🌗 PWM با میکروپایتون روی رزبری پای پیکو: LED نفس‌کش با duty_u16 و freq

✍️ تیم ووکوی فارسی · ۲۸ مهر ۱۴۰۵

پایه‌های دیجیتال فقط دو حالت دارند: روشن یا خاموش. پس چطور می‌شود نور یک LED را آرام کم و زیاد کرد یا سرعت موتور را تنظیم کرد؟ جواب PWM است. در این آموزش PWM با میکروپایتون روی رزبری پای پیکو را یاد می‌گیری: فرکانس را با freq و شدت را با duty_u16 تنظیم می‌کنیم، یک LED «نفس‌کش» با حرکت نرم و طبیعی می‌سازیم و در آخر با سه کانال PWM روی یک LED رنگی، رنگ درست می‌کنیم.

PWM به زبان ساده

فرض کن یک چراغ را خیلی سریع روشن و خاموش کنی؛ هزار بار در ثانیه. چشم تو این چشمک‌ها را نمی‌بیند و فقط «میانگین» نور را حس می‌کند. اگر در هر چرخه چراغ نصف زمان روشن باشد، نور نصف به نظر می‌رسد؛ اگر یک‌دهم زمان، کم‌نور. به این روش مدولاسیون پهنای پالس (Pulse Width Modulation) می‌گویند. دو عدد آن را تعریف می‌کنند:

• فرکانس (freq): چند بار در ثانیه چرخه تکرار شود. برای LED حدود ۱۰۰۰ هرتز.
• دیوتی سایکل (duty): چند درصد هر چرخه روشن باشد. در میکروپایتون با duty_u16 از ۰ (خاموش) تا ۶۵۵۳۵ (کاملاً روشن) داده می‌شود.

برای فهم دقیق‌تر عددها، ماشین‌حساب PWM و تعریف کوتاه PWM در واژه‌نامه را ببین.

قطعه‌ها و سیم‌کشی

• رزبری پای پیکو
• یک LED و یک مقاومت ۲۲۰ اهم
• برای بخش دوم: یک LED رنگی RGB کاتد مشترک و سه مقاومت ۲۲۰ اهم

کد کامل: LED نفس‌کش

from machine import Pin, PWM
import time

led = PWM(Pin(15))
led.freq(1000)              # 1000 pulses per second

def set_brightness(percent):
    # Eyes are not linear: squaring gives a smoother fade (simple gamma)
    level = (percent / 100) ** 2
    led.duty_u16(int(level * 65535))

try:
    while True:
        for p in range(0, 101, 2):       # fade in
            set_brightness(p)
            time.sleep_ms(15)
        for p in range(100, -1, -2):     # fade out
            set_brightness(p)
            time.sleep_ms(15)
except KeyboardInterrupt:
    led.duty_u16(0)
    led.deinit()                         # release the pin

توضیح خط به خط

• PWM(Pin(15)): پایه‌ی GP15 را به سخت‌افزار PWM می‌سپارد. از این به بعد خود تراشه پالس‌ها را می‌سازد و پردازنده آزاد است.
• led.freq(1000): هر ثانیه هزار چرخه. در نسخه‌های جدید میکروپایتون می‌توانی همه را یک‌جا بنویسی: PWM(Pin(15), freq=1000, duty_u16=0).
• duty_u16: عدد ۱۶ بیتی بین ۰ و ۶۵۵۳۵. نیمه‌روشن یعنی 32768. اگر از آردوینو می‌آیی، این همان analogWrite(pin, 0..255) است با بازه‌ی خیلی بزرگ‌تر.
• اصلاح گاما: چشم انسان به تغییرهای نور در نورهای کم خیلی حساس‌تر است تا نورهای زیاد. اگر دیوتی را خطی زیاد کنی، LED در نیمه‌ی اول سریع پرنور می‌شود و نیمه‌ی دوم تقریباً فرقی نمی‌کند. با به توان دو رساندن درصد، حرکت نور برای چشم یکنواخت می‌شود. خط level = percent / 100 را جایگزین کن و فرقش را ببین.
• range(100, -1, -2): از ۱۰۰ تا ۰ با گام منفی؛ عدد ۱- آخر لازم است تا خود صفر هم جزو حلقه باشد.
• deinit(): PWM را خاموش می‌کند و پایه را آزاد. روی برد واقعی اگر برنامه را با Stop متوقف کنی و این خط اجرا نشود، PWM سخت‌افزاری به کارش ادامه می‌دهد و LED روشن می‌ماند.

فرکانس را چطور انتخاب کنیم؟

کمترین فرکانسی که پیکو با میکروپایتون می‌سازد حدود ۸ هرتز است. در فرکانس‌های خیلی بالا (صدها کیلوهرتز) دقت دیوتی کم می‌شود، چون شمارنده‌ی سخت‌افزاری قدم‌های کمتری در هر چرخه دارد؛ برای LED و موتور اصلاً نگرانش نباش.

بخش دوم: ساختن رنگ با سه PWM

یک LED RGB در واقع سه LED قرمز، سبز و آبی در یک بدنه است. با سه کانال PWM می‌توانی هر رنگی بسازی. پایه‌ی بلند (کاتد مشترک) به GND و سه پایه‌ی رنگ هر کدام از راه یک مقاومت ۲۲۰ اهم به GP13، GP14 و GP15:

from machine import Pin, PWM
import time

red = PWM(Pin(13))
green = PWM(Pin(14))
blue = PWM(Pin(15))
for ch in (red, green, blue):
    ch.freq(1000)

def color(r, g, b):
    # r, g, b from 0 to 255, like on a web page
    red.duty_u16(r * 257)
    green.duty_u16(g * 257)
    blue.duty_u16(b * 257)

palette = [(255, 0, 0), (255, 120, 0), (255, 255, 0),
           (0, 255, 0), (0, 200, 255), (0, 0, 255), (160, 0, 255)]

while True:
    for r, g, b in palette:
        color(r, g, b)
        print("color:", r, g, b)
        time.sleep(0.7)

چرا ضرب در ۲۵۷؟ چون ۲۵۵ ضرب در ۲۵۷ دقیقاً ۶۵۵۳۵ می‌شود؛ پس عددهای آشنای ۰ تا ۲۵۵ رنگ‌ها را به بازه‌ی duty_u16 می‌بریم. GP14 و GP15 یک برش PWM را شریک‌اند، ولی چون هر دو ۱۰۰۰ هرتزند، مشکلی پیش نمی‌آید.

اجرا در شبیه‌ساز

در تینکرکد فارسی مثال آماده‌ی دیمر LED با MicroPython روی پیکو همین PWM را با یک پتانسیومتر ترکیب می‌کند. کد آن را با برنامه‌ی LED نفس‌کش بالا عوض کن و نور را تماشا کن. پیکو و میکروپایتون جزو اشتراک پلاس هستند؛ مثال برای خواندن رایگان باز می‌شود و برای اجرا پلاس لازم است. اگر می‌خواهی اصل مفهوم را اول رایگان روی آردوینو ببینی، درس PWM و فید LED و پروژه‌ی نفس کشیدن LED را باز کن.

اشکال‌های رایج

• LED فقط روشن و خاموش می‌شود و نرم نیست: به جای PWM(Pin(15)) نوشته‌ای Pin(15, Pin.OUT) و با value کار می‌کنی.
• ValueError یا خطای محدوده: عدد duty_u16 بیشتر از ۶۵۵۳۵ یا منفی است. با max(0, min(65535, x)) محدودش کن.
• TypeError: can't convert float to int: duty_u16 عدد صحیح می‌خواهد؛ حاصل محاسبه را با int() گرد کن.
• LED بعد از Stop روشن می‌ماند: روی برد واقعی deinit() صدا نشده؛ همان try/except KeyboardInterrupt را به کار ببر.
• دو LED با هم عوض می‌شوند: GP0 و GP16 (یا هر دو پایه‌ای با ۱۶ عدد فاصله) یک کانال PWM هستند. یکی را جابه‌جا کن.
• فید پله‌پله است: گام حلقه را کوچک‌تر کن (۱ به جای ۲) یا اصلاح گاما را اضافه کن.

قدم بعدی: نور را با یک ولوم کنترل کن در ADC پیکو با میکروپایتون. اگر با ESP32 کار می‌کنی، همین مفهوم آن‌جا اسم ledc دارد: فید LED با ledc روی ESP32. نقشه‌ی پایه‌ها و برش‌های PWM در پین اوت رزبری پای پیکو آمده و اگر پایه‌های پایتون را هنوز محکم نکرده‌ای، آموزش میکروپایتون از صفر را ببین.

سؤال‌های رایج

duty_u16 چه عددی می‌گیرد؟

عددی از ۰ تا ۶۵۵۳۵. صفر یعنی همیشه خاموش، ۶۵۵۳۵ یعنی همیشه روشن و ۳۲۷۶۸ یعنی نصف زمان روشن. این همان analogWrite آردوینو است، فقط با بازه‌ی بزرگ‌تر به جای ۰ تا ۲۵۵.

برای LED چه فرکانسی مناسب است؟

هر عددی بین ۵۰۰ تا ۲۰۰۰ هرتز خوب است و ۱۰۰۰ هرتز انتخاب رایج است. زیر حدود ۱۰۰ هرتز ممکن است لرزش نور را حس کنی. موتور معمولاً با چند کیلوهرتز و سروو با ۵۰ هرتز کار می‌کند.

چرا دو پایه‌ی PWM من با هم عوض می‌شوند؟

پایه‌هایی که یک برش (slice) PWM را شریک‌اند، مثل GP14 و GP15، فرکانس یکسان دارند؛ با تغییر فرکانس یکی، دیگری هم عوض می‌شود. GP0 و GP16 حتی یک کانال‌اند و خروجی یکسان می‌دهند. پایه‌ها را از برش‌های مختلف انتخاب کن.

مقاله‌های مرتبط

همه‌ی آموزش‌های رزبری پای پیکو و میکروپایتون ← · همه‌ی مقاله‌ها