第1篇：通过Raspberry Pi闪烁LED项目学习欧姆定律、GPIO和晶体管知识

 

*本文最初发表于2022年4月28日，现对其重新编辑后再次发表。

在本系列文章中，主要是通过使用Raspberry Pi创建的简单项目来学习电子设计的原理及基础知识。此次的分享嘉宾是伊藤尚未先生，一位媒体艺术家和作家，以讲解“更深层次的原理”而闻名。上一篇文章中我们谈了LED灯闪烁的原理，接着我们来学习如何通过Raspberry Pi处理稍大的电流以控制电机。

◆

[目录]

1. 前言

2. LED的结构

3. LED的性能
・两种亮度表述方式：坎德拉和流明
・色温
・广角型和窄角型
・适配选型

4.尝试通过Raspberry Pi控制电机
・大大电流的处理方法
・PWM控制

5. 总结

1. 前言

又见面了，我是伊藤尚未。
关于编程课是否有必要从小学开始，来自各个层面的各种看法、期望和困惑林林总总。就我个人而言，倾向于在静观其变的同时探索未来的方向，并力所能及地参与到某一方面中。

在上一篇文章中，我们尝试用Raspberry Pi上的GPIO来点亮LED，由于只要涉及到处理电子元器件，就必须留意流过电子元器件的电流，所以我们用电阻器对流过LED的电流进行了限制。

我们也探讨了可以用欧姆定律来计算。如今市场中的LED琳琅满目，所以需要仔细阅读不同LED的额定参数表和技术规格书。在电路设计过程中，没有比注意电压和电流更重要的了。

电压过高或电流过大均可造成损坏，好不容易设计出来的产品如果因为电压电流问题功亏一篑，实在令人扼腕。

但是，即使出现这种情况，也不要轻言放弃（我也有这种经历）。失败乃成功之母，但也绝不提倡“刻意破坏”作品！
除了损坏外，还有可能出现元器件爆炸或过热等情况，可能会使人受伤甚至引起火灾，因此必须格外注意。
言归正传，接下来我们会再稍微详细地探讨一下LED的性能。

1. LED的结构

子弹头LED的内部结构如下图所示。

实际发光器件是中间圆盘中的那个小芯片。圆盘就像一个反射器，罩壳顶部设计成透镜形状，方便灯光散射。
部分产品的阳极侧也可能会连接一个圆盘，所以并不能全部通过内部引线框架的形状来确定LED的结构。

2. LED的性能

・有两种亮度表述方式：坎德拉和流明。

仔细阅读LED的技术规格书后发现，亮度表述方式有两种，即“cd（坎德拉）”和“lm（流明）”。两者均采用数字的方式表示亮度，即数值越大亮度越高，但各自的含义存在本质区别。

将光源发出的光视作“线”（即光束）时，光源的发光总量用“lm（流明）”来表示。在实际应用中，某些器具因为形状的原因，由于透镜和反射器的作用，光线可能无法向背面散射，而是朝向一个方向发射，将单位立体角的光通量称为光强，用“cd（坎德拉）”表示。

此外，大家可能还知道亮度单位“lx（勒克斯）”，表示光接收表面的亮度（照射在单位面积上的光通量）。基础知识大概就这些。

顺便提一下，这种常见的子弹头LED，由于树脂罩壳内的反射作用，光线多少会从背面漏出来一些。但如在功率LED的背面配置一块铝基板，不仅可用来散热，也能阻挡光从背面漏出来。从具体产品看，会发现功率LED的亮度多用流明(lm)来表述，可能是考虑到这样的产品结构而选用的单位吧。

・色温

色温的单位为“K”（开尔文）。比如：在熔炉中敲打铁钉时，铁钉会逐渐变红，并发出红光，这种现象称为“热辐射”；随着温度升高，颜色会变黄。热辐射规定了温度变化引起的颜色变化，并以符号来表示。

特别是白光LED的光线颜色包从含浅白色到橙色的各种颜色，称为灯泡色温，色温值越高，颜色越浅。

・广角型和窄角型

也有“半角”等表述方式，角度代表光的扩散范围，具体取决于罩壳透镜和引线框架的结构。例如，亮度相同的LED，如果是窄角型LED，光线中心最亮，其周围突然变暗，而如果是广角型LED，则光线扩散范围较广，而且能一定程度上均匀照亮。

・适配选型

现在大家对LED已经有了一定的了解，以后选型时相信大家能够选择适合需求的LED。
例如，对于某些作品来说越亮越好，当然，也需要结合预算；但如果主要用于照明，那么最好选用亮度较高的LED。如果主要用于显示，则选择亮度不高的LED也可以。比如在夜间或光线较暗的地方，如果采用亮度较大的7段LED，则会出现字母显示模糊不清且很难看清数字的情况。

3. 尝试通过Raspberry Pi控制电机

接下来，我们来谈谈Raspberry Pi。
如何使用Raspberry Pi控制LED以外的其他设备？例如，需要的电流比LED电流更大的设备（比方说电机），该如何控制？
说起模型制作用的直流电机，非常有名的要数万宝至马达公司生产的电机了。我们以标准的FA-130RA电机为例来介绍吧。

外包装性能表上标注的电压和电流分别为1.5V-3V和500mA，这种电机通常多用于模型和玩具，所以一般根据干电池电源来设置其电压。

电机通过磁场中线圈接收的力来驱动电机旋转。另外，由于线圈本身会产生电抗等看不见的电阻，所以难以掌握电流的情况。

暂且只能以包装上标注的3V和500mA为准。
在上一篇文章中，控制LED时使用的晶体管2SC1815的额定值表中规定“流过集电极的电流上限为150mA”，而“500mA”的电流值明显超过额定值了。这这种情况下，我们应该怎么办？

对此有几种处理方法。

・大电流的处理方法

例如，可使用电机驱动专用扩展板或电机驱动器IC，具体选用哪种方法取决于扩展板和IC的功能，所以可直接根据正转、反转和制动等使用方式来选用。

另一种方法是使用继电器。继电器是与线圈（即电磁体）接触的一种机构，所以有些继电器可能需要配备晶体管（与LED那篇一样）等来驱动线圈单元。可以说，与开关一样，只要在额定范围内，电源（100V）即可正常导通和关断。另外，使用时会产生物理接触，所以其使用寿命取决于使用频率。还可采用易用性相同、由半导体组成的SSR（固态继电器）。

以上列出了几种不同的方法，可能还有些我不太了解的方法和产品，总之我认为最好选用符合目标作品需求的方法。
现在，让我们回到最基本的做法，用晶体管来尝试驱动。

我选择的是可承载较大电流的2SC2655L，其集电极额定电流高达2A，这么高的电流这还不足以驱动这台直流电机吗？与LED那篇的介绍一样，可以通过电路来连接。

电路是用来驱动电机的电路，从GPIO通过一个1kΩ电阻器将晶体管的基极与集电极相连接，电路示意图如下：

面包板组装示意如图如下：

我在Scratch上使用了和上一篇文章一样的程序，也就是说，只是改变了LED等器件，程序可以采用相同的程序。虽说如此，运行起来却完全不同，这是因为电机与LED不同，并不是那种可以突然开启、突然停动的器件。
我暂且尝试了以下的形式。声明GPIO，将引脚4设置为输出，然后每秒重复开关10次。

我在电机上配有风扇，暂且将它当做电风扇来用吧。可以说这是一个风扇实验设备，可在面包板上尝试各种不同的配置。

马上就要夏天了，真的蛮不错的。

通过开关的ON/OFF即可转动电机。好不容易用Raspberry Pi让电机转起来了，自然而然地希望能控制点什么。
那么，如何控制转速呢？
最近一些电风扇能够间歇性送微风，例如“微风模式”，我们也可尝试实现这种模式。

・PWM控制

PWM是一种常用的数字控制方法。PWM即“脉冲宽度调制”，本质上是一种通过调节快速信号周期中的脉冲宽度来改变一个周期ON/OFF状态的方法。
如果处于ON时间长的状态（如Fig. 2），则其电量将大于ON时间短的状态（如Fig. 3）下的电量，换句话说，直流电机在Fig. 2状态下转速较快，反之亦然。

现在，让我们尝试在Scratch中来构建。声明GPIO，将引脚4设置为PWM输出，创建变量”power4″并将初始值设置为0。
在计算模块中将”power4″输出到GPIO4。另外，也可将屏幕中的变量显示模式设置为滑块显示，通过滑动按钮来控制风量。此时，如将滑块最大值设置为“1023”，则风扇将全速运转。

接下来就可以尝试自动停止送风、重新开始送风、重复该模式的运行方式了。另外，我们还会尝试导通LED。
还是通过PWM控制，LED也会随风扇转速变化而变亮和变暗。

电路图如下所示：

面包板如下图所示：

Scratch程序如图所示：

提高变量值，并使该状态按最大值保持5秒；然后降低变量值，在0处保持5秒，如此重复。LED的亮度也随之变化。
看起来我们的作品越来越像实验设备了！

大家觉得怎么样？现在我们得到的是一个可以清凉一夏的风扇。
这样，即使是在炎热的夏天，我们也能舒适地搞创作了，不是吗？

4. 结论

虽然只是一名媒体艺术家，但做实验时我更感觉自己像个工程师，至少看起来像，构建这样一个设备会让人产生这种感觉。在这种时候，我想说的是“工程师们创造了对世界有用的作品，这些作品让人们的生活更方便”，也就是说，艺术家也……

从某种意义上说，这次我们做出了工程师才能做出来的作品。在下一篇文章中，我们将尝试使用传感器，同时还会更深入地思考相应的原理和组装方面的问题。
毕竟，就像作画一样，只有充分掌握了颜料的特性和工具的使用方法后，才能创作出艺术作品。

 

 

本系列连载的内容

第1篇：通过Raspberry Pi闪烁LED项目学习欧姆定律、GPIO和晶体管知识
第2篇：通过Raspberry Pi使用LED和电机：如何处理大电流（本文）
第3篇：使用Raspberry Pi进行传感器输入实验
第4篇：使用传感器轻松制作有趣的项目
第5篇：制作卡通角色随风摆动就能绘制图形作品的装置
第6篇：制作一款图形处理装置，用数字控制自然力