第3 单元
智 能 家 电
第9 课　呼吸灯
第10 课　可调速风扇
第11 课　雨刮器
第12 课　超声波音乐
第9 课
呼吸灯
1 学习任务
（1）了解模拟信号输出的工作原理。
（2）应用模拟信号输出制作一个呼吸灯效果。
2 场景故事
呼吸灯，顾名思义是指灯光按照编写好的程序有规律地慢慢变亮，再慢慢变暗，就
像人的呼吸一样。现在这种技术已经被广泛应用于智能手机的消息提醒上。
那么，呼吸灯和第6 课制作的红绿灯工作原理一样吗？现在跟着老师一起来一探究
竟吧！
第 3 单元 智能家电 51
3 知识技能
1）模拟信号输出
在第8 课中，我们学习了通过数字信号控制LED 的亮或灭，声音模拟信号的输入，
用传感器采集语音的音量，并根据音量的值进行相应的操作。
在家庭中有些台灯，当我们的手一直按住开关时，台灯的灯光会慢慢地变亮或者慢
慢变暗，这与我们之前学的LED 只有亮或灭不一样，这种可连续变化亮度值的信号输出，
我们称为模拟信号输出。
模拟信号和数字信号可以实现相互转换。micro:bit 主控板的ADC 接口（引脚）就可
以用于模拟量到数字量的转换，其引脚如图9-1 所示。
图　9-1
从图9-1 可以看出，在micro:bit 主控板的引脚中，有些引脚既可以用作模拟输入
（ANALOG IN），也可以用作数字输出（DIGITAL）。详细的引脚说明参考附录B，这里不
再赘述。
52 小学生人工智能——开源硬件micro:bit（上册）
2）元器件模块
本节课使用的元器件模块如表9-1 所示。
表　9-1
元器件模块功 能 说 明
LED 模块：输出模块
功能说明：模拟信号输出。当数值为0 时，灯不亮；当数值为1023 时，
灯最亮
电压：3~5 伏
3）元器件接线
将LED 通过I/O 扩展板接micro:bit 主控板的P1 引脚，如图9-2 所示。
图　9-2
4）积木功能模块说明
积木功能模块说明如表9-2 所示。
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表　9-2
积 木 指 令功 能 说 明
模块类别：“变量”模块
功能说明：设置一个名为“亮度”的变量，用来控制LED 亮度值
模块类别：“引脚”模块
功能说明：指定某个引脚写入模拟数值
模块类别：“循环”模块
功能说明：计数循环，指定循环次数
接下来，我们利用模拟信号输出设计一个呼吸灯。
4 程序设计
1）问题描述
LED 呼吸灯效果：灯一开始从暗慢慢变亮，接着又从亮慢慢变暗，如此不断重复，
模拟人呼吸的效果。
2）程序流程图
根据问题描述和模拟信号输出的原理，要实现呼吸灯的效果，关键是控制LED 的亮
度值变化。已知模拟值变化是从0~1023，因此，只要将LED 亮度值根据不同的变化写出
程序，就可以实现呼吸灯的效果。
由暗到亮，亮度值由0~1023 逐渐递增的变化过程。
由亮到暗，亮度值由1023~0 逐渐递减的变化过程。
根据上面的描述，设计程序流程图如图9-3 所示。
54 小学生人工智能——开源硬件micro:bit（上册）
图　9-3
3）程序设计
（1）程序初始化
程序开始时，先初始化程序，设置P1 引脚为0，初始化“亮度”变量为0，如图9-4
所示。
图　9-4
（2）主程序
为了使LED 能有“呼吸”的效果，用计数循环语句，设置循环次数为100，亮度从
0 开始，亮度值每次增加10，中间间隔10 毫秒，这样就完成一次“呼”的过程。同理，
亮度从1023 开始将亮度值每次减少10，中间间隔10 毫秒，完成一次“吸”的过程，程
序如图9-5 所示。
第 3 单元 智能家电 55
图　9-5
5 本课小结
在本节课中，我们主要了解了micro:bit 主控板模拟信号输出的相关知识，结合模拟
输出完成了一个呼吸灯的项目。
6 课后拓展
根据呼吸灯的原理，设计一个三挡调光灯。具体任务如下。
（1）第一次按下按钮A，灯亮度设为300（第一挡）。
（2）第二次按下按钮A，灯亮度设为600（第二挡）。
（3）第三次按下按钮A，灯亮度设为1023（第三挡）。
（4）第四次按下按钮A，灯亮度设为0（关闭）。
第10 课
可调速风扇
1 学习任务
（1）认识旋转电位器与直流电动机。
（2）了解映射的概念和映射的基本用法。
（3）利用旋转电位器模拟一台可调节风速的风扇。
2 故事场景
市场上的电风扇形态各异，但都是由扇头、叶片、网罩、电动机和控制装置等部件
组成的。其中，电动机是电风扇的核心部件。正是有了它，电风扇才能将电能转化为机
械能，进而使周围空气流动带来凉风。不同电风扇的工作原理也存在差异，本节课我们
就利用旋转电位器和直流电动机设计一个可调速风扇。
第 3 单元 智能家电 57
3 知识技能
1）电位器
电位器是一种电阻可调节的电子元器件（又称为可变电阻器），它可以用来调节电压
和电流的大小。电位器通常由一个电阻和一个转动或滑动系统组成，即靠一个动触点在
电阻体上移动，从而获得部分电压输出。对于旋转电位器，我们通过手动调节转轴，改
变动触点在电阻体上的位置，就可以改变动触点与任意一个固定端之间的电阻值，从而
改变电压与电流的大小。
旋转电位器的实物图与内部结构如图10-1 所示。
图　10-1
旋转电位器主要由马鞍形电阻体、滑动臂、滑动端（也称动触头或电刷）、转轴与焊
片组成。电位器在电路中可以应用于音量调节及各种调速、调压电器等。
同学们能指出在图10-1 中实物电位器上各个部件的名称及对应的位置吗？
2）电动机
电动机又称为马达，主要用于为各种电器提供动力。电动机用途非常广泛，生活中
常见的电风扇、电动车、洗衣机、升降台、电梯等都离不开电动机。
电动机按功能可分为直流电动机、伺服电动机、步进电动机，表10-1 是它们的特点
和示例图。
58 小学生人工智能——开源硬件micro:bit（上册）
表　10-1
电动机类别特　　点示　例　图
直流电动机
直流电动机是快速连续旋转的电动机，主要用于需要高速
（RPM）旋转的物体。
适用于小车车轮、电风扇、吸尘器、洗衣机等。
直流电动机只要接上电源线和地线就开始运转，直到断开
电源
伺服电动机
伺服电动机是在有限的角度下输出高扭矩，快速、准确旋转
的伺服电动机主要用于需要精准地确定电动机位置的场景。
适用于机械臂、机器人关节、方向舵控制等。
伺服电动机有三根电线（电源、GND 和控制线）
步进电动机
步进电动机速度慢，容易设置，能精确旋转和控制。在精确
位置控制方面优于伺服电动机等其他电动机。
适用于3D 打印机、数控机床、精密制造等领域。
步进电动机通常有4 或8 根引线
3）元器件模块
本课使用的元器件模块如表10-2 所示。
表　10-2
元器件模块功 能 说 明
电位器模块：输入模块
需求电压：3~5 伏
端口：模拟输入
旋转角度：0~270 度
电动机模块：输出模块
功能说明：采用的是直流电动机模式，只要通电，电动机就会
转动
电压：5 伏
4）元器件接线
将电位器通过I/O 扩展板连接到micro:bit 主控板的P2 引脚，将风扇连接到micro:bit