试使用三角函数优化下我们的led的”呼吸“效果。三角函数曲线：

对于三角函数的学习可以参考我以前的博客：三角函数

我们来观察下sin函数曲线，sin函数的值的范围在[-1, 1]区间。我们需要让它在区间[0, 100]之间那么只需要：(sinθ + 1) / 2 * 100。这样变化后，我们还需要在角度为0的时候，让y值为0，那么需要将x轴后移0.5 π个周期，即(sin(θ - 0.5 * π) + 1) / 2 * 100，我们这里θ是角度，还需要转换为弧度：rand = θ * 2 * π / 360，带入可得最后的公式：

1	y = (sin(θ * 2 * π / 360 - 0.5 * π) + 1) / 2 * 100

在python中我们使用sin函数和π，我们需要引入库：math：

1	from math import sin, pi

即我们推导出的公式的python写法：

1	duty = (sin(angle * 2 * pi / 360 - 0.5 * pi) + 1) / 2 * 100

简化一下可得：

1	duty = (sin((angle / 180.0 - 0.5) * pi) + 1) * 50

注意：python里面两个整数相除还是整除，所以这里需要给180加上小数点：180.0

好了，最终我们的程序：

# coding: utf-8
# python 2.7
import RPi.GPIO as gpio
from math import sin, pi
import time
gpio.setmode(gpio.BCM)
gpio.setup(18, gpio.OUT)
pwm_led = gpio.PWM(18, 500)
pwm_led.start(0)
print 'pwm start'
try:
    while True:
        for angle in range(0, 360, 1):
            duty = int((sin((angle / 180.0 - 0.5) * pi) + 1) * 50)
            pwm_led.ChangeDutyCycle(duty)
            time.sleep(0.003)
except KeyboardInterrupt:
    # 按下ctrl+c结束进程
    pwm_led.stop()
    gpio.cleanup()
    print 'pwm stop and clean up!'

最后看看效果：

通过这个例子可以对pwm有个大致了解，对后续的控制电机有很大的帮助。