任務(wù)一物聯(lián)網(wǎng)燈光控制模塊的安裝與調(diào)試【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．了解RGB彩燈模塊引腳標(biāo)志的含義。2．理解RGB彩燈模塊的燈光顏色的呈現(xiàn)原理。3．能根據(jù)電路圖完成實(shí)物電路的裝配。4．能獨(dú)立完成積木程序的搭建、上傳與調(diào)試。5．培養(yǎng)科技創(chuàng)新意識(shí)與社會(huì)責(zé)任感?！救蝿?wù)情景】某LED燈公司計(jì)劃設(shè)計(jì)一款新型的流水燈，請(qǐng)使用Arduino開(kāi)發(fā)板和RGB彩燈模塊進(jìn)行產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)，要求該產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)7種顏色的燈輪流閃爍的效果?！救蝿?wù)分析】本任務(wù)將設(shè)計(jì)一款流水燈，它的常見(jiàn)效果是一組LED燈按照一定的次序輪流閃爍。在配套的硬件模塊中，有兩種不同的RGB彩燈模塊，一種模塊上帶有1個(gè)LED燈，另一種模塊上帶有8個(gè)LED燈。為方便區(qū)別它們，我們將這兩種不同的RGB彩燈模塊分別稱(chēng)為單燈RGB彩燈模塊和多燈RGB彩燈模塊，如圖3-1、圖3-2所示。本任務(wù)，我們將使用多燈RGB彩燈模塊實(shí)現(xiàn)流水燈效果?！鞠嚓P(guān)知識(shí)】一、RGB彩燈模塊簡(jiǎn)介二、RGB彩燈模塊燈光混色原理三、RGB彩燈模塊亮度控制技術(shù)一、RGB彩燈模塊簡(jiǎn)介RGB彩燈模塊廣泛應(yīng)用于設(shè)備指示燈、家居系統(tǒng)和舞臺(tái)燈光等不同場(chǎng)景。單燈RGB彩燈模塊是一種用于顯示彩色燈光的硬件設(shè)備，其引腳如圖3-3所示。單燈RGB彩燈模塊的中心有3個(gè)相互獨(dú)立的LED燈，能分別發(fā)出紅色、綠色、藍(lán)色的光。通過(guò)調(diào)節(jié)這3個(gè)LED燈的亮度，可以組合出不同顏色的燈光。單燈RGB彩燈模塊的頂端有標(biāo)有B+、R+、G+的引腳，分別用來(lái)控制藍(lán)燈、紅燈和綠燈。單燈RGB彩燈模塊的4個(gè)角上有4個(gè)圓形的孔，分別標(biāo)有“GND”“Blue”“Red”“Green”。單燈RGB彩燈模塊的左側(cè)有4個(gè)金屬片，它們是模塊對(duì)外開(kāi)放的引腳，用于提供不同類(lèi)型的接入方式，增加模塊的通用性。多燈RGB彩燈模塊的引腳與單燈RGB彩燈模塊的引腳有所不同，如圖3-4所示。多燈RGB彩燈模塊共有4個(gè)引腳，其中，VCC為電源引腳，表示該模塊的電源的正極，電壓為5V或3.3V；GND表示接地引腳，也就是接入電源的負(fù)極，可以使用Arduino開(kāi)發(fā)板上的電源引腳為模塊供電，也可以使用其他電源；NC表示空引腳，沒(méi)有定義任何功能；RGB引腳用于控制8個(gè)RGB彩燈的顏色。圖3-3單燈RGB彩燈模塊引腳圖3-4多燈RGB彩燈模塊引腳二、RGB彩燈模塊燈光混色原理RGB彩燈模塊能產(chǎn)生不同顏色的燈光，其基本原理是混色原理?；焐屑臃ɑ焐蜏p法混色兩種方式。1．加法混色加法混色是指將不同顏色的光線(xiàn)疊加在一起，形成新的顏色。在加法混色中，不同顏色的光疊加，可以產(chǎn)生其他不同的顏色，例如，紅色+綠色=黃色，紅色+藍(lán)色=紫色，綠色+藍(lán)色=青色。當(dāng)紅色、綠色和藍(lán)色3種主要的光以相等的強(qiáng)度疊加在一起時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生白色光。加法混色效果如圖3-5所示。加法混色在彩色顯示器、彩色LED燈等設(shè)備中廣泛應(yīng)用。2．減法混色減法混色是指通過(guò)光的吸收和反射來(lái)產(chǎn)生新顏色。在減法混色中，當(dāng)兩種顏色混合在一起時(shí)，它們會(huì)吸收某些波長(zhǎng)的光，反射其他波長(zhǎng)的光。例如，當(dāng)青色和黃色混合在一起時(shí)，青色吸收紅色光，黃色吸收藍(lán)色光，它們共同反射綠色光，從而呈現(xiàn)出綠色。減法混色在印刷、繪畫(huà)和顏料混合中起著重要的作用。通過(guò)調(diào)整不同顏料的混合比例，可以得到不同的顏色效果。

圖3-5加法混色效果三、RGB彩燈模塊亮度控制技術(shù)RGB彩燈模塊亮度控制一般采用PWM技術(shù)，它是一種常用的電子調(diào)節(jié)技術(shù)，用于控制電子系統(tǒng)中的電壓或電流，通過(guò)調(diào)整信號(hào)的脈沖寬度來(lái)控制輸出信號(hào)的平均功率或能量。要理解LED燈的亮度控制，先要認(rèn)識(shí)一下PWM的信號(hào)波形。PWM信號(hào)是一種方波，波形如圖3-6所示，看起來(lái)像長(zhǎng)城的城墻，凸起的部分代表高電平，凹下的部分代表低電平。從圖3-6可以看出，4條波形的周期是相同的，只是高電平在一個(gè)周期內(nèi)的占比不同，高電平在一個(gè)周期內(nèi)的占比被稱(chēng)為占空比。圖3-6中占空比從上到下依次變大。在調(diào)光應(yīng)用中，首先需要選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)念l率，頻率范圍為幾十赫茲到幾千赫茲，以確保人眼無(wú)法察覺(jué)到脈沖的閃爍；再使用控制器或微處理器來(lái)產(chǎn)生特定頻率的PWM信號(hào)，調(diào)整PWM信號(hào)的占空比來(lái)控制LED燈的亮度；最后通過(guò)適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路將PWM信號(hào)作用于LED燈。通過(guò)快速調(diào)整高電平或低電平的持續(xù)時(shí)間，LED

燈會(huì)以平均亮度呈現(xiàn)出不同的亮度級(jí)別。由于人眼具有視覺(jué)暫留效應(yīng)，LED

燈的亮度看起來(lái)是連續(xù)變化的，而不是閃爍的。PWM技術(shù)在調(diào)光應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)包括高效、精確、無(wú)噪聲和無(wú)閃爍等，其廣泛應(yīng)用于LED照明系統(tǒng)、顯示屏、舞臺(tái)燈光和汽車(chē)照明等領(lǐng)域。圖3-6PWM的信號(hào)波形【技能訓(xùn)練】根據(jù)前面的分析，從物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)套件中找出本任務(wù)所需的硬件設(shè)備，硬件設(shè)備清單如表

3-1所示。活動(dòng)一組裝設(shè)備活動(dòng)二編寫(xiě)圖形程序活動(dòng)三解讀程序代碼活動(dòng)四上傳與調(diào)試程序活動(dòng)一組裝設(shè)備一、梳理設(shè)備控制的邏輯關(guān)系本任務(wù)涉及的模塊較少，除了ArduinoMega2560開(kāi)發(fā)板外，僅需要一個(gè)多燈RGB彩燈模塊。流水燈工作時(shí)，ArduinoMega2560開(kāi)發(fā)板向多燈RGB彩燈模塊發(fā)送PWM信號(hào)，用來(lái)控制多燈RGB彩燈模塊。流水燈的設(shè)備控制邏輯關(guān)系如圖3-7所示。圖3-7流水燈的設(shè)備控制邏輯關(guān)系活動(dòng)一組裝設(shè)備二、組裝硬件設(shè)備1．識(shí)讀引腳標(biāo)志仔細(xì)觀察各硬件設(shè)備的引腳標(biāo)志，明確各標(biāo)志的含義。本任務(wù)使用的是多燈RGB彩燈模塊，該模塊有4個(gè)引腳，分別如下。（1）VCC引腳是電源引腳，用于連接電源，為模塊提供工作電壓。（2）GND引腳是接地引腳，用于接地，以確保模塊安全工作。多燈RGB彩燈模塊需要用到PWM功能，因此需要將GND引腳連接到Arduino開(kāi)發(fā)板的接地引腳上，以形成電路回路。（3）NC引腳是空引腳，通常是預(yù)留的引腳，用于未來(lái)擴(kuò)展或定制使用。（4）RGB引腳用于控制燈光的顏色和亮度?；顒?dòng)一組裝設(shè)備二、組裝硬件設(shè)備2．連接引腳按如下步驟連接引腳。（1）將多燈RGB彩燈模塊的VCC引腳接到Arduino開(kāi)發(fā)板的3.3V引腳上。（2）將多燈RGB彩燈模塊的GND引腳接到Arduino開(kāi)發(fā)板的GND引腳上。（3）多燈RGB彩燈模塊的NC引腳不用連接任何引腳。（4）將多燈RGB彩燈模塊的RGB引腳接到Arduino開(kāi)發(fā)板的AI引腳上。可按照表3-2所示內(nèi)容進(jìn)行硬件連接。連接后的效果如圖3-8所示?；顒?dòng)二編寫(xiě)圖形程序一、分析程序流程下面講解一下本程序的設(shè)計(jì)思路。（1）對(duì)流水燈進(jìn)行初始化。初始化時(shí)確定流水燈中燈的數(shù)量及其使用的引腳。（2）在程序的主循環(huán)體內(nèi)設(shè)置8個(gè)燈依次閃爍。每個(gè)燈閃爍過(guò)程的順序是開(kāi)燈、延時(shí)、關(guān)閉所有燈。這個(gè)順序也可以調(diào)整為關(guān)閉所有燈、開(kāi)燈、延時(shí)。具體程序流程如圖3-9所示。 圖3-9流水燈的程序流程圖活動(dòng)二編寫(xiě)圖形程序二、搭建積木程序分析完程序的流程后，利用Mind+軟件搭建積木程序。（1）打開(kāi)Mind+軟件，在軟件的左下角單擊“擴(kuò)展”按鈕，添加ArduinoMega2560開(kāi)發(fā)板。（2）單擊“擴(kuò)展”→“用戶(hù)庫(kù)”→“導(dǎo)入用戶(hù)庫(kù)”，在配套素材中，找到文件waterlamp.mpext，將該文件添加到用戶(hù)庫(kù)中，如圖3-10所示。圖3-10導(dǎo)入擴(kuò)展文件活動(dòng)二編寫(xiě)圖形程序二、搭建積木程序分析完程序的流程后，利用Mind+軟件搭建積木程序。（3）添加開(kāi)發(fā)板和擴(kuò)展文件后就可以進(jìn)行程序的搭建，具體的操作過(guò)程如表3-3所示?；顒?dòng)二編寫(xiě)圖形程序二、搭建積木程序分析完程序的流程后，利用Mind+軟件搭建積木程序。（3）添加開(kāi)發(fā)板和擴(kuò)展文件后就可以進(jìn)行程序的搭建，具體的操作過(guò)程如表3-3所示。按表3-3完成操作后，流水燈的程序完整流程如圖3-11所示。圖3-11流水燈的程序完整流程活動(dòng)三解讀程序代碼一、查看Mind+軟件自動(dòng)生成的代碼單擊Mind+軟件右上角的“代碼區(qū)”按鈕，可看到軟件自動(dòng)生成的ArduinoC語(yǔ)言的代碼，如圖

3-12

所示。

圖3-12流水燈的ArduinoC語(yǔ)言代碼活動(dòng)三解讀程序代碼二、代碼解析本任務(wù)中大部分代碼相似度較高，比如

0～7

號(hào)燈，每盞燈的亮起代碼基本相同，僅是燈的編號(hào)和顏色不同，因此下面以1號(hào)燈為例進(jìn)行代碼講解。主要代碼解析如表3-4所示?；顒?dòng)四上傳與調(diào)試程序編寫(xiě)完程序后，要進(jìn)行程序的上傳與調(diào)試，具體操作步驟如下。一、連接設(shè)備使用USB連接線(xiàn)將ArduinoMega2560開(kāi)發(fā)板連接到計(jì)算機(jī)上，并在Mind+軟件中單擊“連接設(shè)備”菜單，對(duì)開(kāi)發(fā)板進(jìn)行連接。二、上傳程序在Mind+軟件中單擊右上角的“上傳到設(shè)備”按鈕，完成程序的上傳。三、檢查運(yùn)行效果觀察多燈RGB彩燈模塊的運(yùn)行，將出現(xiàn)每個(gè)燈輪流閃爍的效果，部分燈亮的效果如圖3-13所示?！救蝿?wù)評(píng)價(jià)】學(xué)生在完成本任務(wù)的學(xué)習(xí)后，教師可以根據(jù)學(xué)生的綜合表現(xiàn)給出評(píng)分得分。任務(wù)評(píng)價(jià)表如表3-5所示?！就卣箤W(xué)習(xí)】LED燈的應(yīng)用本任務(wù)所使用的RGB彩燈模塊的核心元件是LED燈，其屬于半