บทที่ 98-4: การหรี่ไฟ LED ด้วย Arduino: การควบคุมความสว่าง

บทที่ 98-4: การหรี่ไฟ LED ด้วย Arduino: การควบคุมความสว่าง

LED มีอยู่ทุกที่ — ไฟแสดงสถานะ จอแสดงผล แสงสว่างตกแต่ง — แต่ผู้เริ่มต้นส่วนใหญ่หยุดอยู่แค่การเปิดและปิดมันเท่านั้น โครงการนี้จะก้าวไปอีกขั้น: ค่อยๆ เพิ่มและลดความสว่างของ LED อย่างนุ่มนวลโดยใช้ความสามารถ PWM (Pulse Width Modulation) ในตัวของ Arduino แทนที่จะกะพริบอย่างรุนแรง คุณจะได้การเพิ่มและลดความสว่างอย่างค่อยเป็นค่อยไปซึ่งเลียนแบบการหรี่แสงตามธรรมชาติ เอฟเฟกต์การหายใจ และการควบคุมแบบอนาล็อกจากขาแบบดิจิทัลล้วนๆ มันเป็นหนึ่งในโครงการแรกที่น่าพึงพอใจที่สุดเพราะคุณเห็นผลลัพธ์ได้ทันที และเทคนิคเดียวกันนี้เป็นพื้นฐานของการควบคุมความเร็วมอเตอร์ ระดับเสียง และการหรี่ไฟแบ็คไลท์ในผลิตภัณฑ์จริง

เมื่อคุณเข้าใจการหรี่แสงแล้ว คุณสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับงานสร้างสรรค์ที่ใช้งานได้จริงหลากหลาย:

• สร้างไฟแสดงสถานะแบบ "หายใจ" บนอุปกรณ์ที่เต้นเป็นจังหวะเบาๆ แทนที่จะกะพริบจนรบกวน
• หรี่ไฟกลางคืน LED โดยอัตโนมัติตามแสงแวดล้อมหรือเวลาของวัน
• ควบคุมความสว่างของแบ็คไลท์บนจอ LCD หรือ OLED
• สร้างไฟสร้างบรรยากาศหรือโคมไฟตกแต่งที่มีการเปลี่ยนผ่านระหว่างระดับความสว่างอย่างนุ่มนวล
• จำลองนาฬิกาปลุกพระอาทิตย์ขึ้นแบบค่อยเป็นค่อยไปที่สว่างขึ้นเรื่อยๆ เพื่อปลุกคุณอย่างเป็นธรรมชาติ
• เพิ่มการควบคุมความเร็วให้กับมอเตอร์ DC ขนาดเล็กหรือพัดลม (ใช้หลักการ PWM เดียวกัน)

บทเรียนนี้เป็นส่วนหนึ่งของหลักสูตร Robojax Arduino Step-by-Step และครอบคลุมโดยเฉพาะโครงการที่ 4 จาก 10: การหรี่แสง LED โดยใช้ Arduino โปรแกรมเต็มสามารถดาวน์โหลดได้ด้านล่างบทความ

ฮาร์ดแวร์และส่วนประกอบ

รายการชิ้นส่วนสำหรับโครงการนี้มีน้อยมาก — หากคุณเคยทำงานกับ Arduino มาก่อน คุณอาจมีทุกสิ่งที่ต้องการอยู่แล้ว:

• บอร์ด Arduino 1× (Uno, Nano, Mega หรือบอร์ดที่เข้ากันได้)
• LED 1× (5 มม. หรือ 3 มม. สีใดก็ได้)
• ตัวต้านทาน 1× (200Ω ถึง 1000Ω — ช่วง 300Ω ถึง 1kΩ ใช้งานได้ดี)
• เขียงหั่นขนมและสายจัมเปอร์ DuPont
• สาย USB สำหรับโปรแกรมและจ่ายไฟ

หมายเหตุสำคัญเกี่ยวกับ LED: ขาที่ยาวกว่าคือแอโนด (บวก) และขาที่สั้นกว่า — หรือด้านที่มีขอบแบนบนตัวพลาสติก — คือแคโทด (ลบ) การต่อกลับด้านหมายความว่า LED จะไม่สว่างขึ้น ดังนั้นตรวจสอบให้ดีก่อนเปิดไฟ

สำหรับค่าตัวต้านทาน บทบรรยายได้อธิบายการคำนวณที่ (ในวิดีโอที่ 03:49): LED ทั่วไปมีแรงดันตกประมาณ 2V และต้องการกระแสประมาณ 10mA ด้วยแหล่งจ่าย 5V แรงดันที่เหลือ 3V ต้องตกคร่อมตัวต้านทาน ทำให้ R = V/I = 3V / 0.01A = 300Ω ในทางปฏิบัติ อะไรก็ได้ตั้งแต่ 300Ω ขึ้นไปถึง 1000Ω จะใช้งานได้ — ค่าที่สูงขึ้นเพียงแค่ทำให้ LED สว่างน้อยลง สำหรับการหรี่แสง นี่ถือว่าใช้ได้ เพราะคุณกำลังปรับความสว่างอยู่แล้ว

คู่มือการต่อสาย

การต่อสายนั้นง่ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แอโนดของ LED เชื่อมต่อผ่านตัวต้านทานไปยังขาที่รองรับ PWM บน Arduino — ในโครงการนี้คือขา 3 แคโทดเชื่อมต่อกับกราวด์

ทำไมต้องขา 3 โดยเฉพาะ? เพราะไม่ใช่ทุกขาของ Arduino ที่รองรับ PWM บนบอร์ด Arduino ส่วนใหญ่ ขาที่รองรับ PWM จะมีเครื่องหมาย tilde (~) — โดยทั่วไปคือขา 3, 5, 6, 9, 10 และ 11 บน Uno หากคุณใช้ขาที่ไม่รองรับ PWM analogWrite() จะไม่ให้เอาต์พุตแบบแปรผัน LED จะเปิดหรือปิดเท่านั้น

ต่อวงจรดังนี้:

1. เสียบ LED เข้ากับเขียงหั่นขนม โดยสังเกตว่าขาใดเป็นแอโนด (ยาวกว่า) และขาใดเป็นแคโทด (สั้นกว่า/ด้านแบน)
2. เชื่อมต่อแอโนดของ LED กับขา 3 ของ Arduino ผ่านตัวต้านทาน
3. เชื่อมต่อแคโทดของ LED กับขา GND ของ Arduino
4. เสียบ Arduino เข้ากับคอมพิวเตอร์ผ่าน USB

คำอธิบายโค้ด

สเก็ตช์สำหรับโครงการนี้อิงจากตัวอย่าง "Fade" คลาสสิกของ Arduino พร้อมการปรับแต่งเล็กน้อย แทนที่จะอธิบายทุกบรรทัด มาเน้นที่ส่วนที่คุณจะต้องการปรับสำหรับการทดลองของคุณเอง

ตัวแปรที่ผู้ใช้กำหนดค่าได้

ที่ด้านบนของโค้ด ตัวแปรสามตัวควบคุมพฤติกรรมทั้งหมด:

int led = 3;           // the PWM pin the LED is attached to
int brightness = 0;    // how bright the LED is
int fadeAmount = 3;    // how many points to fade the LED by

• led — กำหนดว่าขาใดที่ LED เชื่อมต่ออยู่ ค่าเริ่มต้นคือขา 3 แต่คุณสามารถเปลี่ยนเป็นขาใดก็ได้ที่รองรับ PWM (มีเครื่องหมาย ~ บนบอร์ดของคุณ) หากคุณย้าย LED ไปยังขาอื่น ให้อัปเดตค่านี้ให้ตรงกัน
• brightness — นี่คือระดับความสว่างปัจจุบัน ตั้งแต่ 0 (ปิด) ถึง 255 (สว่างเต็มที่) โค้ดเริ่มต้นที่ 0 แต่คุณสามารถเริ่มที่ค่าใดก็ได้ในช่วงนี้
• fadeAmount — นี่คือตัวที่น่าสนใจที่สุดในการทดลอง มันควบคุมว่ามีการเปลี่ยนความสว่างกี่ "ขั้น" ในแต่ละรอบ ค่าน้อยเช่น 3 จะให้การหรี่ที่ช้าและค่อยเป็นค่อยไป ค่ามากเช่น 20 จะทำให้ LED หรี่เข้าและออกอย่างรวดเร็ว วิดีโอสาธิตสิ่งนี้ที่ (ในวิดีโอที่ 22:37) — การเปลี่ยนจาก 5 เป็น 20 ทำให้เอฟเฟกต์เร็วขึ้นอย่างมาก

การหรี่แสงทำงานอย่างไร

แกนหลักของการหรี่แสงเกิดขึ้นในสองบรรทัดภายใน loop():

analogWrite(led, brightness);
brightness = brightness + fadeAmount;

ในแต่ละรอบของลูป ค่าความสว่างปัจจุบันจะถูกเขียนไปยัง LED โดยใช้ analogWrite() จากนั้นความสว่างจะถูกเพิ่มด้วย fadeAmount ฟังก์ชัน analogWrite() ใช้ PWM เพื่อจำลองแรงดันไฟฟ้าแบบอนาล็อก — มันเปิดและปิดขาอย่างรวดเร็ว และอัตราส่วนของเวลาเปิดต่อเวลาปิดเป็นตัวกำหนดความสว่างที่รับรู้ได้

เมื่อความสว่างถึง 0 หรือ 255 โค้ดจะกลับทิศทางโดยการพลิกเครื่องหมายของ fadeAmount:

if (brightness <= 0 || brightness >= 255) {
  fadeAmount = -fadeAmount;
}

นี่คือสิ่งที่ทำให้ LED หรี่เข้า แล้วหรี่ออก แล้วหรี่เข้าอีกครั้ง — เป็นวงจรการหายใจต่อเนื่อง delay(30) ที่ท้ายลูปควบคุมความเร็วโดยรวมของแอนิเมชัน delay ที่สั้นลงทำให้การหรี่เร็วขึ้น delay ที่ยาวขึ้นทำให้ช้าลง

การทดลองกับค่า

มีสองตัวแปรที่ให้คุณควบคุมเอฟเฟกต์ภาพได้มากที่สุด:

• เพิ่ม fadeAmount เพื่อการหรี่ที่เร็วและ dramatic มากขึ้น ลองใช้ 10 หรือ 20
• ลด fadeAmount เพื่อเอฟเฟกต์การหายใจที่ช้าและนุ่มนวล ลองใช้ 1 หรือ 2
• ปรับค่า delay() เพื่อเปลี่ยนจังหวะ delay ที่สั้นลงทำให้วงจรทั้งหมดเร็วขึ้น delay ที่ยาวขึ้นทำให้ยืดออก

การรวม fadeAmount น้อยกับ delay สั้นให้การหรี่ที่ราบรื่นมาก แทบจะเหมือนธรรมชาติ — เหมาะสำหรับแสงบรรยากาศ fadeAmount มากกับ delay สั้นสร้างเอฟเฟกต์การเต้นเป็นจังหวะที่เร็ว

การสาธิตโปรเจกต์แบบสด

เมื่ออัปโหลดโค้ดแล้ว คุณจะเห็น LED สว่างขึ้นอย่างช้าๆ จากปิดจนถึงสว่างเต็มที่ แล้วหรี่ลงอีกครั้ง ทำซ้ำไม่สิ้นสุด วิดีโอแสดงพฤติกรรมเริ่มต้นที่ (ในวิดีโอที่ 22:25) — การหรี่ที่ราบรื่นด้วยความเร็วปานกลาง

เมื่อเปลี่ยน fadeAmount เป็น 20 LED จะหรี่เข้าและออกอย่างรวดเร็วมาก — เกือบเหมือนการกะพริบ เมื่อตั้งเป็น 3 การหรี่จะใช้เวลานานขึ้นอย่างเห็นได้ชัด สร้างการเปลี่ยนผ่านที่ผ่อนคลายและค่อยเป็นค่อยไป สิ่งนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนในวิดีโอที่ (ในวิดีโอที่ 23:02)

ความสวยงามของโปรเจกต์นี้คือคุณสามารถเห็นผลของการเปลี่ยนแปลงโค้ดได้ทันที — ไม่ต้องเปลี่ยนการเดินสาย แค่แก้ไขตัวแปรและอัปโหลดใหม่ วงจรป้อนกลับที่รวดเร็วนี้ทำให้เป็นวิธีที่ยอดเยี่ยมในการสร้างสัญชาตญาณว่าการ PWM และการตั้งเวลาทำงานร่วมกันอย่างไร

หากคุณต้องการต่อยอดโดยการกระตุ้นการหรี่ด้วยปุ่มกดแทนที่จะปล่อยให้ทำงานต่อเนื่อง สิ่งนั้นครอบคลุมอยู่ในบทเรียนแยกต่างหาก — ดูส่วนโปรเจกต์ที่เกี่ยวข้องด้านล่าง

โปรเจกต์ที่เกี่ยวข้องจากวิดีโอนี้

• บทเรียน 98-1: วิธีเปิดและปิด LED ด้วย Arduino
• บทเรียน 98-2: วิธีเปิดและปิด LED โดยใช้ปุ่มกดกับ Arduino
• บทเรียน 98-3: วิธีเปิด/ปิด LED แบบสลับโดยใช้ปุ่มกดกับ Arduino
• บทเรียน 98-5: หรี่แสงเมื่อกดปุ่มโดยใช้ Arduino
• บทเรียน 98-6: เกม LED กระดานหกกับ Arduino
• บทเรียน 98-7: ไฟวิ่งโดยใช้ Arduino และ LED 5 ดวง
• บทเรียน 98-8: ไฟวิ่งพร้อมปุ่มกดและ LED กับ Arduino
• บทเรียน 98-9: มิเตอร์วัดระดับแรงดัน LED โดยใช้ Arduino หรือไฟวิ่งพร้อมโพเทนชิโอมิเตอร์
• บทเรียน 98-10: ไฟจราจร Arduino

บทต่างๆ

• [00:00] ภาพรวมของโปรเจกต์ LED 10 โปรเจกต์ด้วย Arduino
• [01:22] แนะนำหลักสูตรและส่วนประกอบที่จำเป็น
• [02:29] ทำความเข้าใจ LED: สัญลักษณ์ ขั้ว และประเภท
• [03:49] คำนวณค่าตัวต้านทาน LED โดยใช้กฎของโอห์ม
• [05:53] โปรเจกต์ 1: การเปิดและปิด LED
• [12:43] โปรเจกต์ 2: การควบคุม LED ด้วยปุ่มกด
• [17:13] โปรเจกต์ 3: สลับ LED ด้วยปุ่มกด
• [20:12] โปรเจกต์ 4: การหรี่ LED — อธิบายโค้ด
• [22:25] การสาธิตการหรี่และการปรับความเร็วการหรี่
• [23:20] โปรเจกต์ 5: หรี่ LED ด้วยการกระตุ้นจากปุ่มกด
• [27:32] โปรเจกต์ 6: เอฟเฟกต์ LED กระดานหก
• [30:47] โปรเจกต์ 7: ไฟวิ่งด้วย LED 5 ดวง
• [36:41] โปรเจกต์ 8: ไฟวิ่งควบคุมด้วยปุ่มกด
• [42:25] โปรเจกต์ 9: มิเตอร์วัดระดับแรงดัน LED ด้วยโพเทนชิโอมิเตอร์
• [49:25] โปรเจกต์ 10: ไฟจราจร Arduino

ภาพ

Arduino wiring for LED with resistor

Arduino schematic for LED

Arduino wiring for two LEDs see saw

Arduino schematic for two LEDs see saw

LED-5mm-green

330_ohm_resistor

Arduino wiring for LED with resistor

Arduino schematic for LED

Arduino wiring for two LEDs see saw

Arduino schematic for two LEDs see saw

LED-5mm-green

330_ohm_resistor

This code has not been parsed yet. Please return to the admin panel to parse it.