3.2 LEDs dimmen

Bisher waren die LEDs an oder aus. Nun wollen wir LEDs dimmen und dazu benötigen wir einen Trick, denn die Pins können nur "an"/"aus".

Die Hardware- und Elektronikgrundlagen

Wir benötigen für unsere nächsten Anwendungen:

  • Widerstand (220 Ohm)

  • LED (rot)

  • Drehschalter (Rotary Encoder KY-040)

Die Pins kennen nur die Zustände "an"/"aus", aber es gibt den Trick der Pulsweitenmodulation (PWM). Hierbei wird der Pin schnell mit einer hohen Frequenz "an"/"aus"-geschaltet.

Der Duty Cycle (Einschaltdauer) ist der Prozentsatz der Zeit, in der das Signal in einem Zyklus "ein" ist.

  • Ein 100% Duty Cycle (Einschaltdauer) bedeutet, dass das Signal die ganze Zeit "ein" ist (volle Leistung).

  • Ein 0% Duty Cycle (Einschaltdauer) bedeutet, dass das Signal die ganze Zeit "aus" ist (keine Leistung).

  • Ein 80% Duty Cycle (Einschaltdauer) bedeutet, dass das Signal 80% der Zeit "ein" und 20% der Zeit "aus" ist.

Die Einschaltdauer bezieht sich also auf den prozentualen Anteil der Zeit, in der der Strom eingeschaltet ist, im Vergleich zur Gesamtzeit des "an"/"aus"-Zyklus. Im folgenden Diagramm ist ein 80% Duty Cycle dargestellt, der die LED somit auch nur mit 80% der Leistung versorgt.

PWM

Die Anwendungen

Wir haben hier drei Anwendungen: zuerst lassen wir die rote LED blinken, aber dabei nicht ausgehen, sondern reduzieren die Helligkeit. Danach soll die rote LED langsam heller werden. Anschließend verwenden wir den Drehschalter, um die Helligkeit der LED einzustellen.

Eine rote LED blinken lassen (100% - 20%)

Wir verwenden folgendes Setup (wie zuvor)

Externe LED blinken

  • Pin 38 an Masse

  • Pin 21 (= GPIO 16) an den Widerstand

  • Widerstand an Plus der LED

  • Minus der LED an Masse

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# Externe LED blinken lassen 100% zu 20%
# J. Thomaschewski, 12.08.2024

from machine import Pin, PWM, Timer

# GPIO 16 auf Pin 21 ist nun ein PWM-Ausgang mit 1000 Hz
led = PWM(Pin(16))
led.freq(1000)  

# Variablen zur Steuerung der Einschaltdauer (Duty Cycle)
dutyCycleHigh = 65535  # 100% Leistung
dutyCycleLow  = 13107  # 20% Leistung (65535 * 0.2)
state = False            # Startzustand der LED "aus"

def blink(timer):
    global state         # globale Variable wird übernommen
    if state:
        led.duty_u16(dutyCycleLow)  # Setze den Duty Cycle auf 20%
    else:
        led.duty_u16(dutyCycleHigh)  # Setze den Duty Cycle auf 100%
    state = not state     # Wechsel des Zustands False <-> True

Timer().init(freq=2, callback=blink)

Zeile 11: Der Wert 65535 wird verwendet, weil er die maximale Auflösung für den Duty Cycle in der PWM-Implementierung auf dem Raspberry Pi Pico ist. Die Methode duty_u16() erwartet Werte im Bereich von 0 bis 65535, was einer 16-Bit-Auflösung entspricht.

Hinweis: Die Zahl 65535

Bei led.duty_u16 sagt die 16 aus, dass es sich um 16 Bit, also 2 hoch 16 Abstufungen (im Binärsystem) handelt. 2 hoch 16 = 65536. Da wir bei "0" beginnen, ist die größtmögliche Zahl die 65535.

Script verstehen

Was ist im Script fest vorgegeben und was kann man ändern wie man möchte?

Eine rote LED wird langsam heller

Der Aufbau bleibt gleich und wir ändern lediglich das Script

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# LED wird langsam heller
# J. Thomaschewski, 13.08.2024

from machine import Pin, PWM
from time import sleep_ms

# GPIO 16 auf Pin 21 ist nun ein PWM-Ausgang mit 1000 Hz
led = PWM(Pin(16))
led.freq(1000)

# Starte mit einem Duty Cycle von 0
duty = 0

# Erhöhe die Helligkeit der LED schrittweise über 3 Sekunden
while duty <= 65535:
    led.duty_u16(duty)  # Setze den Duty Cycle direkt auf den aktuellen Wert
    duty += 65   # Erhöhe den Duty Cycle in angepassten Schritten
    sleep_ms(3)  # Wartezeit von 3 Millisekunden (3 Sekunden / ca. 1000 Schritte)

# LED bleibt auf maximaler Helligkeit

Sourcecode verstehen

Schreiben Sie den Sourcecode so um, dass die LED zuerst 100% hell ist und dann in ca. 3 Sekunden dunkel wird.

Langsamer heller

An welchen beiden Stellen können Sie einstellen, dass die LED nur langsam heller wird?

Drehschalter als Input

Bisher haben wir die GPIO-Pins als Output-Pins für LEDs verwendet. Aber nun wollen wir Daten einlesen. Im konkreten Fall wollen wir Eingabewerte des Drehschalters (Bezeichnung KY-040) einlesen.

Drehschalter Drehschalter

Das hier gezeigte Script basiert auf dem Sourcecode von Elektronik Kompendium und wurde nur leicht abgeändert.

Pinbelegung für Raspberry Pi Pico und KY-040

Raspberry Pi Pico KY-040
Verbindung zu Masse GND
Pin 36 +
Pin 22 - GPIO 17 SW
Pin 24 - GPIO 18 DT
Pin 25 - GPIO 19 CLK

Zunächst muss die Bibliothek "rotary" von Elektronik Kompendium heruntergeladen und unter dem Namen rotary.py auf dem Pi Pico gespeichert werden. 

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# LED wird mit Drehschalter geändert
# Original von Elektronik Kompendium 
# https://www.elektronik-kompendium.de/sites/raspberry-pi/2703141.htm
# angepasst von J. Thomaschewski, 13.08.2024

from machine import Pin, PWM
from rotary import Rotary

# GPIOs festlegen (LED auf GPIO 16)
sw  = 17 # Taster (Schalter)
dt  = 18 # Datenleitung für Drehen
clk = 19 # Taktleitung für Drehen

# Einstellungen
steps   = 10        # in 10 Schritten änderbar
stepMax = 60000     # 60000 weil nah am Maximum 65535
step    = int(stepMax / steps)

# Initialiserung Drehschalter
rotary  = Rotary(dt, clk, sw)
value   = int(stepMax / 6)

# Initialisierung PWM und LED
led = PWM(Pin(16))
led.freq(1000)
led.duty_u16(value)

# Funktion
def rotaryChanged(change):
    global value
    global step
    global stepMax
    if change == Rotary.ROT_CW:
        value = value + step
        print('Rechts (', value, ')')
    elif change == Rotary.ROT_CCW:
        value = value - step
        print('Links (', value, ')')

    # Korrektur, wenn Wert außerhalb des Bereichs
    if value < 0:
        value = 0
    elif value > stepMax:
        value = 65535

    led.duty_u16(value)  # Helligkeit der LED einstellen

# Überprüft ständig, ob der Drehschalter gedreht wird
rotary.add_handler(rotaryChanged)

Script verstehen

Was ist im Script fest vorgegeben und was kann man ändern wie man möchte?

Taster zum Ein- und Ausschalten nutzen 
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# LED wird mit Drehschalter geändert und kann geschaltet werden
# Original von Elektronik Kompendium 
# Idee des Ein-/Ausschaltens von Justus Winkler; Umsetzung ChatGPT 
# https://www.elektronik-kompendium.de/sites/raspberry-pi/2703141.htm
# angepasst von J. Thomaschewski, 13.08.2024

from machine import Pin, PWM
from rotary import Rotary
import time

# GPIOs festlegen (LED auf GPIO 16)
sw  = 17  # Taster (Schalter)
dt  = 18  # Datenleitung für Drehen
clk = 19  # Taktleitung für Drehen

# Einstellungen
steps   = 10        # in 10 Schritten änderbar
stepMax = 60000     # 60000 weil nah am Maximum 65535
step    = int(stepMax / steps)

# Initialiserung Drehschalter
rotary  = Rotary(dt, clk, sw)  
value   = int(stepMax / 6)

# Initialisierung PWM und LED
led = PWM(Pin(16))
led.freq(1000)
led.duty_u16(value)

# Variable für den Zustand der LED (an/aus)
ledOn = True

# Initialisierung des Tasters (Schalter)
switch = Pin(sw, Pin.IN, Pin.PULL_UP)

# Funktion für das Drehen des Encoders
def rotaryChanged(change):
    global value
    global step
    global stepMax
    if change == Rotary.ROT_CW:
        value += step
        print('Rechts (', value, ')')
    elif change == Rotary.ROT_CCW:
        value -= step
        print('Links (', value, ')')

    # Korrektur, wenn Wert außerhalb des Bereichs
    if value < 0:
        value = 0
    elif value > stepMax:
        value = 65535

    # Helligkeit der LED anpassen
    if ledOn:  # Nur wenn die LED an ist, die Helligkeit ändern
        led.duty_u16(value)

# Überprüft ständig, ob der Drehschalter gedreht wird
rotary.add_handler(rotaryChanged)

# Funktion für das Drücken des Drehschalter (LED an/aus schalten)
def checkSwitch():
    global ledOn
    if switch.value() == 0:  # Taster gedrückt (aktiv low)
        ledOn = not ledOn  # Zustand der LED umschalten
        if ledOn:
            led.duty_u16(value)  # LED mit aktueller Helligkeit anschalten
            print("LED an")
        else:
            led.duty_u16(0)  # LED ausschalten
            print("LED aus")
        time.sleep(0.2)  # Entprellzeit, um mehrfaches Registrieren zu vermeiden

# Endlos-Schleife, um den Schalter zu überprüfen
while True:
    checkSwitch()  # Überprüfen, ob der Schalter gedrückt wurde

Neu sind:

  • Zeile 9: import time

  • Zeile 30: LED soll am Anfang an sein

  • Zeile 55: Helligkeit nur bei eingeschalteter LED einstellen

  • Alle Zeilen ab Zeile 61

Python

Folgende Fragen wollen wir nun beantworten:

  1. Welche Python Befehle sind in den bisherigen Scripten vorhanden?
  2. Welche Operatoren gibt es in Python?
  3. Welche sind Aufrufe aus Teilen der Bibliothek?

1. Welche Python-Befehle sind in den bisherigen Scripten vorhanden?

Befehl Erklärung
from *bibliothek* import *Klasse* Importiert die Klasse aus der Bibliothek
print(...) Gibt eine Nachricht auf der Konsole aus
def Definiert eine Funktion
if Bedingte Anweisung
elif Weitere Bedingte Anweisung
else Alternative Bedingte Anweisung
while Schleife, die solange eine Bedingung erfüllt ist, wiederholt wird
global Deklariert eine Variable als global
True, False Wahrheitswerte

2. Welche Operatoren gibt es in Python?

A. Rechenoperatoren

Operator Erklärung Beispiel
= Zuweisung a = 5
+ Addition a + b
- Subtraktion a - b
* Multiplikation a * b
** Potenzierung a ** b
/ Division a / b
% Modulus (Restwert einer Division) a % b (z.B. 10 % 3 ergibt 1)
// Ganzzahlige Division a // b (z.B. 10 // 3 ergibt 3)
+= Addition und Zuweisung a += 3 (z.B. a = 2; a += 3 ergibt 5)
-= Subtraktion und Zuweisung a -= 2
*= Multiplikation und Zuweisung a *= 2
**= Potenzierung und Zuweisung a **= 2
/= Division und Zuweisung a /= 2
%= Modulus und Zuweisung a %= 3
//= Ganzzahlige Division und Zuweisung a //= 2

B. Vergleichsoperatoren (die als Ergebnis True / False liefern)

Operator Erklärung Beispiel
== Gleichheit a == b
!= Ungleichheit a != b
< Kleiner als a < b
> Größer als a > b
<= Kleiner oder gleich a <= b
>= Größer oder gleich a >= b
and Logisches UND a and b
or Logisches ODER a or b
not Logisches NICHT not a

Weitere Details zu diesen Operatoren finden Sie in der offiziellen Python-Dokumentation zu den Operatoren.

3. Welches sind Aufrufe aus Teilen der Bibliothek?

Aufruf Erklärung
Pin(...) Initialisiert einen GPIO-Pin
PWM(...) Initialisiert PWM auf einem GPIO-Pin
Timer().init(...) Initialisiert einen Timer mit einer Frequenz und Callback
sleep_ms(...) Pausiert die Ausführung für eine bestimmte Anzahl Millisekunden
Rotary(...) Initialisiert den Rotary-Encoder
rotary.add_handler(...) Fügt einen Handler für den Rotary-Encoder hinzu
.freq(1000) Setzt die Frequenz auf 1000 Hz
.duty_u16(value) Setzt den Duty Cycle auf den angegebenen Wert
.ROT_CW Drehrichtung im Uhrzeigersinn
.ROT_CCW Drehrichtung gegen den Uhrzeigersinn