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【R课堂】通过Raspberry Pi闪烁LED项目学习欧姆定律、GPIO和晶...

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发表于 2022-8-3 11:02:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
这篇文章来源于DevicePlus.com英语网站的翻译稿。
本文最初发布在deviceplus.jp网站上,而后被翻译成英语。
Devices Plus的电子制作系列文章已经形成了一个庞大的体系。读者们也很喜欢根据我们的文章制作一些自己的作品。
然而,最近一位读者表示,“虽然我可以做出作品,但是我并没有真正掌握背后的原理。”确实,谈到电力、电子、电路和程序等内容,有些东西并不是那么简单,有时很难理解背后的基本原理。甚至我们编辑部的人员有时也会感到头疼!
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。本文将以闪烁LED灯项目为例讲述一些基本原理。要学的东西很多,所以我们直接学习最为重要的部分。当然,学完原理之后,我们还要理论联系实际,学以致用。
[目录]
  • 前言
  • 从闪烁LED学起
  • 欧姆定律
  • Raspberry Pi的GPIO
  • 通过晶体管控制LED
  • 关于闪烁LED的更多知识
  • 闪烁LED项目开发
  • 如何应用我们的设计?
前言
在过去几年中,随着电子行业的发展,微控制器变得非常流行。现在,我们可以使用紧凑的小型器件来感知和控制各种事物,包括光、声音、运动和图像,这感觉很神奇。我小时候的未来梦想正在慢慢实现,这令我感慨万千。
电子制作的内容已经发生了变化,早已不再是用晶体管制作收音机的时代了。进入媒体艺术领域以后,我把电子作品视为工具和材料,就像画笔和颜料,帮助我在艺术领域更充分地表现自己。艺术的表达方式有很多种,而另一方面,爱好动手制作的这类人被称为“创客”。当我看到很多地方都在举办相关活动时,我感慨“兴趣爱好”作为一种亚文化的概念已经发生了变化。
现在,我喜欢用Raspberry Pi进行电子设计,人们可以轻松访问该系统的各种资源。其操作系统还安装了多种应用程序,而且简单易用。

本文使用的Raspberry Pi 3 Model B+

从闪烁LED学起
“闪烁LED”,顾名思义,您会在电路中看到LED灯交替点亮和熄灭。当然,让LED灯闪烁很简单,我们可以利用晶体管和电容等元件重现电路的构建。顺便说一下,下图这个电路是在我的电子作品中经常使用的一种电路,叫做非稳态多谐振荡器电路。该电路由两个晶体管、两个电容、四个电阻和一个LED组成。这些器件焊接在电路板上,用干电池供电。

电路示例:非稳态多谐振荡器


作品示例:铁路标志

在该电路中,LED灯会以大约一秒的间隔闪烁。如果想改变灯的闪烁速度,我们得改变电容的容值和电阻值。要加快闪烁速度,就要减小的电容容值。
我们可以通过微控制器实现这个调整。
通过Raspberry Pi的GPIO输出点亮LED非常简单且易于处理。这方面内容很多书籍中都有介绍,而且市面上有许多功能模块化的专用扩展板,都能提供相关详细信息。但是,他们并没有深入探讨构建电子电路所需的一些最基本的重要知识,所以让我们在这里回顾一下。请回忆一下小学和初中科技课本上学到的知识。
欧姆定律
欧姆定律的描述为:电流=电压/电阻。我学习这个定律的时候,该公式被写成I = E/R。现在的公式是A = V/Ω,对吧?
貌似现在的教科书用的基本都是这个公式,“A(安培)= V(伏特)/Ω(欧姆)”强调的是单位本身,可能更直观易懂。
您可能会在参考书中看到这样的图,但是请注意自己对这个公式的记忆方法。对了,我有一个动物园的朋友,他是这样记忆这个公式的:
“地平线将地球分为上下两部分,天空中有海鸥,海中有鱿鱼和章鱼”
现在,我们就以电池点亮LED为例来说明欧姆定律的实际应用。您可以将LED连接到电源(此处为电池),但由于LED是一种二极管,因此电流有一个方向:将A(阳极)连接到电源正极,将K(阴极)连接到电源负极。
这个连接方向虽然正确,但实际上如果这样直接连接,LED可能会损坏。为避免损坏器件,流过器件的电流大小必须正确。
正确的电流值请参考器件的额定参数表(技术规格书)。我们以一个参数为3.5V/20mA的白光LED为例,这种电参数可以解释为“如果电压电流位于这个安全范围内,那么不会损坏”。换句话说,“如果电参数超出这个范围,它可能会损坏。”
有奖问答:适用于该LED的最佳电压为      V,流过的最佳电流为     A。
Tips: 点击阅读原文,快速获得答案

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