树莓派制作呼吸灯（PWM应用）

古月金真

1. 脉冲宽度调制(PWM)

脉冲宽度调制(PWM)是一种高效的数字电压控制技术，它利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。为更好的理解和使用PWM，我们首先需要了解以下两个概念。

• 频率：以Hz为单位，一个脉冲信号时间周期的倒数。如果PWM的输出频率比较低，例如只有5Hz，那么在控制一个LED时候，LED就会一闪一闪的，较高的频率可以让运行更为平滑，但PWM的输出频率并不能无限的高，而且在高频情况下，测定的PWM频率会与作为树莓派参数提供的频率略有出入。因此，在使用PWM时，应该选择一个合适的频率，对于控制一个LED亮度来说，一般100Hz就足够了。
• 占空比：输出的PWM脉冲信号中，高电平保持的时间与该PWM的时钟周期的时间之比，如图6.1所示，占空比=t1/T=t1/(t1+t2)。假设PWM脉冲的频率为1000Hz，那么它的时钟周期T就是1ms（即1000us），如果高电平持续时间t1为200us，低电平的时间t2为800us，那么占空比就是200:1000(即1:5)。
  
  PWM脉冲信号
  从应用的角度，我们可以简单的将PWM理解为通过改变脉冲信号的频率和高电平的持续时间（或占空比）来实现电压控控制的一种方法。图6.2显示了三个由GPIO输出的PWM信号(电压为3.3V)，第一个信号是一个占空比为20%的PWM输出，即在信号周期中，20%的时间为高电平（逻辑1），其余80%的时间为低电平（逻辑0），对应的电压为满幅值的20%（0.66V）。第二、三个信号分别是占空比为50%和80%的PWM输出，对应的电压分别为1.65V和2.64V。
  
  三个由GPIO输出的PWM信号
• 树莓派操控PWM
  在树莓派上，可以通过对GPIO的编程来实现PWM，RPi.GPIO库就提供了一个PWM功能，以下是使用RPi.GPIO库的PWM功能的方法。

2.电路

3.程序

import RPi.GPIO as GPIO        # 引入GPIO模块      
from time import sleep              # 引入time模块
      
LedPin = 19    # 引脚定义 （后面用）
freq =100        # 存放PWM频率变量，这里初始值为100，可以根据实际需要修改                
dc = 0              # 存放PWM占空比变量，这里初始值为0，可以根据实际需要修改              

GPIO.setmode(GPIO.BCM)            # 使用BCM编号方式        
GPIO.setup(LedPin, GPIO.OUT)    # 将GPIO19设置为输出模式    

pwm = GPIO.PWM(LedPin, freq)     # 创建PWM对象，并指定初始频率
pwm.start(dc)                                   # 启动PWM，并指定初始占空比

freq = int(input("Please input the frequency of PWM(1-2000Hz): "))   # 等待输入新PWM频率
pwm.ChangeFrequency(freq)        # 改变PWM频率
while True:                                    # 循环
     if dc ==0:                               #如果占空比为0时
         while 1:
                dc = dc+1                   #占空比自加
                sleep(0.01)                #占空比一0.01s的速度自加
                pwm.ChangeDutyCycle(dc)  #灯现实逐渐变亮
                if dc ==100:
                     break                 如果占空比加到一百时跳出循环体
     if dc == 100:      #与上面相反
         while 1:
                dc = dc-1
                sleep(0.01)
                pwm.ChangeDutyCycle(dc) 
                if dc == 0:
                     break
                     
input()                    
GPIO.cleanup()    # 清理释放GPIO资源，将GPIO复位

• 注意：占空比最大设置为100。

4.运行

输入频率后，点击回车即可，如下图所示。