基础入门：RGB LED 硬件原理与树莓派 Pico PWM 控制实战

1. RGB LED 的基础知识

RGB LED（Red, Green, Blue 发光二极管）是一种通过红、绿、蓝三种不同颜色的 LED 组合而成的发光器件，通过调节这三种颜色的亮度，可以生成各种颜色的光；RGB LED 广泛应用于显示屏、装饰照明和指示灯等场合。

RGB LED 通常集成了三个独立的 LED 芯片，每个芯片负责发出红、绿、蓝三种颜色的光。这些芯片可以独立控制，因此可以通过组合不同的亮度来混合出多种颜色：

1280X1280.PNG

  • ​红色（R）​：发射红色光，通常工作电压较低
  • ​绿色（G）​：发射绿色光，工作电压中等
  • ​蓝色（B）​：发射蓝色光，通常工作电压较高

RGB LED 可以通过混合红、绿、蓝三种光，来生成不同的颜色，我们可以利用脉宽调制（PWM）精确控制每个 LED 的亮度，每种颜色的亮度可以通过改变电压的占空比（0~100%）来调节，从而实现丰富的颜色变化。

RGB LED 根据其结构可以分为以下两种：

1280X1280 (1).PNG

  • ​共阴极​：所有的 LED 的阴极连接在一起，阳极分别连接到电路的不同控制端
  • ​共阳极​：所有的 LED 的阳极连接在一起，阴极分别连接到电路的不同控制端

RGB LED 的参数反映了它的电气和光学性能，这些参数不仅决定了 LED 的发光效率、颜色、亮度，还影响了它在电路中的使用：

  • ​正向电压（Forward Voltage，VF​​）​：正向电压是指当 LED 正向导通时，两个电极之间的电压差；不同颜色的 LED 由于材料不同，其工作电压范围有所不同
  • ​最大正向电流（Maximum Forward Current，IF）​：最大正向电流是指 LED 在正常工作时允许通过的最大电流，常见值为 20mA；高于这个电流可能会损坏 LED，导致过热或降低 LED 的寿命
  • ​发光强度​（​​Luminous Intensity，Iv）​：发光强度通常用毫坎德拉（mcd）表示，描述的是 LED 发出的光的亮度，发光强度取决于电流的大小，电流越大，LED 发光强度越高
  • ​波长​（​​Wavelength）​：LED 的波长决定了它发出的光的颜色，RGB LED 的波长范围代表了它的颜色；波长的不同是由于 LED 的材料决定的，不同波长的光子能量不同，因此不同颜色的 LED 需要不同的电压来工作
  • ​反向电流（Reverse Current，IR​​）​：反向电流是指当 LED 反向偏置时，流过 LED 的电流。通常，LED 的反向电流非常小，典型值为微安级（例如 10μA）；如果反向电流过大，可能会导致 LED 损坏

以 R6GHBHW-A01 型 RGB LED 的电气参数为例，如下图所示：
1280X1280 (2).PNG

这里，我们需要给 RGB LED 二极管加限流电阻以确保 LED 不会因为电流过大而损坏，限流电阻的计算公式为：

$$
R = \frac{V_{in} - V_F}{I_F}
$$

其中，各个参数含义如下：

  • ​Vin​：电源电压，通常是 LED 电路的电源电压
  • ​VF​：LED 的正向电压（Forward Voltage），对于不同颜色的 LED，它的 VF 值不一样
  • ​IF​：LED 的工作电流，通常是 20mA（即 0.02A）

2.PWM 信号控制 RGB LED

这里，我们需要将风雅一号板-环境与存储采集板插入到风雅一号板-通用兼容扩展板上，同时打开风雅一号板-环境与存储采集板上 SWITCH2 拨码开关的 PWM_B、PWM_G 和 PWM_R 选项，实物连接图如下所示：

68d4722d-1729-40b8-8c27-ed94ff01d420.png

49bc9057-d410-481c-94e4-d7bc6669f7f5.jfif

引脚连接情况如下表所示：

ScreenShot_2026-06-08_111833_307.png

以下实验中所有代码开源在我们提供的资料包中 elegance-devkit v1\Demo\27 PWM_RGBLED 文件夹找到。

在以下代码中，我们通过 PWM 模块控制树莓派 Pico 的 GPIO 引脚输出 PWM 信号，从而驱动 RGB LED，示例代码如下：

# Python env   : MicroPython v1.23.0
# -*- coding: utf-8 -*-        
# @Time    : 2024/9/20 下午3:18   
# @Author  : 李清水            
# @File    : main.py       
# @Description : PWM类使用，驱动RGB LED产生不同颜色的光

# ======================================== 导入相关模块 =========================================

# 导入硬件相关的模块
from machine import Pin, PWM
# 导入时间相关模块
import time

# ======================================== 全局变量 ============================================

# 定义颜色RGB值到PWM占空比的映射表（常见颜色）
COLOR_PWM_VALUES = {
    'red': (255, 0, 0),         # 红色
    'green': (0, 255, 0),       # 绿色
    'blue': (0, 0, 255),        # 蓝色
    'yellow': (255, 255, 0),    # 黄色
    'cyan': (0, 255, 255),      # 青色
    'magenta': (255, 0, 255),   # 品红
    'white': (255, 255, 255),   # 白色
    'black': (0, 0, 0),         # 关闭LED
}

# ======================================== 功能函数 ============================================

# 将8位值（0-255）转换为16位PWM值（0-65535）
def map_to_pwm(value: int) -> int:
    """
​    将8位颜色值（0-255）映射到16位PWM占空比（0-65535）。

​    Args:
​        value (int): 0-255之间的颜色值。

​    Returns:
​        int: 映射到0-65535范围内的PWM占空比。
​    """
​    ​return int(value * 65535 / 255)

# ======================================== 自定义类 ============================================

# RGB LED控制类
class RGBLed:
    """
​    RGB LED控制类，用于通过PWM驱动RGB LED产生不同颜色的光。

​    该类封装了对RGB LED的控制逻辑，支持通过PWM调节红、绿、蓝三个通道的亮度，
​    从而实现多种颜色的显示。此外，支持通过颜色名直接设置LED的颜色。

​    Attributes:
​        red_pwm (PWM): 红色LED的PWM实例。
​        green_pwm (PWM): 绿色LED的PWM实例。
​        blue_pwm (PWM): 蓝色LED的PWM实例。

​    Methods:
​        __init__(self, red_pin: int, green_pin: int, blue_pin: int):
​            初始化RGB LED类实例。

​        set_color(self, red_val: int, green_val: int, blue_val: int) -> None:
​            设置RGB LED的颜色。

​        set_color_by_name(self, color_name: str) -> None:
​            通过颜色名设置RGB LED的颜色。
​    """

​    ​def __init__(self, red_pin: int, green_pin: int, blue_pin: int):
        """
​        初始化RGB LED。

​        Args:
​            red_pin (int): 红色LED连接的引脚编号。
​            green_pin (int): 绿色LED连接的引脚编号。
​            blue_pin (int): 蓝色LED连接的引脚编号。
​        """
​        ​# 初始化红、绿、蓝三个PWM通道
        self.red_pwm = PWM(Pin(red_pin))
        self.green_pwm = PWM(Pin(green_pin))
        self.blue_pwm = PWM(Pin(blue_pin))

        # 设置PWM频率（典型值为1000Hz）
        self.red_pwm.freq(1000)
        self.green_pwm.freq(1000)
        self.blue_pwm.freq(1000)

    def set_color(self, red_val: int, green_val: int, blue_val: int) -> None:
        """
​        设置RGB LED的颜色。

​        Args:
​            red_val (int): 红色RGB值，取值范围为0-255。
​            green_val (int): 绿色RGB值，取值范围为0-255。
​            blue_val (int): 蓝色RGB值，取值范围为0-255。

​        Returns:
​            None
​        """
​        ​# 将8位颜色值映射到16位PWM值，并设置占空比
        self.red_pwm.duty_u16(map_to_pwm(red_val))
        self.green_pwm.duty_u16(map_to_pwm(green_val))
        self.blue_pwm.duty_u16(map_to_pwm(blue_val))

    def set_color_by_name(self, color_name: str) -> None:
        """
​        通过颜色名设置RGB LED的颜色。

​        Args:
​            color_name (str): 颜色名，比如'red', 'green', 'blue'等。

​        Returns:
​            None
​        """
​        ​# 获取颜色对应的RGB值
        # 从字典中获取指定键对应的值，如果找不到指定的键,则返回默认值 (0, 0, 0)
        color_values = COLOR_PWM_VALUES.get(color_name.lower(), (0, 0, 0))
        # 设置RGB LED的颜色
        # 使用了 Python 中的解包操作符,将元组中的三个值分别传递给
        # set_color() 方法的三个参数 red_val、green_val 和 blue_val
        self.set_color(*color_values)

# ======================================== 初始化配置 ==========================================

# 上电延时3s
time.sleep(3)
# 打印调试信息
print("FreakStudio : Use PWM to drive a RGB LED")
# 初始化RGB LED类：使用红色引脚为2，绿色引脚为3，蓝色引脚为4
rgb_led = RGBLed(red_pin=2, green_pin=3, blue_pin=4)

# ========================================  主程序  ===========================================

# 设置为一个中等红、绿色最亮、蓝色较暗的颜色
rgb_led.set_color(128, 255, 64)
# 延时3s
time.sleep(3)

# 循环控制RGB LED变换颜色
while True:
    # 设置为红色，并延时1s
    rgb_led.set_color_by_name('red')
    time.sleep(1)
    # 设置为绿色，并延时1s
    rgb_led.set_color_by_name('green')
    time.sleep(1)
    # 设置为蓝色，并延时1s
    rgb_led.set_color_by_name('blue')
    time.sleep(1)
    # 设置为黄色，并延时1s
    rgb_led.set_color_by_name('yellow')
    time.sleep(1)
    # 设置为青色，并延时1s
    rgb_led.set_color_by_name('cyan')
    time.sleep(1)
    # 设置为品红，并延时1s
    rgb_led.set_color_by_name('magenta')
    time.sleep(1)
    # 设置为白色，并延时1s
    rgb_led.set_color_by_name('white')
    time.sleep(1)
    # 设置为黑色，并延时1s
    rgb_led.set_color_by_name('black')
    time.sleep(1)

这里，我们首先定义了一个全局字典，保存了常见颜色的 RGB 值，每个颜色对应一个 RGB 元组，例如红色为 (255, 0, 0)，然后定义了一个 map_to_pwm 函数，将 RGB 值（范围 0-255）映射为 PWM 值（范围 0-65535）。

接着，我们定义了一个 RGB LED 控制类用于封装 RGB LED 的控制逻辑，在初始化方法中传入 RGB LED 连接到的红、绿、蓝三个引脚编号，分别初始化这些引脚为 PWM 输出模式并设置其 PWM 的频率为 1000Hz，定义了两个方法：

  • ​set_color_by_name()​ 方法​：通过颜色名称来设置 RGB LED 的颜色，它从全局字典 COLOR_PWM_VALUES 中查找颜色名称对应的 RGB 值，如果没有找到则默认返回 (0, 0, 0)，即关闭 LED
  • ​set_color()​ 方法​：用于设置 RGB LED 的颜色，接收三个参数（红、绿、蓝的占空比，范围为 0-255），使用 map_to_pwm() 将 RGB 值映射到 16 位 PWM 占空比，并通过 duty_u16() 方法设置各个颜色通道的 PWM 值

烧录代码，可以看到板载的 RGB LED 循环发出不同颜色的光。

ac7f0aa2-ebaf-456e-bb96-1c1efda0e5a7.png

mmexport1780889051434.gif

posted @ 2026-08-31 19:19  FreakStudio  阅读(9)  评论(0)    收藏  举报