Điều chỉnh độ sáng LED bằng PWM
vẫn chỉ bật và tắt, nhưng nhanh đến mức mắt bị đánh lừa

Hãy mở đầu bằng một câu hỏi có vẻ vô lí. Chân GPIO chỉ xuất ra được 0 V hoặc 3,3 V, không có gì ở giữa. Vậy mà đèn bàn có núm vặn sáng tối, màn hình điện thoại chỉnh được độ sáng, quạt có ba số. Người ta làm thế nào?

Sau bài này học sinh làm được

• Giải thích được nguyên lí điều chế độ rộng xung bằng lời của mình.
• Tính công suất trung bình từ tỉ lệ thời gian bật trong một chu kì.
• Dùng PWM và duty() để đặt độ sáng theo phần trăm.
• Đổi qua lại giữa phần trăm và thang 0–1023 của phần cứng.
• Nhận ra mắt người cảm nhận độ sáng không tuyến tính.

Mẹo nằm ở tốc độ

Chân GPIO chỉ bật hoặc tắt. Nhưng bật tắt một nghìn lần mỗi giây thì mắt người không kịp thấy từng lần, chỉ thấy giá trị trung bình. Bật 3 phần tắt 7 phần → trung bình 30% của 3,3 V → đèn trông như sáng 30%.

Tỉ lệ thời gian bật trong mỗi chu kì gọi là duty — con số duy nhất ta cần điều khiển.

Hai thang đo, một phép quy đổi

Phần cứng nhận duty theo thang nguyên 0–1023, không nhận phần trăm:

led.duty(DO_SANG * 1023 // 100)

// là chia lấy phần nguyên. Đây là ánh xạ tuyến tính giữa hai thang đo, đúng dạng học sinh gặp khi đổi thang nhiệt độ hay đổi đơn vị.

Mắt người không tuyến tính

Đặt duty 50% rồi 100%, học sinh sẽ nói đèn "chỉ sáng hơn một chút" chứ không gấp đôi. Không phải lỗi chương trình: cảm nhận độ sáng gần hàm luỹ thừa hơn hàm bậc nhất, nên từ 5% lên 20% thấy rõ hơn hẳn từ 80% lên 100%.

Không phải lắp gì mới

Mạch của bài này giống hệt Bài 1. Nếu bo còn nguyên mạch cũ thì vào thẳng phần chương trình. Đây là chỗ đáng nói với học sinh: cùng một mạch, đổi chương trình là đổi hẳn hành vi.

1. GPIO23 → điện trở 220 Ω → chân dài LED.
2. Chân ngắn LED → GND.

Toàn bộ mã trong bài chạy trên MicroPython 1.28 cho ESP32. Chép vào bo rồi đổi tên thành main.py là chạy mỗi lần cấp nguồn.

Bước 0 — tự tay làm ra PWM

# ------------------------------------------------------------
#  Bai 8 - Buoc 0: tu tay lam ra PWM de nhin thay ban chat
#  Bat 1ms, tat 9ms  ->  chi sang 10% thoi gian  ->  mat thay den mo
# ------------------------------------------------------------
from machine import Pin
import time

led = Pin(23, Pin.OUT)

while True:
    led.on()
    time.sleep_ms(1)      # sang 1 phan
    led.off()
    time.sleep_ms(9)      # tat 9 phan

Chương trình này không dùng PWM gì cả, chỉ bật tắt bằng tay theo tỉ lệ 1 phần bật, 9 phần tắt. Nhưng đèn trông y hệt như đang sáng 10%. Cho học sinh chạy bước này trước, rồi đổi hai con số thành 5 và 5 để thấy đèn sáng lên rõ rệt. Sau khi đã tự làm ra hiệu ứng, khái niệm PWM không còn trừu tượng nữa.

Chương trình chính — dùng PWM có sẵn của chip

# ------------------------------------------------------------
#  Bai 8 - Dieu chinh do sang LED bang PWM
#  Phan cung: GPIO23 -> dien tro 220 ohm -> chan dai LED -> GND
# ------------------------------------------------------------
from machine import Pin, PWM
import time

# ===== CẤU HÌNH =====
CHAN_LED = 23             # LED cam o GPIO23
TAN_SO = 1000             # Hz - so nhip bat tat moi giay
DO_SANG = 30              # % - muc sang muon dat
# ====================

led = PWM(Pin(CHAN_LED), freq=TAN_SO)

# duty cua ESP32 chay tu 0 den 1023, doi tu phan tram sang
led.duty(DO_SANG * 1023 // 100)

while True:
    time.sleep_ms(500)

Bản này nhường việc bật tắt cho phần cứng chuyên dụng bên trong ESP32. Chương trình chỉ nói "duty bằng bao nhiêu" rồi rảnh tay — vòng lặp chẳng làm gì cả, mà đèn vẫn sáng đúng mức. Đó là khác biệt lớn so với Bước 0, nơi bộ xử lí phải ngồi bật tắt suốt.

Biến thể — đèn "thở"

# Bien the: den "tho" - sang dan roi toi dan
from machine import Pin, PWM
import time

led = PWM(Pin(23), freq=1000)

while True:
    for phan_tram in range(0, 101):        # 0 -> 100
        led.duty(phan_tram * 1023 // 100)
        time.sleep_ms(20)

    for phan_tram in range(100, -1, -1):   # 100 -> 0
        led.duty(phan_tram * 1023 // 100)
        time.sleep_ms(20)

Hai vòng for chạy duty từ 0 lên 100 rồi từ 100 về 0. Hiệu ứng này quen thuộc trên đèn báo nguồn của máy tính xách tay, và học sinh rất thích. Nó cũng là ví dụ đầu tiên trong lộ trình về việc dùng biến chạy trong vòng lặp để tạo ra một quá trình liên tục.

Thử thay đổi bài này với AI

Em mô tả bằng tiếng Việt, hệ thống dựng thuật toán và chương trình, rồi nạp thẳng xuống ESP32 qua Wi-Fi.

Bảng đo bằng mắt

Cho học sinh đặt lần lượt các mức duty rồi tự chấm độ sáng cảm nhận theo thang 0–10, sau đó vẽ đồ thị. Đường thu được sẽ cong chứ không thẳng.

Nhìn thấy nhịp bật tắt bằng điện thoại

Hạ TAN_SO xuống 5 Hz: mắt thường sẽ thấy đèn nháy chứ không còn thấy độ sáng. Nâng lại lên 50 Hz thì đèn liền lại. Nếu điện thoại có chế độ quay chậm 240 hình/giây, quay ở tần số 100 Hz sẽ thấy rõ đèn thực sự đang nhấp nháy.

Danh sách kiểm trước khi coi là xong

• Bước 0 làm đèn sáng mờ mà không dùng lệnh PWM nào.
• Đổi DO_SANG từ 10 lên 90 thì đèn sáng hơn rõ rệt.
• Học sinh tính đúng giá trị gửi phần cứng cho một mức phần trăm bất kì.
• Hạ tần số xuống 5 Hz thì mắt thấy nháy, học sinh giải thích được vì sao.
• Bản "thở" chạy mượt, không giật cục.

Vật lí — giá trị trung bình của đại lượng tuần hoàn

Đây là một trong số ít chỗ học sinh phổ thông nhìn thấy được khái niệm giá trị trung bình của một đại lượng biến thiên. Điện áp trên đèn nhảy giữa 0 và 3,3 V một nghìn lần mỗi giây, nhưng thứ mắt cảm nhận là trung bình của nó. Từ đây mở sang giá trị hiệu dụng của dòng xoay chiều rất thuận.

Toán — ánh xạ giữa hai thang đo

Phần trăm 0–100 và duty 0–1023 là hai thang đo cùng mô tả một đại lượng. Bài toán đổi qua lại là ánh xạ tuyến tính, và học sinh sẽ gặp lại nguyên dạng ở Bài 8 khi đổi số đọc ADC 0–4095 sang điện áp 0–3,3 V.