#4 Эксперимент «RGB-радуга»

Ранее мы уже неоднократно работали со светодиодами. Мы заставляли их загораться и потухать с помощью цифровых сигналов HIGH и LOW. Мы могли плавно регулировать их яркость с помощью аналогового сигнала, задавая значения в диапазоне [0 … 255]. Сегодня мы будем работать с комбинацией из 3-х светодиодов, красного, зелёного и синего цветов, собранной в одном корпусе. Такой трёхцветный светодиод называется RGB-светодиодов, где обозначение RGB — является обозначением базовых цветов светодиодов, находящихся внутри (Red — красный, Green — зелёный, Blue — синий). Почему именно эти цвета? Ответ на этот вопрос вы получите далее.

Перед выполнением эксперимента прочтите:

• RGB-светодиод;
• Широтно-импульсная модуляция.

СБОРКА УСТРОЙСТВА НА МАКЕТНОЙ ПЛАТЕ

Нам понадобятся следующие компоненты:

• Arduino Uno;
• Usb-кабель для подключения к компьютеру;
• Беспаечная макетная плата;
• 1 RGB-светодиод;
• 4 соединительных провода (желательно чёрного, красного, зелёного и синего цветов).

Соберите устройство по следующей схеме:

Схема устройства на макетной плате

Принципиальная схема устройства

Обратите внимание: мы будем работать с уже готовым трёхцветным модулем. Внутри модуля, кроме самих светодиодов, установлены токоограничительные резисторы, поэтому дополнительных резисторов использовать не нужно — модуль можно подключать напрямую к Arduino. Схема модуля и реальная принципиальная схема устройства приведена ниже:

Принципиальная схема RGB-модуля	Принципиальная схема подключения модуля к Arduino

Помните, если вы будете использовать «голый» трёхцветный светодиод, вам необходимо не забыть включить в схему токоограничительные резисторы, номиналом в 200 Ом.

• Наименования выводов на RGB-модуле могут различаться. Внимательно смотрите на обозначения этих пинов: сигнальные пины, с помощью которых мы будем управлять светодиодами, обозначаются по цвету светодиода — R, G и B. Пин земли может быть обозначен как (-) или GND;
• В нашем случае, пин R светодиода мы подключим к пину 3 Arduino, пин G — к пину 5, а пин B — к пину 6. Пин земли будем подключать к пину GND на плате Arduino.
• Работать со светодиодами мы будем так же, как и в предыдущих занятиях: мы будем посылать цифровой или аналоговый сигнал на каждый из светодиодов по отдельности, тем самым включая и выключая их, или зажигая не в полную силу;
• Управлять светодиодами мы будем в автоматическом режиме, т.е. мы не будем использовать дополнительных кнопок или потенциометра.

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Запустите Arduino IDE и выберите [Инструменты] ⇒ [ArduBlock].

Для начала давайте просто по-включаем и по-выключаем наши светодиоды. Для этого нам понадобятся блоки [уст. цифровой порт] и [задержка в миллисекундах]:

Загрузите программу в Arduino и проверьте: все ли светодиоды работают? Если всё подключено правильно, то вы должны увидеть мигание красным, зелёным и синим цветами поочерёдно.

Теперь, давайте попробуем зажечь наши светодиоды плавно. Для этого мы будем использовать блок [уст. аналоговый порт] и блок [задержка в миллисекундах]. Наша задача: посылать плавно нарастающий аналоговый сигнал на светодиод. Значение сигнала должно постоянно увеличиваться от 0 до 255 с минимальной задержкой после подачи сигнала (иначе глаз не заметит изменений). Для этого нам пригодится блок [повторить и посчитать], который находится в разделе [Управление]:

Блок имеет 3 раздела: [переменная], [количество раз] и [Команды]. В ходе работы, блок выполняет команды, находящееся в разделе [Команды], заданное количество раз. Количество повторов мы задаём в разделе [количество раз]. При этом, блок считает количество совершённых  повторов и помещает это значение в [переменную].

Переменная — выделенная область памяти компьютера для хранения каких-либо данных. В нашем случае, мы будем хранить в переменной количество повторов наших команд, т.е. в переменной будет хранится целое число, которое в ходе работы блока будет постоянно увеличиваться. Переменной можно присвоить собственное имя. В нашем случае, мы назовём её «lightness» — яркость.

Если нам нужно плавно изменить значение яркости светодиода от 0 до 255, то и повторять блок нам будет нужно 255 раз. При этом, мы будем передавать на светодиод аналоговый сигнал равный текущему количеству повторов, т.е. на первом шаге мы передадим значение 1, на втором — 2, на третьем — 3 и т.д. до 255. Давайте плавно увеличим яркость красного светодиода:

Загрузите программу в Arduino и понаблюдайте за её работой. После передачи аналогового сигнала, мы поставили задержку в 4 мс, а это значит, что общее время работы блока составит 4 · 255 = 1020 мс или примерно 1 секунду. Если вы хотите, чтобы ваш светодиод набирал яркость не так быстро, можете увеличить задержку.

Попробуйте изменить программу так, что бы светодиод плавно разгорался в течении 5 секунд.

Теперь попробуем заставить наш светодиод так же плавно угасать. Всё, что для этого нужно — развернуть алгоритм в обратную сторону, т.е. не увеличивать, а уменьшать значение сигнала. К сожалению, блок [повторить и посчитать] может работать лишь в большую сторону, т.е. от 0 до 255, нам же нужно «прогонять» значения аналогового сигнала от 255 до 0. Сделать это достаточно просто. На нужно от фиксированного значения 255 отнимать увеличивающиеся показания нашего счётчика. Таким образом мы получим: на первом шаге 255 — 1 = 254, на втором 255 — 2 = 253, на третьем 255 — 3 = 252 и т.д. до 255-го шага — 255 — 255 = 0. Давайте «клонируем» первый блок [повторить и посчитать] и внесём в него маленькое дополнение:

Загрузите программу в Arduino и понаблюдайте за тем, как наш красный светодиод плавно увеличивает, а затем плавно уменьшает свою яркость. Для того, чтобы задать значение сигнала, мы использовали уже знакомый вам блок из раздела [Математические операторы].

Теперь, давайте заставим все светодиоды модуля поочерёдно зажигаться и гаснуть. Всё, что нам надо сделать — это дважды «клонировать» уже имеющуюся пару блоков и изменить значение пина на который мы будем подавать сигнал:

Загрузите программу в Arduino и понаблюдайте за её работой. Если вы всё сделали правильно, то все светодиоды будут плавно разгораться и затухать один за другим.

Но самое интересное в том, что мы можем зажигать светодиоды не по отдельности, а все вместе. При этом цвета будут смешиваться и мы сможем задавать светодиоду тот цвет свечения, который захотим! По такому же принципу работают пиксели в ваших мониторах, смартфонах и телевизорах. Каждый пиксель — это очень маленький RGB-светодиод, цветом которого управляет микроконтроллер, посылая ему три сигнала — для красного, зелёного и синего светодиодов. Такая схема цветопередачи, когда параметры цвета задаются с помощью 3-х основных цветов, называется цветовой схемой RGB. Для того, чтобы получить нужный вам цвет, вы должны задать 3 значения в диапазоне [0 … 255] и подать их на RGB-модуль одновременно. Цветовую палитру, которая получится при смешении базовых цветов вы уже скорее всего видели на уроках изобразительного искусства, она выглядит следующим образом:

Для того, чтобы определить значения сигналов, которые нужно подать на красный, зелёный и синий светодиод, воспользуемся таблицей:

В первом столбике таблицы расположены названия цветов, а во втором их RGB коды (первая цифра — R, вторая — G, третья — B). Кроме этого, в сети есть масса сервисов, способных преобразовать цвет в его RGB-код. Давайте попробуем зажечь наш светодиод всеми основными цветами радуги, которые будут сменять друг друга. Для этого, нам необходимы коды красного, оранжевого, жёлтого, зелёного, голубого, синего и фиолетового цветов:

Давайте подадим сигналы на наш RGB-светодиод последовательно для всех цветов. Для задержки смены цветов, зададим паузу:

Разобраться с алгоритмом, приведённым выше, у вас не составит трудностей. Загрузите программу в Arduino и понаблюдайте за её работой.

Обратите внимание: разные светодиоды немного по разному передают тот или иной цвет. В случае дешёвых светодиодов, оттенки могут быть слаборазличимы. Тем не менее, теперь вы понимаете принцип работы таких светодиодов. Напоследок, давайте попробуем реализовать плавное перетекание одного цвета в другой. Например, красного в фиолетовый и обратно. Для этого нам нужно подавать на красный светодиод постоянный сигнал в 255, а на синий — плавный сигнал от 0 до 255, а затем от 255 до 0. Реализовано это может быть так:

Паузу между сигналами мы выставили в 8 мс, что позволяет плавно изменять цвет от красного к фиолетовому в течении 2 секунд, и ещё столько же времени — обратно, от фиолетового к красному.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ВЫПОЛНЕНИЯ

Задание 1:

Создайте алгоритм, который позволит RGB-светодиоду плавно менять цвет от красного к жёлтому, от жёлтого к белому и от белого обратно к красному. Обратите внимание, для того, чтобы получить белый цвет, необходимо смешать все цвета в равных пропорциях, т.е. полностью зажечь все светодиоды (RGB 255, 255, 255).

Задание 2*:

Создайте алгоритм, который заставит RGB-светодиод плавно менять цвета, проходя через все основные цвета радуги, т.е. красный — оранжевый — жёлтый — зелёный — голубой — синий — фиолетовый.