第 04 章 - 三色 LED 與可調電阻

上次更新日期 2022/09/29

上個章節談到了 LED 燈，事實上，還有一種 LED 燈是有三種顏色訊號的，你可以進一步調配光源，產生你想要的顏色資訊。另外，除了固定的電阻之外，其實還有一種旋鈕式的電阻，通過該電阻，我們可以控制輸入的電力資訊，甚至可以進一步影響到不同的光源或動作～那麼，接下來就讓我們來玩一玩這有趣的小玩具！

學習目標：

了解三色 LED 硬體配置
使用 arduino 控制三色 LED 燈
增加可調電阻影響 LED 燈的展示

4.1：認識三色 LED 燈與 arduino 調整式電力腳位
4.2：亂數與顏色漸變
4.3：使用可變電阻
4.4：課後作業

4.1：認識三色 LED 燈與 arduino 調整式電力腳位

除了單一顏色的 LED 燈之外，其實還有可以控制 RGB 三原色的三色 LED 燈喔！這種燈若搭配可調整的電力輸出，那麼，就以搭配成為多種特殊顏色的燈光了！一顆燈可以玩很久～顏色也能夠做比較多的變化！

arduino 數位腳位的可變動電力

在前一章我們有提到可調整電力的 arduino 腳位，那就是 D3, D5, D6, D9, D10 與 D11，在arduino nano 上面，最靠近在一起的就是 9, 10, 11 了，因此，許多接腳設計都會使用到這三個腳位的原因就是這樣，串在一起接比較方便。

三色 LED 燈

三色 LED 燈使用的就是電腦的三原色，那就是 RGB (紅綠藍)。若在加上接地線，那麼就總共有 4 個針腳了！這個三色 LED 燈可以查看一下底下的圖示，該圖示來自 https://2blog.ilc.edu.tw/868/44309/ 網頁的圖示內容。感謝廣大的網友們。要注意的是，最長針腳通常是用來接地使用，因此其他 RGB 三個腳位則是接在數位 arduino 針腳上面。

基本上，三色 LED 燈的 RGB 腳位搭配到電阻器，有兩種接法，一種是使用 3 個電阻，分別接在 arduino 腳位上，再接到 LED 的 RGB 上面，而接地則直接接在接地針腳上。另一種接法則是將接地透過電阻器，其他三個直接接到 arduino 上！這樣也是可以的。只是，在傳統的接法上，似乎從供電處提供電阻會比較容易防止設備燒毀喔～所以，以下我們以三個電阻來進行連接！同時，因為要使用變動式電力，因此使用 9, 10, 11 三個腳位來連接喔！

例題 4.1.1：點亮三色 LED 燈

取得所需要的物件：
- 一個四腳三色 LED 燈
- 三個電阻器
- 四條一公一母杜邦線
開始連線：
- 先將三色 LED 燈的 4 隻腳安插在不同群組的麵包板上面
- R, G, B 相同群組上面安插電阻器，電阻器的另一腳安插到另一邊上
- R, G, B 電阻器分別安插到 D9, D10, D11 上面(可變動電力腳位)
- 接地的腳位直接以杜邦線連到 arduino 接地上
設計 IDE 程式：
- 規劃三個全域變數的整數，分別是 ledr, ledg, ledb，設定為 9, 10, 11
- 在 setup() 函數中，分別使用類似 pinMode(ledr, OUTPUT) 設定好腳位為輸出
- 在 loop() 函數中：
  - 使用 digitalWrite(ledr, HIGH) 搭配 ledg, ledb 為 LOW 設計為紅燈
  - 延遲 1 秒
  - 使用 digitalWrite(ledg, HIGH) 搭配 ledr, ledb 為 LOW 設計為綠燈
  - 延遲 1 秒
  - 使用 digitalWrite(ledb, HIGH) 搭配 ledr, ledg 為 LOW 設計為藍燈
  - 延遲 1 秒

設計完畢後，燒錄並上傳，檔名設定為 code-3led-1 即可。

很快的，你的三色 LED 燈光就可以順利的展示出三種顏色了！每種顏色都可以延遲一秒鐘～如果你要分別展示交通號誌的紅、黃、綠燈，黃色使用紅、綠色，藍色強度為 LOW 即可展示為黃色～

4.2：亂數與顏色漸變

上面都是整個燈號全亮/全暗的模樣！如果需要動到不同顏色強度的搭配，就是一般我們設計網頁時候使用的色碼，例如 #FFFF00 代表黃色等等 (RRGGBB, 共 3 位元，最小 000000, 最大 FFFFFF) 這時，就得要使用 0~255 的顏色強度，然後，需要使用 D3, D5, D6, D9, D10, D11 這些可變電力強度的腳位，之後，不能使用 digitalWrite 了，要使用 analogWrite 的方式來寫入強度！強度就是從 0 到 255 囉！例如：

analogWrite(ledr, 200);

我們在第二章講過亂數的處理，那就是透過 random(min,max) 的方式來處置，而輸出的數字會在 min ~ (max-1) 的範圍內。而為了讓強度的變化較為明顯，我們可以使用 0, 51, 102, 153, 204, 255 這 6 個數值來處理顏色，這個 51 的區間，是為了以前老舊螢幕的網頁安全色的色碼區間～實際上，可以使用 51 * random(0,6) 來取得這幾個數字喔！

例題 4.2.1：利用剛剛做好的線路，直接將 code-3led-1 儲存成為 code-3led-2，在 loop() 函數中

以 int rr = 51 * random(0,6) 的方式猜測 R 的強度
同時猜測出 gg, bb 的強度
最後將三個強度輸出到 USB 序列埠之外
也使用 analogWrite 修改 3 色 LED 燈的顏色！
延遲改為 5 秒或 10 秒～比較好觀察顏色與色碼的對應！

顏色漸變功能

要讓顏色漸變，舉例來說，讓 R 從 255 變成 0 ，同時讓 G 從 0 到 255，兩者的關係就是 G = 255 - R 這樣。當 R 變成 0 而 G 變成 255 時，就開始 B = 255 - G，而 G 從 255 降為 0 這樣。因為不論是 R 還是 G, B 都是一個獨立的循環，簡單寫，可以寫成三個 for 迴圈，如下所示：

rr = 255;
for ( int i=0, i<=5, i++ ) {
  gg = 51 * j ;
  rr = 255 - gg ;
  analogWrite(ledr,rr);
  analogWrite(ledg,gg);
  delay(100);
}

將上面的成果做出三次，就可以進行漸變的功能了！

例題 4.2.2：利用剛剛做好的線路，直接將 code-3led-2 儲存成為 code-3led-3，開始在 loop() 內，依據上述的說明，設計出三個迴圈，每個迴圈內均延遲 0.1 秒，處理完畢之後燒錄上傳即可。

4.3：使用可變電阻

可變電阻挺有趣的！請在百寶袋裡面拿出一個旋鈕狀的物品，將旋鈕尖端對著自己，三隻腳朝地下，左側的接腳是 5V 供電進入入，右邊的接腳則是接地，中間則是 5V 在這過程當中的削減，數值預設會從 0 到 1023 之間 (2 的 10 次方)。讓我們簡單的來測試一下讀出可變電阻中間的數值看看。另外，由於中間的腳位是由旋鈕的類比輸出結果，所以，你必須要將針腳安插在 A0~A7 之間才行！不可以是數位輸出的 D0 ~ D13 喔～要注意！要注意！

例題 4.3.1：讀出電阻內的數值

連線方式：
- 將可變電阻三隻腳，分別安插到不同組別的麵包板當中，並將旋鈕面對自己
- 將 arduino 5V 針腳連接到可變電阻左側的同組麵包板上
- 將 arduino 接地的針腳連接到可變電阻右側同組麵包板上
- 將 arduino A1 的腳位連接到可變電阻中間同組麵包板上
設計 IDE 程式：
- 在全域變數中，設定 pot 為可變電阻腳位，定義為整數 1
- 在 setup() 函數中，指定 Serial.begin，同時指定 pinMode(pot,INPUT)，注意，是輸入
- 在 loop() 函數中：
  - 使用 int val = analogRead(pot) 取得數值
  - 使用 Serial.println 的方式，將數值列印到序列埠上
  - 最好有個延遲 1 秒之類的

編譯並燒錄到 arduino 上，然後打開序列埠，然後旋轉旋鈕，你會發現數值會在 0~1023 之間變化的！

使用可變電阻影響 3 色 LED 燈光

另外，如果需要將可變電阻的數值轉成 LED analogWrite 可接受的數值，就是在 0~255 之間時， arduino 提供一個簡單的整數對應！那就是 map 這個函數！如果要將這個函數把 0~1024 對應 (map) 到 0~255 之間時，這個函數的使用有點像底下這樣：

// map(變數, 取得最小, 取得最大, 輸出最小, 輸出最大)
int newvar = map(var, 0, 1023, 0, 255);

這樣，我們就可以將數據轉成 0~255 之間！也就可以讓 LED 燈直接有數值了。不過，如果要讓可變電阻輸出的資料成為 0~1 之間的浮點數呢？可能就得要樣才行：

int val = analogRead(pot);
float vol = float(val)/1024.0;

這樣就可以將可變電阻取得的數值轉成 0~1 之間的浮點數了！

例題 4.3.2：將 code-3led-2 以及剛剛的 code-resis-1 結合，然後儲存成為 code-resis-2 的程式：

連線方式：就是將 3 色 LED 控制放上來，搭配可變電阻，兩個例題的連線放在同一個麵包板上面，但是不要互相干擾！
程式設計：
- 設計一個自訂函數，假設名稱為 getvol()，其型態為浮點數，透過剛剛上面的轉換範例，回傳 0~1 之間的浮點數。
- 在原本的 loop() 函數內，計算完 rr, gg, bb 之後，增加底下的功能：
  - 設計 float vol = getvol() 這樣的方式取得 0~1 之間的數據
  - 使用類似： rr = int( float(rr) * vol ); 這樣的算式，讓亮度隨可變電阻而改變

程式編譯並燒錄到 arduino 上。

當你調整旋鈕時，3 色 LED 燈的亮度就會跟著改變了！這就是一般可變電阻的處理方式喔！

4.4：課後作業

設計名為 code-resis-3 的程式，參考底下這篇網路部落格的說明，設計一個可讓 3 色 LED 燈漸變 (code-3led-2) 閃爍速度 (delay) 在 10ms 到 200ms 之間變化的情境。

可變電阻說明：https://hackmd.io/@yizhewang/SkGyJJv4N

基本上，應該用到 map 這個函數，而且在調整可變電阻的旋鈕時，LED 的閃爍速度會改變才對！其他相關數值請自行調整即可。

4.5：參考資料

三色 LED 燈圖示說明：https://2blog.ilc.edu.tw/868/44309/
三色 LED 燈的接法與程式碼：https://sites.google.com/view/rayarduino/rgb-led
可變電阻說明：https://hackmd.io/@yizhewang/SkGyJJv4N