Урок 9. Трёхцветный светодиод: смешиваем цвета

Мы научились задавать светодиоду любую яркость. Сегодня научимся задавать любой цвет. В наборе есть особенная деталь — трёхцветный светодиод, он же RGB: три кристалла в одном корпусе. Смешивая их яркости, можно получить оранжевый, бирюзовый, сиреневый, тёплый белый — вообще любой оттенок.

Урок будет с сюрпризом: этот светодиод включается наоборот. Разберёмся, почему так, и научимся делать, чтобы это не мешало.

Что такое RGB-светодиод

Название — из первых букв английских слов Red, Green, Blue: красный, зелёный, синий. Внутри общей матовой колбы спрятаны три отдельных светодиода, а наружу выходят четыре ножки.

Три ножки — это «личные» выводы кристаллов: красного, зелёного и синего. Четвёртая, самая длинная, — общая для всех троих. Порядок ножек фиксированный: R — A — G — B, если держать светодиод спилом влево (спил — тот же плоский срез на юбке, что и у обычного светодиода).

Сюрприз: общий вывод — это «плюс»

Вот главная особенность нашей детали. У обычного светодиода мы подавали на вывод платы плюс, а второй конец уводили на землю. Здесь наоборот: общая ножка идёт на 5 вольт, а выводы платы работают «минусами».

Такой светодиод называют с общим анодом (анод — это как раз «плюс»). Ток течёт от 5 вольт через кристалл к выводу платы — а значит, кристалл зажжётся только тогда, когда на выводе платы будет ноль. Логика перевёрнута:

• digitalWrite(RED, LOW) — красный горит;
• digitalWrite(RED, HIGH) — красный погашен;
• analogWrite(RED, 0) — полная яркость, а 255 — темнота.

Это сбивает с толку, и на этом спотыкаются очень многие. Но у нас есть отличное средство — своя функция из седьмого урока. Мы спрячем переворот внутрь неё и снаружи будем писать привычно. Сначала соберём схему.

Собираем схему

Расстояние между ножками светодиода совпадает с шагом отверстий макетки, поэтому все четыре встают в соседние столбики сами. Если ножки погнуты — аккуратно выпрямите их пальцами, чтобы они не касались друг друга.

Шаг 1. Первое включение — и первое удивление

const int RED = 11;
const int GREEN = 10;
const int BLUE = 9;

void setup() {
  pinMode(RED, OUTPUT);
  pinMode(GREEN, OUTPUT);
  pinMode(BLUE, OUTPUT);
}

void loop() {
  // LOW зажигает цвет, HIGH — гасит: общий вывод сидит на 5 вольтах,
  // и ток течёт, только когда на выводе платы ноль.
  digitalWrite(RED, LOW);      // красный горит
  digitalWrite(GREEN, HIGH);   // зелёный погашен
  digitalWrite(BLUE, HIGH);    // синий погашен
}

Прошейте. Горит красный — хотя мы написали LOW, то есть «выключить». А два других цвета, которым мы написали HIGH, погашены. Всё правильно: так и работает общий анод.

Поменяйте местами LOW и HIGH в строках зелёного и синего — увидите, как загораются они. Поиграйте пару минут: включите два цвета сразу и посмотрите, что получится. Уже на этом этапе можно поймать жёлтый и голубой.

Шаг 2. Прячем путаницу в функцию

Держать в голове перевёрнутую логику — верный способ ошибиться. Поступим как взрослые программисты: напишем функцию setColor, которая принимает цвет привычным образом (0 — нет цвета, 255 — на полную), а внутри сама делает переворот:

const int RED = 11;
const int GREEN = 10;
const int BLUE = 9;

// Снаружи всё привычно: 0 — цвета нет, 255 — цвет на полную.
// Переворот прячем внутри функции.
void setColor(int r, int g, int b) {
  analogWrite(RED, 255 - r);
  analogWrite(GREEN, 255 - g);
  analogWrite(BLUE, 255 - b);
}

void setup() {
  pinMode(RED, OUTPUT);
  pinMode(GREEN, OUTPUT);
  pinMode(BLUE, OUTPUT);
}

void loop() {
  setColor(255, 0, 0);   // чистый красный
}

Ключевая строка — analogWrite(RED, 255 - r). Если снаружи попросили r = 255 (полный красный), внутрь уйдёт 255 - 255 = 0 — а ноль для нашего светодиода означает «полная яркость». Если попросили r = 0, внутрь уйдёт 255 — «выключено». Переворот случается ровно в одном месте программы, и дальше о нём можно забыть.

Шаг 3. Смешиваем цвета

Теперь самое интересное. Свет смешивается не так, как краски: если в красках жёлтый плюс синий дают зелёный, то у света всё иначе.

Проверим таблицу вживую — программа переберёт семь состояний:

const int RED = 11;
const int GREEN = 10;
const int BLUE = 9;

void setColor(int r, int g, int b) {
  analogWrite(RED, 255 - r);
  analogWrite(GREEN, 255 - g);
  analogWrite(BLUE, 255 - b);
}

void setup() {
  pinMode(RED, OUTPUT);
  pinMode(GREEN, OUTPUT);
  pinMode(BLUE, OUTPUT);
}

void loop() {
  setColor(255,   0,   0);  delay(800);   // красный
  setColor(  0, 255,   0);  delay(800);   // зелёный
  setColor(  0,   0, 255);  delay(800);   // синий

  setColor(255, 255,   0);  delay(800);   // красный + зелёный = жёлтый
  setColor(  0, 255, 255);  delay(800);   // зелёный + синий = голубой
  setColor(255,   0, 255);  delay(800);   // красный + синий = сиреневый

  setColor(255, 255, 255);  delay(800);   // все три вместе = белый
  setColor(  0,   0,   0);  delay(800);   // всё выключено
}

Прошейте и понаблюдайте. Жёлтый может выйти чуть зеленоватым, а белый — голубоватым: это нормально, кристаллы у дешёвых светодиодов светят с разной силой. Ниже мы это подправим.

Шаг 4. Оттенки, а не только чистые цвета

Настоящая сила RGB — в промежуточных значениях. Уменьшая одну составляющую, получаем десятки оттенков:

const int RED = 11;
const int GREEN = 10;
const int BLUE = 9;

void setColor(int r, int g, int b) {
  analogWrite(RED, 255 - r);
  analogWrite(GREEN, 255 - g);
  analogWrite(BLUE, 255 - b);
}

void setup() {
  pinMode(RED, OUTPUT);
  pinMode(GREEN, OUTPUT);
  pinMode(BLUE, OUTPUT);
}

void loop() {
  setColor(255, 120,   0);  delay(1200);   // оранжевый
  setColor(255,  60,  60);  delay(1200);   // розовый
  setColor(120,   0, 255);  delay(1200);   // фиолетовый
  setColor(255, 160,  60);  delay(1200);   // тёплый белый, как лампа накаливания
  setColor(  0, 100,  40);  delay(1200);   // приглушённый зелёный
}

Обратите внимание на оранжевый: setColor(255, 120, 0). Это красный, к которому добавили меньше половины зелёного. Добавьте больше — получите жёлтый, меньше — красно-оранжевый. Именно так подбирают любой цвет: крутим три числа и смотрим.

Шаг 5. Плавный перелив

Сложим всё выученное: цикл из шестого урока, плавность из восьмого и смешивание из сегодняшнего. Получится бесконечный перелив цветов:

const int RED = 11;
const int GREEN = 10;
const int BLUE = 9;

void setColor(int r, int g, int b) {
  analogWrite(RED, 255 - r);
  analogWrite(GREEN, 255 - g);
  analogWrite(BLUE, 255 - b);
}

void setup() {
  pinMode(RED, OUTPUT);
  pinMode(GREEN, OUTPUT);
  pinMode(BLUE, OUTPUT);
}

void loop() {
  // Красный медленно уступает место зелёному.
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    setColor(255 - i, i, 0);
    delay(10);
  }

  // Зелёный — синему.
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    setColor(0, 255 - i, i);
    delay(10);
  }

  // Синий — снова красному.
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    setColor(i, 0, 255 - i);
    delay(10);
  }
}

Присмотритесь к первому циклу: пока i растёт от 0 до 255, красный уменьшается (255 - i), а зелёный ровно настолько же увеличивается (i). В сумме яркость остаётся примерно постоянной, а цвет плавно перетекает из красного через оранжевый и жёлтый в зелёный. Три таких цикла — и мы обошли всю радугу.

Не работает? Разбираемся

• Светодиод горит белым и не слушается. Похоже, общий вывод попал не на 5 В, а на землю: цвета «включаются» постоянно. Проверьте красный провод — он должен идти именно в гнездо 5V.
• Работают не все цвета. Убедитесь, что ножки не перепутаны: порядок R — A — G — B от спила, а самая длинная — вторая по счёту. Если светодиод вставлен задом наперёд, «красным» окажется синий.
• Цвета включаются, но оттенки не смешиваются. Проверьте выводы: нужны именно 11, 10 и 9 — с волнистой чертой. На обычном выводе будет только «включено или выключено».
• Один цвет заметно ярче остальных. Это особенность детали, а не ошибка. Уменьшите его в функции: например, замените analogWrite(GREEN, 255 - g) на analogWrite(GREEN, 255 - g * 0.7) — и белый станет ровнее.
• Ничего не светится. Проверьте, не перепутали ли вы, что общий вывод идёт без резистора, а каждый цветной — через резистор. И не забыт ли провод на 5 В.

Задания для тренировки

• РазминкаПодберите цвет своего настроения: покрутите три числа в setColor, пока не получите оттенок, который вам нравится, и запишите его.
• ПосложнееСделайте «индикатор температуры»: пусть светодиод плавно переходит от синего (холодно) через зелёный к красному (жарко) — и обратно. Пока без датчика, просто по времени.
• Со звёздочкой ⭐Соберите лампу настроения: пусть светодиод сам выбирает случайный цвет и плавно к нему переходит — без скачков. Разбор ниже.

const int RED = 11;
const int GREEN = 10;
const int BLUE = 9;

// Текущий цвет лампы.
int r = 0;
int g = 0;
int b = 0;

void setColor(int red, int green, int blue) {
  analogWrite(RED, 255 - red);
  analogWrite(GREEN, 255 - green);
  analogWrite(BLUE, 255 - blue);
}

// Плавно доводит текущий цвет до заданного за 255 маленьких шагов.
void fadeTo(int targetR, int targetG, int targetB) {
  for (int step = 0; step <= 255; step++) {
    // На каждом шаге берём промежуточное значение между текущим и нужным.
    int nowR = r + (targetR - r) * step / 255;
    int nowG = g + (targetG - g) * step / 255;
    int nowB = b + (targetB - b) * step / 255;
    setColor(nowR, nowG, nowB);
    delay(8);
  }
  r = targetR;
  g = targetG;
  b = targetB;
}

void setup() {
  pinMode(RED, OUTPUT);
  pinMode(GREEN, OUTPUT);
  pinMode(BLUE, OUTPUT);
}

void loop() {
  // Каждый раз — новый случайный цвет, и переход к нему занимает две секунды.
  fadeTo(random(0, 256), random(0, 256), random(0, 256));
  delay(500);
}

Что мы узнали

• RGB-светодиод — три кристалла в одном корпусе; ножки идут в порядке R — A — G — B, самая длинная — общая.
• В нашем наборе светодиод с общим анодом: общий вывод на 5 В, а цвет зажигается низким сигналом. Логика перевёрнута.
• Неудобство железа прячут внутрь своей функции — снаружи остаётся понятная команда setColor(r, g, b).
• Свет смешивается сложением: красный + зелёный = жёлтый, все три = белый.
• Любой оттенок — это три числа от 0 до 255, те же самые, что используются в графических редакторах.

На этом блок «Управляем светом» закончен: вы умеете включать, гасить, регулировать яркость и получать любой цвет. Дальше плата научится слушать: в следующем блоке появится кнопка, и устройства станут отвечать на ваши действия.

Частые вопросы

← Все уроки курса