Arduino выход 0 10в

Содержание

Аналоговые выводы

На плате UNO есть шесть выводов, которые подписаны от A0 до A5 (у других плат может быть другое число выводов). Они работают с напряжением от 0 до 5V. Благодаря встроенному АЦП (аналого-цифровой преобразователь), данные входы могут считывать напряжение подаваемое на них. Микроконтроллеры Atmega328, используемые в Arduino UNO, содержат шестиканальный АЦП, разрешение которого составляет 10 бит. Это позволяет на выходе получать значения от 0 до 1023 (всего 1024 градации).

Для чтения показания напряжения есть встроенный метод analogRead(), возвращающий значение от 0 до 1023. Значение 0 относится к 0V, а 1023 к 5V. Таким образом, если мы хотим конвертировать значение от 0 до 5, то нужно произвести деление 1023/5 = 204.6

Имеется также функция analogReference(type). Она задаёт опорное напряжение, относительно которого происходят аналоговые измерения. В проектах для новичков она не используется, поэтому не будем обращать на неё внимания.

Кроме того, аналоговые выходы могут работать как цифровые и обозначаются как 14, 15, 16, 17, 18, 19 вместо A0..A5.

И, наоборот, цифровые порты с символом тильды

(3, 5, 6, 9, 10, 11) могут работать как аналоговые выходы, используя ШИМ.

Аналоговые выводы, в отличие от цифровых, не нужно объявлять как вход или выход в начале программы.

Изучим простой пример с одним проводом и аналоговым выводом. Соединим проводом порты A0 и 3.3V. Напишем скетч.

Откройте окно Serial Monitor и наблюдайте за показаниями. Должны выводиться числа, близкие к значению 3.3: 3.1, 3.2, 3.3. Если, не закрывая программу, вытащить конец провода из порта 3.3V и вставить в порт 5V, то показания изменятся, а на экране появятся числа 5.0. Если перекинуть конец провода на GND, то увидим значения 0.

Таким образом мы видим, что можем получать значения напряжения из аналоговых портов.

Вольтметр

Если мы можем снимать значения из аналоговых портов, то можем использовать микроконтроллер как вольтметр. Достаточно вставить провода в выводы GND и A0 и соединить их с контактами на батарее (минус и плюс соответственно). Вообще такой способ не является суперточным. Хотя он и показывал правдоподобные результаты на пальчиковой батарее 1.5 В и «Кроне» на 9 В, но также показывал результаты, когда провода вообще ни к чему не были присоединены. Но для общего развития оставлю.

01.Basics | AnalogReadSerial (Чтение аналоговых выводов через потенциометр)

С помощью потенциометра мы можем менять напряжение и считывать данные с выводов.

Продолжим изучение работы с аналоговыми выводами через пример AnalogReadSerial из меню File | Examples | 01.Basics. Цель урока — плавно изменять напряжение и подавать его на аналоговый вывод, чтобы получить с него текущее значение напряжения.

Нам понадобятся плата Arduino, потенциометр и несколько проводов (или перемычек). Соединяем парные ножки с выводами на плате 5V и GND. Среднюю ножку необходимо соединить с аналоговым выводом на плате, помеченную как A0.

Не важно, какая из крайних ножек потенциометра будет подключена к 5V, а какая к GND, поменяется только направление, в котором нужно крутить ручку для изменения напряжения. Сам сигнал считывается со средней ножки, которая связана с аналоговым портом. Для считывания аналогового сигнала, принимающего широкий спектр значений, а не просто 0 или 1, подходят только порты, помеченные на плате как ANALOG IN. Они все пронумерованы с префиксом A (A0-A5).

Схема готова. Вращая регулятором потенциометра, мы можем менять сопротивление от 5 Вольт до 0. Arduino позволяет считывать текущее напряжение, которое подаётся на среднюю ножку при помощи аналогового вывода. Результаты могут колебаться от 0 до 1023.

Код очень простой. При инициализации устанавливаем нужную скорость связи: Serial.begin(9600);. Далее в цикле мы постоянно считываем данные, поступающие с потенциометра при помощи метода analogRead(). Так как значения будут находиться в диапазоне от 0 до 1023, мы можем использовать тип int для переменной sensorValue.

Полученный результат будем выводить в окно последовательного монитора.

Проверка (Serial Monitor)

Запустите программу, а также откройте окно последовательного монитора. Вращая регулятором потенциометра, вы можете наблюдать, как в окне будут меняться значения от 0 до 1023.

Пример интересен своей универсальностью. Потенциометр является ручным делителем напряжения. Существуют другие детали, которые выполняют такую же работу. Например, фоторезистор меняет напряжение в зависимости от освещённости. Также напряжение может меняться от нажатия, от температуры и т.д. При этом нам не нужно менять программу, просто одну деталь меняем на другую и код будет выполняться. Единственное различие будет в выводимых результатах — каждый делитель напряжения имеет свои характеристики и, соответственно, будет давать свои показания.

Проверка (Serial Plotter)

Начиная с версии Arduino IDE 1.6.6, в настройках появился новый инструмент Plotter (Tools | Serial Plotter), позволяющий выводить простенький график. Обратите внимание, что он не может работать одновременно с последовательным монитором, который следует закрыть.

Вращая ручку потенциометра, можем наблюдать изменение графика.

01.Basics | ReadAnalogVoltage (Напряжение аналоговых выводов через потенциометр)

Рассмотрим урок ReadAnalogVoltage из меню File | Examples | 01.Basics. Он практически идентичен примеру AnalogReadSerial, только мы будем конвертировать значения от аналогового вывода (0. 1023) в значения напряжения (0. 5). Для примера нам понадобится потенциометр. Цель урока — плавно изменять напряжение и подавать его на аналоговый вывод, чтобы получить текущее значение напряжения.

Схема прежняя, ничего не меняем. Соединяем парные ножки с выводами на плате 5V и GND. Среднюю ножку необходимо соединить с аналоговым выводом на плате, помеченную как A0.

Если сравнить два примера, то разница в одной строке float voltage = sensorValue * (5.0 / 1023.0);. В цикле считываем данные, поступающие с потенциометра при помощи метода analogRead(). Так как значения будут находиться в диапазоне от 0 до 1023, мы можем использовать тип int для переменной sensorValue. Используем элементарную математику и делим результат на коэффициент.

Полученный результат будем выводить в окно последовательного монитора.

Запустите программу, а также откройте окно последовательного монитора. Вращая регулятором потенциометра, вы можете наблюдать, как в окне будут меняться значения от 0.00 до 5.00.

Светодиод с плавной регулировкой

Усложним конструкцию, добавив светодиод. Первую часть схему можно было не трогать. Но для экономии в предыдущем примере я соединил ножку потенциометра сразу с портом GND. На этот раз сделаем соединение из двух проводов. Это необходимо, чтобы светодиод тоже мог соединиться с заземлением. Поэтому финальный макет будет следующим.

Практически все инструкции вам знакомы. Тут нужно уяснить момент, что яркость светодиода управляется нашим кодом, а не подачей напряжения через потенциометр. Мы считываем показания потенциометра, как в первом варианте и переводим получаемые значения в диапазон от 0 до 255. Затем воспроизводим старый пример с плавной регулировкой светодиода и подаём ему нужные значения. Теперь при вращении ручки потенциометра мы одновременно управляем степенью накала светодиода. Напомню, что светодиод следует подключить к портам с тильдой, например,

03.Analog: AnalogInput

Небольшая модификация примера с миганием светодиода. Частота мигания будет зависеть от показаний потенциометра. Можно использовать встроенный светодиод или установить свой. Общая схема остаётся как у первого примера.

Получая показания от потенциометра в интервале 0-1023 мы регулируем задержку между миганием светодиода в интервале от 0 до 1.023 секунд.

03.Analog: AnalogInOutSerial

Считываем данные с потенциометра и распределяем их в интервале от 0 до 255 с помощью функции map(). Данный интервал удобно использовать для выводов с PWM (ШИМ). Применим получаемые значения для управления яркостью светодиода, а также будем выводить информацию в Serial Monitor.

Запускаем скетч, крутим ручку потенциометр, наблюдаем за показаниями на экране и следим за яркостью светодиода.

03.Analog: Smoothing

Если показания аналогового датчика «прыгают», то имеет смысл вычислить среднее значение за определённый промежуток времени и результат выдавать на экран. Таким образом мы получим более плавные значения.

Для демонстрации можно использовать потенциометр, хотя он выдаёт обычно нормальные данные, но нам важно узнать принцип.

Схема обычная, берём из примеров выше.

05.Control: IfStatementConditional

В примере File | Examples | 05.Control | IfStatementConditional рассматривается случай, когда показания достигают определённой величины. При достижении заданного порога включается светодиод. Урок знакомит новичка с оператором условия if (Если).

Схема без изменений (см. рисунки выше). Среднюю ножку потенциометра соединяем с аналоговым выводом A0, остальные две ножки соединяем с питанием 5В и землёй. При желании установите внешний светодиод на цифровой вывод 13 (можно обойтись встроенным светодиодом).

Источник

Аналоговый функционал Arduino: как использовать его в своих проектах

Lee Goldberg, Electronic Products

Будь вы инженер-разработчик, или просто любитель, вы сможете понять и оценить простоту использования аналоговых входов/выходов открытой аппаратной платформы Arduino в приложениях, работающих с «реальным миром». Компактные аппаратные модули обеспечивают легкий доступ к аналоговым входам и выходам микроконтроллера, которые могут использоваться для измерения и мониторинга напряжения, чтения различных типов аналоговых датчиков и простых сигналов.

Несмотря на то, что цифро-аналоговый преобразователь микроконтроллера имеет относительно скромное разрешение и скорость преобразования, он вполне подходит для многих распространенных приложений, от управления освещением и электродвигателями, до переключения коэффициентов усиления усилителей. В статье мы рассмотрим аппаратные и программные ресурсы, которые образуют основу аналогового функционала платформы Arduino и покажем, как использовать их в своих проектах.

Если Вы еще не знакомы с Arduino, обратите внимание на ссылки в конце статьи.

В соответствии с принятой философией – сделать применение цифровых технологий в реальном мире максимально простым, – аппаратная платформа Arduino была разработана таким образом, чтобы обеспечить возможность полного использования аналоговых функций, встроенных в универсальный 8-разрядный микроконтроллер ATmega компании Atmel. Все варианты микроконтроллеров, используемых в платформе Arduino, оснащены внутренним многоканальным АЦП, который имеет 10-битное разрешение и способен производить до 15000 выборок в секунду, представляя результаты в форме целых чисел от 0 до 1023. Основной функцией аналоговых выводов микроконтроллера является чтение входных аналоговых значений, но любой из них может быть сконфигурирован как цифровая линия ввода/вывода общего назначения.

Хотя некоторые AVR микроконтроллеры оснащены цифро-аналоговыми преобразователями, в нынешнем поколении плат Arduino используются представители семейства, аналоговые сигналы на выходах которых получаются с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Коэффициент заполнения импульсов, имеющих частоту приблизительно 490 Гц, программируется на каждом выходе ШИМ, что дает возможность получать эквивалентное действующее напряжение в диапазоне от 0 В до 5 В с 8-битным разрешением (Рисунок 1). Несмотря на некоторые ограничения в своих возможностях, выходы Arduino могут быть использованы для многих задач, таких как управление светодиодами и электродвигателями.


Рисунок 1.	Широтно-импульсная модуляция позволяет превратить цифровые линии ввода/вывода общего назначения в аналоговые выходы Arduino.

Большинство плат Arduino, как «официальных», так и других изготовителей, предоставляют легкий доступ к аналоговым (и цифровым) сигналам микроконтроллера посредством разъемов по краям платы. Количество аналоговых каналов и их физическое соответствие варьируются в зависимости от конкретного используемого микроконтроллера и форм-фактора платы, но многие варианты придерживаются соглашений, принятых для официальных проектов Arduino – Arduino Uno (Рисунок 2), Mega и Nano.


Рисунок 2.	Аналоговые входы (A0 – A5) на плате Arduino Uno (rev3) и выходы ШИМ (цифровые выходы 3, 5, 6, 9, 10, 11) физически доступны через стандартные однорядные разъемы по краям платы.

Разработка программного кода для функций аналогового ввода/вывода также несложна, т.к. среда разработки Arduino IDE содержит набор соответствующих собственных команд. Эти команды позволяют считывать аналоговые значения, генерировать выходной ШИМ сигнал и конфигурировать опорное напряжения для АЦП.

Аналого-цифровое преобразование и чтение данных

Задача использования аналоговых входов платформы Arduino в реальных приложениях довольно проста, но требует определенного внимания при выборе надлежащего источника опорного напряжения для АЦП. Чтобы определить верхний предел диапазона входного напряжения АЦП, здесь можно использовать источник опорного напряжения по умолчанию (Default), внутренний (Internal) или внешний (External).

В режиме Default микроконтроллер в качестве опорного источника использует выход установленного на плате Arduino стабилизатора напряжения. В зависимости от конкретного типа платы, это либо 5 В, либо 3.3 В.

В режиме Internal используется встроенный в микроконтроллер прецизионный источник опорного напряжения. Выходное напряжение этого источника различно в различных микроконтроллерах, и как правило составляет 1.1 В (для ATmega168 и ATmega328) или 2.56 В (для ATmega8 и других из серии mega). Режим External позволяет подключить внешний источник опорного напряжения к выводу микроконтроллера AREF через резистор номиналом 5 кОм. Вывод AREF имеет внутренний защитный резистор 32 кОм, который совместно с резистором 5 кОм образует делитель напряжения. Это означает, что при напряжении 2.5 В, приложенном через резистор, на выводе AREF будет 2.5 × 32 / (32 + 5) ≈ 2.2 В.

Чтение аналоговых напряжений с помощью языка программирования Arduino заключается в выборе источника опорного напряжения с использованием команды analogReference (type) и вызова функции analogRead(pin), где

pin указывает на номер вывода разъема платы.

После назначения источника опорного напряжения он остается активным до выбора другого источника. Несмотря на то, что микроконтроллеры AVR поддерживают скорость преобразования до 15000 выборок в секунду, аппаратно-программная платформа Arduino, как правило, ограничивает это значение до 10000 выборок.

Создание аналоговых выходов ШИМ

Для генерации аналогового напряжения на одном из выводов ШИМ платы Arduino требуется конфигурирование этого вывода с помощью команды pinMode(pin, mode) и последующего вызова функции analogWrite(pin, value), где

pin – указывает номер вывода ШИМ на разъеме платы Arduino,
value – значение, задающее выходное напряжение ШИМ (8-битное число в диапазоне 0-255).

На сконфигурированном однажды выходе будет постоянно присутствовать сигнал ШИМ частотой 490 Гц с заданными параметрами до следующего вызова функции analogWrite() (или digitalRead(), или digitalWrite()) для этого же вывода микроконтроллера.

Линии ввода/вывода микроконтроллера способны отдавать в нагрузку ток до 40 мА, поэтому они пригодны для непосредственного управления небольшими массивами светодиодов. Для управления более мощными источниками света или электродвигателями аналоговый выход микроконтроллера можно соединить с мощным транзистором или мостовой схемой. В приложениях более требовательных к качеству аналогового сигнала (усилители, источники тока) могут применяться простые RC фильтры.

Дополнительные аналоговые функции

Некоторые микроконтроллеры AVR (включая ATmega8 и ATmega168) имеют аналоговый компаратор, позволяющий сравнивать входное напряжение с другим внешним напряжением, которое может поступать с выхода ШИМ или от встроенного источника опорного напряжения микроконтроллера. Выход компаратора может опрашиваться микроконтроллером, или же может инициировать прерывание. Несмотря на дополнительный программный код, работа компаратора с выработкой прерывания позволяет процессору реализовать функции определения повышенного/пониженного напряжения без постоянного чтения аналоговых данных. Эта функция может использоваться в детекторах движения с регулируемым порогом и датчиках удара в биомедицинском мониторинге.

Для плат Arduino, микроконтроллеры которых не имеют встроенного аналогового компаратора, относительно легко можно добавить внешний компаратор LM741, LM339N или TLC3704, установив его в макетной области платы. Если свободного места на вашей плате нет, можно использовать специальную плату для прототипирования (Рисунок 3).


Рисунок 3.	АналоПлата для прототипирования позволит подключать ваши собственные аналоговые (или цифровые) схемы ввода/вывода к стандартным платам Arduino.

Ссылки

Радиолоцман», 2011, 11, стр. 13, «Как создавали и продвигали Arduino».
Радиолоцман», 2011, 12, стр. 44, «Открытая платформа Arduino высвобождает творческий потенциал».
Радиолоцман», 2012, 01, стр. 34, «Открытая платформа Arduino высвобождает творческий потенциал. Arduino Shields – расширение возможностей аппаратной платформы».

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

Источник