這篇文章來(lái)源于DevicePlus.com英語(yǔ)網(wǎng)站的翻譯稿。

本文最初發(fā)布在deviceplus.jp網(wǎng)站上，而后被翻譯成英語(yǔ)。

Devices Plus的電子制作系列文章已經(jīng)形成了一個(gè)龐大的體系。讀者們也很喜歡根據(jù)我們的文章制作一些自己的作品。

然而，最近一位讀者表示，“雖然我可以做出作品，但是我并沒(méi)有真正掌握背后的原理?！贝_實(shí)，談到電力、電子、電路和程序等內(nèi)容，有些東西并不是那么簡(jiǎn)單，有時(shí)很難理解背后的基本原理。甚至我們編輯部的人員有時(shí)也會(huì)感到頭疼！

此次的分享嘉賓是伊藤尚未先生，一位媒體藝術(shù)家和作家，以講解“更深層次的原理”而聞名。本文將以閃爍LED燈項(xiàng)目為例講述一些基本原理。要學(xué)的東西很多，所以我們直接學(xué)習(xí)最為重要的部分。當(dāng)然，學(xué)完原理之后，我們還要理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用。

[目錄](méi)

前言

從閃爍LED學(xué)起

歐姆定律

Raspberry Pi的GPIO

通過(guò)晶體管控制LED

關(guān)于閃爍LED的更多知識(shí)

閃爍LED項(xiàng)目開(kāi)發(fā)

如何應(yīng)用我們的設(shè)計(jì)？

前言

在過(guò)去幾年中，隨著電子行業(yè)的發(fā)展，微控制器變得非常流行。現(xiàn)在，我們可以使用緊湊的小型器件來(lái)感知和控制各種事物，包括光、聲音、運(yùn)動(dòng)和圖像，這感覺(jué)很神奇。我小時(shí)候的未來(lái)夢(mèng)想正在慢慢實(shí)現(xiàn)，這令我感慨萬(wàn)千。

電子制作的內(nèi)容已經(jīng)發(fā)生了變化，早已不再是用晶體管制作收音機(jī)的時(shí)代了。進(jìn)入媒體藝術(shù)領(lǐng)域以后，我把電子作品視為工具和材料，就像畫(huà)筆和顏料，幫助我在藝術(shù)領(lǐng)域更充分地表現(xiàn)自己。藝術(shù)的表達(dá)方式有很多種，而另一方面，愛(ài)好動(dòng)手制作的這類(lèi)人被稱為“創(chuàng)客”。當(dāng)我看到很多地方都在舉辦相關(guān)活動(dòng)時(shí)，我感慨“興趣愛(ài)好”作為一種亞文化的概念已經(jīng)發(fā)生了變化。

現(xiàn)在，我喜歡用Raspberry Pi進(jìn)行電子設(shè)計(jì)，人們可以輕松訪問(wèn)該系統(tǒng)的各種資源。其操作系統(tǒng)還安裝了多種應(yīng)用程序，而且簡(jiǎn)單易用。

本文使用的Raspberry Pi 3 Model B＋

從閃爍LED學(xué)起

“閃爍LED”，顧名思義，您會(huì)在電路中看到LED燈交替點(diǎn)亮和熄滅。當(dāng)然，讓LED燈閃爍很簡(jiǎn)單，我們可以利用晶體管和電容等元件重現(xiàn)電路的構(gòu)建。順便說(shuō)一下，下圖這個(gè)電路是在我的電子作品中經(jīng)常使用的一種電路，叫做非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路。該電路由兩個(gè)晶體管、兩個(gè)電容、四個(gè)電阻和一個(gè)LED組成。這些器件焊接在電路板上，用干電池供電。

電路示例：非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

作品示例：鐵路標(biāo)志

在該電路中，LED燈會(huì)以大約一秒的間隔閃爍。如果想改變燈的閃爍速度，我們得改變電容的容值和電阻值。要加快閃爍速度，就要減小的電容容值。

我們可以通過(guò)微控制器實(shí)現(xiàn)這個(gè)調(diào)整。
通過(guò)Raspberry Pi的GPIO輸出點(diǎn)亮LED非常簡(jiǎn)單且易于處理。這方面內(nèi)容很多書(shū)籍中都有介紹，而且市面上有許多功能模塊化的專(zhuān)用擴(kuò)展板，都能提供相關(guān)詳細(xì)信息。但是，他們并沒(méi)有深入探討構(gòu)建電子電路所需的一些最基本的重要知識(shí)，所以讓我們?cè)谶@里回顧一下。請(qǐng)回憶一下小學(xué)和初中科技課本上學(xué)到的知識(shí)。

歐姆定律

歐姆定律的描述為：電流=電壓/電阻。我學(xué)習(xí)這個(gè)定律的時(shí)候，該公式被寫(xiě)成I = E/R?，F(xiàn)在的公式是A = V/Ω，對(duì)吧？

貌似現(xiàn)在的教科書(shū)用的基本都是這個(gè)公式，“A（安培）= V（伏特）/Ω（歐姆）”強(qiáng)調(diào)的是單位本身，可能更直觀易懂。

您可能會(huì)在參考書(shū)中看到這樣的圖，但是請(qǐng)注意自己對(duì)這個(gè)公式的記憶方法。對(duì)了，我有一個(gè)動(dòng)物園的朋友，他是這樣記憶這個(gè)公式的：

“地平線將地球分為上下兩部分，天空中有海鷗，海中有魷魚(yú)和章魚(yú)”

現(xiàn)在，我們就以電池點(diǎn)亮LED為例來(lái)說(shuō)明歐姆定律的實(shí)際應(yīng)用。您可以將LED連接到電源（此處為電池），但由于LED是一種二極管，因此電流有一個(gè)方向：將A（陽(yáng)極）連接到電源正極，將K（陰極）連接到電源負(fù)極。

這個(gè)連接方向雖然正確，但實(shí)際上如果這樣直接連接，LED可能會(huì)損壞。為避免損壞器件，流過(guò)器件的電流大小必須正確。

正確的電流值請(qǐng)參考器件的額定參數(shù)表（技術(shù)規(guī)格書(shū)）。我們以一個(gè)參數(shù)為3.5V/20mA的白光LED為例，這種電參數(shù)可以解釋為“如果電壓電流位于這個(gè)安全范圍內(nèi)，那么不會(huì)損壞”。換句話說(shuō)，“如果電參數(shù)超出這個(gè)范圍，它可能會(huì)損壞?！?/p>

因此，適用于該LED的最佳電壓為3.5V，流過(guò)的最佳電流為0.02A。

首先，如果電壓為3.5V，就得考慮使用電壓更高的電源，比如一個(gè)由四節(jié)干電池組成的6V電源。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，一節(jié)新電池的電壓可能接近1.6V。當(dāng)然，目前我們先按照四節(jié)電池總電壓為6V進(jìn)行討論，稍后再介紹全新電池的電壓情況。

我想把6V中的3.5V電壓施加到LED上，那么剩下的2.5V就得施加到另一個(gè)元器件上。這可以通過(guò)分壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此LED需要串聯(lián)一個(gè)負(fù)載，一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻器即可。

我們來(lái)回想一下微型燈泡串聯(lián)和并聯(lián)的實(shí)驗(yàn)情況，它們的亮度不一樣。負(fù)載（微型燈泡）串聯(lián)時(shí)，電路電壓分配到兩個(gè)微型燈泡上，負(fù)載加倍，所以流過(guò)電路的電流為1/2，微型燈泡較暗。

微型燈泡存在個(gè)體差異（比如疲勞程度），這會(huì)導(dǎo)致負(fù)載有所不同

分壓之后，每個(gè)元件得到一部分電壓?，F(xiàn)在，我們返回來(lái)討論LED。由于LED是半導(dǎo)體，我們不將其視為負(fù)載。因此即使是分壓電路，電路中的電流也得通過(guò)除LED以外的元件進(jìn)行計(jì)算。

流過(guò)電路的電流應(yīng)該是20mA，那么我們應(yīng)該使用多大的電阻呢？這可以使用歐姆定律計(jì)算。因?yàn)椤半娮?電壓/電流”，2.5V/0.02A=125Ω，所以LED應(yīng)串聯(lián)一個(gè)125Ω的電阻。電路電壓由LED和電阻器分壓。

然而，市場(chǎng)上并沒(méi)有阻值是125Ω的電阻。最接近的電阻阻值為120Ω和130Ω。如果選用120Ω，那么根據(jù)歐姆定律，電路的電流為25/120 = 0.0208333。這個(gè)值超過(guò)了20mA，因此我們應(yīng)選用130Ω的電阻。電流不超過(guò)20mA就可以了。

現(xiàn)在，我們討論使用全新干電池的情況。如果每節(jié)電池的電壓是1.6V，那么總電壓就是6.4V。如果電阻上的電壓為2.9V，那么經(jīng)過(guò)計(jì)算其阻值為145Ω。所以，選用一個(gè)150Ω的電阻足夠了。當(dāng)然，電阻越大電路越安全，但是LED會(huì)變的更暗。請(qǐng)根據(jù)自己的設(shè)計(jì)環(huán)境選擇適當(dāng)?shù)淖柚?。該電阻被稱為限流電阻，因?yàn)樗淖饔镁褪强刂屏鬟^(guò)電路的電流。

Raspberry Pi的GPIO

Raspberry Pi有許多稱為GPIO的輸入/輸出端口，可用于控制外部設(shè)備。我沒(méi)有描述這方面的細(xì)節(jié)，那我該如何解釋電信號(hào)是如何產(chǎn)生的呢？

比如，用這個(gè)端子能否點(diǎn)亮LED？

當(dāng)然可以！然而，如前所述，不同LED的額定參數(shù)不同。比如，如果我們要點(diǎn)亮一個(gè)紅色2.0V 20mA的LED，需要使用一個(gè)限流電阻。GPIO的輸出電壓為3.3V，那么分給限流電阻的電壓為1.3V，通過(guò)的電流為20mA。不過(guò)，Raspberry Pi的GPIO最大只能提供16mA的電流，根據(jù)歐姆定律，限流電阻應(yīng)為“1.3V/0.016 = 81.25Ω”，所以我使用了100Ω電阻。雖然這樣無(wú)法達(dá)到該LED的額定性能，但是足以點(diǎn)亮它。您可以很容易地在面包板上做一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)現(xiàn)LED燈閃爍最好的方法還是使用Scratch。

聲明GPIO，將GPIO4設(shè)為輸出，然后向GPIO4輸出ON (Hi)。
如果使用左圖程序，LED會(huì)一直處于點(diǎn)亮狀態(tài)所以要用OFF（low）來(lái)關(guān)閉它

如果按照上面的左圖程序組裝，每秒最多可開(kāi)關(guān)10次

現(xiàn)在，我們已經(jīng)設(shè)法制作出了閃爍的LED燈，但是，如前所述，Raspberry Pi的GPIO的輸出電流存在限制。如果您想使用白光或藍(lán)光3.5V LED，或者連接多個(gè)LED（想要更亮一些），或者使用大功率、超亮LED，怎么辦呢？此時(shí)，單個(gè)GPIO輸出很難實(shí)現(xiàn)這種功能。因此，我們需要使用另一個(gè)電源供電，并構(gòu)建一個(gè)單獨(dú)的電路來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。LED可以使用專(zhuān)用LED驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，但是本節(jié)介紹一種使用晶體管的簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)方法。

通過(guò)晶體管控制LED

本文使用的是NPN型晶體管2SC1815（目前與2SC1815L、KSC1815等兼容）。晶體管的作用是放大和開(kāi)關(guān)。

我們給基極一個(gè)輸入，電流就會(huì)從集電極流向發(fā)射極。此時(shí)，基極的輸入信號(hào)就被放大成一個(gè)較大的電流信號(hào)。這個(gè)過(guò)程稱為開(kāi)關(guān)。換句話說(shuō)，模擬處理的過(guò)程是放大，數(shù)字處理的過(guò)程是開(kāi)關(guān)。由于這是通過(guò)Raspberry Pi操作的，我們可以將其看成是一個(gè)開(kāi)關(guān)功能。

NPN晶體管符號(hào)及外形示例

NPN晶體管的基極得到一個(gè)正輸入后，集電極和發(fā)射極就會(huì)導(dǎo)通。如果是PNP型晶體管，就需要一個(gè)負(fù)輸入。

根據(jù)2SC1815的額定參數(shù)表，流過(guò)集電極的電流可達(dá)150mA。晶體管產(chǎn)品是根據(jù)放大系數(shù)分級(jí)的，在Y級(jí)別中，放大系數(shù)為120至240。我們假設(shè)放大系數(shù)為200，要達(dá)到150mA的集電極電流，那么流過(guò)基極的電流應(yīng)該為0.75mA。這意味著GPIO只需要輸出一個(gè)很小的電流。

這里我們連接了一個(gè)10kΩ電阻，作為基極的輸入。LED采用白光3.5V 20mA，并通過(guò)外部干電池供電，因此電路的電壓為6V。根據(jù)前文的討論，我們還給LED串聯(lián)了一個(gè)150Ω的限流電阻。

我們按照下圖連接好各個(gè)器件。

現(xiàn)在，我們把晶體管基極連接到Raspberry Pi的GPIO。首先，我們用面包板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

剩下的就需要寫(xiě)程序了。但是，您可以像在Scratch中一樣使用之前的程序。當(dāng)然，如果所連接的GPIO引腳變了，那么應(yīng)該在程序中更改引腳編號(hào)。

基本步驟如下，聲明使用GPIO，設(shè)置該引腳輸出、輸入等，然后輸出ON（Hi）或OFF（Low）。由于正輸入通過(guò)ON (Hi) 輸出施加到晶體管的基極，因此集電極和發(fā)射極之間導(dǎo)通，LED點(diǎn)亮。

程序中可能會(huì)描述PullUp和PullDown，但這里沒(méi)有必要，因?yàn)橐_已經(jīng)連接了一個(gè)10kΩ電阻到晶體管的基極，作為下拉電阻使用。換句話說(shuō)，這是硬件設(shè)置。

關(guān)于閃爍LED的更多知識(shí)

如何才能讓LED燈閃爍呢？這并不難，因?yàn)槲覀兛梢杂贸绦騺?lái)控制ON（Hi）輸出或OFF（Low）輸出。想像一下，第一個(gè)輸出是OFF (Low)，然后輸出ON (Hi)，并保持1秒，然后輸出OFF (Low)，也保持1秒，然后再次輸出ON(Hi)，只要這樣反復(fù)即可。那么，我們就會(huì)看到LED燈在閃爍。這個(gè)Scratch程序例子就是前面文中提到的那個(gè)示例。

閃爍LED項(xiàng)目開(kāi)發(fā)

我們已經(jīng)完成了LED燈的閃爍設(shè)計(jì)，現(xiàn)在，讓我們來(lái)嘗試控制多個(gè)LED。讓兩個(gè)LED燈交替閃爍的方法如下。該電路利用了兩個(gè)GPIO，每個(gè)GPIO驅(qū)動(dòng)一個(gè)帶晶體管的LED。

這是我制作的兩個(gè)晶體管驅(qū)動(dòng)電路。電路很簡(jiǎn)單，但是如果您在面包板上組裝，電線會(huì)很復(fù)雜，所以要注意走線情況。Scratch程序的工作原理如下。

我用的是GPIO3和GPIO4。4先點(diǎn)亮，1秒后關(guān)閉4，然后3立即點(diǎn)亮，1秒后關(guān)閉3，以此類(lèi)推。重復(fù)10次，如果您想一直重復(fù)，應(yīng)該使用“all”模塊。

通過(guò)此應(yīng)用，LED的數(shù)量可以根據(jù)可用GPIO數(shù)量增加，4個(gè)或10個(gè)。它們不僅可以順序閃爍，而且可以同時(shí)全部閃爍，甚至還可以反向閃爍，具體取決于您的程序。

如何應(yīng)用我們的設(shè)計(jì)？

順便說(shuō)一句，如果說(shuō)讓LED點(diǎn)亮或閃爍只是實(shí)驗(yàn)、編程實(shí)踐和電子制作培訓(xùn)程度的事，那么，最大的問(wèn)題是如何應(yīng)用我們的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，作為圣誕樹(shù)的裝飾或者照明是個(gè)不錯(cuò)的選擇。然而，光效不僅僅意味著閃亮，還涉及比如投射陰影、混合顏色、反射和折射、光譜和偏振等各種建模元素。

您還可以根據(jù)設(shè)備使用光效來(lái)創(chuàng)作藝術(shù)作品。

這是我的作品。

讓埴輪【日本的一種陶俑-譯注】舞動(dòng)起來(lái)（2010）（C）伊藤尚未

該設(shè)備的這一部分依次點(diǎn)亮六個(gè)LED。在這里，六個(gè)埴輪的影子通過(guò)LED燈投射到墻上，但每個(gè)影子都投射在同一個(gè)位置，所以影子的形狀=身體姿勢(shì)。換句話說(shuō)，陰影形成了動(dòng)畫(huà)。

我用現(xiàn)代技術(shù)將靜止的陶土造型創(chuàng)作成了一個(gè)富有表現(xiàn)力的藝術(shù)品，并取名為“舞動(dòng)的埴輪”。當(dāng)然，這個(gè)作品需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成。

所有這一切的基礎(chǔ)是閃爍LED燈，但是正如您所見(jiàn)，當(dāng)您知道如何應(yīng)用它們時(shí)，您可以做更多的事情。當(dāng)然，您不一定非得要?jiǎng)?chuàng)作這種藝術(shù)作品，但偶爾發(fā)揮創(chuàng)意很有趣，不是嗎？

總結(jié)

電子設(shè)計(jì)很有趣，但是除了構(gòu)建設(shè)備，您還可以做些什么？您怎樣才能讓它更有趣？其實(shí)您可以考慮不同的應(yīng)用場(chǎng)景和表現(xiàn)方式，創(chuàng)作出更加復(fù)雜和有趣的內(nèi)容。然后，您就能百尺竿頭更進(jìn)一步。

DevicePlus 編輯團(tuán)隊(duì)

設(shè)備升級(jí)版適用于所有熱愛(ài)電子和機(jī)電一體化的人。

審核編輯黃宇