АЦП (Аналого-цифровой преобразователь) на Arduino
Описан процесс измерения напряжения с помощью Arduino, а точнее с использованием аналого-цифровой преобразователя (АЦП), доступного на плате Arduino
АЦП Arduino UNO имеет разрешение 10 бит, т.е. позволяет выводить значения в десятичном виде от 0 до 1023.
В относительных единицах деление шклалы 5/1024 = 4.9 мВ;
Описание здесь http://arduino.ru/Reference/Analogreference
analogRead(pin) — Функция считывает значение с указанного аналогового входа. Возвращает: int (0 to 1023).
Считывание значение с аналогового входа занимает примерно 100 микросекунд (0.0001 сек), т.е. максимальная частота считывания приблизительно 10,000 раз в секунду.
analogReference(type) — определяет опорное напряжение относительно которого происходят аналоговые измерения. Type принимает одно из следующих значений:
DEFAULT: стандартное опорное напряжение 5 В (на платформах с напряжением питания 5 В) или 3.3 В (на платформах с напряжением питания 3.3 В).
INTERNAL: встроенное опорное напряжение 1.1 В на микроконтроллерах ATmega168 и ATmega328, и 2.56 В на ATmega8.
EXTERNAL: внешний источник опорного напряжения, подключенный к выводу AREF (рекомендуется подключать к выводу AREF через резистор 5 кОм).
Примеч.: Опорное напряжение можно установить, используя функцию analogReference или при помощи битов REFT[1:0] в регистре ADMUX.
Используйте внутреннее опорное напряжение 1.1 В для точных измерений внешних напряжений:
analogReference(INTERNAL1V1); // выбираем внутреннее опорное напряжение 1.1В
Опорное напряжение 1.1 В более стабильно и не зависит от изменения напряжения питания или температуры. Таким образом, можно производить измерения абсолютных значений. В Arduino Mega также возможен вариант опорного напряжения 2.56 В.
Режимы работы
1) Разовая выборка — это на самом деле то, что Arduino делает при вызове функции analogRead.
Из-за шумов 2 младших бита обычно отбрасывают:
int val = analogRead(A0)>>2;
— в итоге получаем значения от 0 до 255, т.е. точность 5/255=19.6мВ.
2) Непрерывная выборка:
Хорошей идеей при непрерывной выборке сигнала является использование прерываний.
Микроконтроллеры ATMega328 и ATMega2560 могут быть переведены в режим непрерывной выборки (free running mode). В этом режиме АЦП запускается автоматически после завершения предыдущей обработки.
Для включения режима непрерывной выборки необходимо установить три регистра: ADMUX, ADCSRA и ADCSRB.
Ацп arduino как работает
Как обычно, вся теория рассказана в видео.
Практика
Теперь напишем этот же пример на языке Си. Начнём с настойки мультиплексора — регистр ADMUX. Я люблю при первичной инициализации указывать все биты регистра. Биты MUXx используются для выбора входа. Помимо аналоговых входов вход АЦП может быть подключён к питанию МК, к «земле» или к встроенному аналоговому термометру. Я не рекомендую использовать этот термометр ввиду низкой точности показаний. Биты REFS1 и REFS0 устанавливают источник опорного напряжения — эталон для измерения. Можно выбрать как внутренний источник напряжения 2,56 В, так и внешний (вход AREF) или использовать в качестве эталона напряжение питания. Бит ADLAR определяет выравнивание: 1 — слева, 0 — справа.
Далее следует регистр ADCSRA — регистр управления и состояния. Биты ADPS2, ADPS1, ADPS0 отвечают за настройку тактовой частоты АЦП. Производитель рекомендует выбирать тактовую частоту в диапазоне 50..200 кГц. Биты ADIE и ADIF отвечают за прерывание по окончании измерения: разрешение и флаг прерывания соответственно. Следующий бит — ADATE устанавливает режим работы: 0 — преобразование запускается по команде, 1 — режим определяется битами ADTS2, ADTS1, ADTS0 регистра ADCSR1B. Бит ADSC — команда запуска преобразования. И последний бит — ADEN попросту включает или выключает АЦП.
В конечном итоге инициализация выглядит так:
Этот код нужно добавить в проект, который был создан в предыдущих статьях.
Теперь переходим к измерению. Алгоритм следующий — записываем бит ADSC, ожидаем поднятия флага ADFR, считываем результат и отправляем в порт.
Конструкция while была рассмотрена во втором уроке цикла. Символ ! (восклицательный знак) обозначает отрицание. То есть, конструкция while(!(ADCSRA & (1
Использование аналого-цифрового преобразования (АЦП) в Arduino Uno
В этой статье мы рассмотрим различные аспекты использования аналого-цифрового преобразования (АЦП, в англ. ADC — Analog to Digital Conversion) в Arduino Uno.
Плата Arduino имеет 6 каналов АЦП, как показано на следующем рисунке.
Любые из этих каналов (или даже все сразу) можно использовать для подачи на них аналогового напряжения. АЦП в Arduino Uno имеет разрешение 10 бит, то есть получаем диапазон целых чисел, соответствующих этому разрешению, от 0 до 2^10-1 (до 1023). Это означает, что значение входного аналогового напряжения от 0 до 5 В преобразуется в целое число от 0 до 1023. То есть получаем шаг АЦП равный 5/1024= 4.9 мВ.
В нашем проекте мы будем подключать потенциометр к каналу ‘A0’, а результат аналого-цифрового преобразования на этом канале показывать на жидкокристаллическом (ЖК) дисплее. В радиолюбительской практике наиболее распространены жидкокристаллические (ЖК) дисплеи 16×1 и 16×2. ЖК дисплей 16×1 может отображать 16 символов, расположенных на одной строке. ЖК дисплей 16×2 может в сумме отображать 32 символа на двух строках – 16 символов на первой строке и 16 символов на второй. Здесь необходимо принимать во внимание тот факт, что каждый символ в подобных дисплеях состоит из 5×10=50 пикселов (точек). То есть чтобы отобразить 1 символ все эти 50 пикселов должны работать вместе. Но мы можем об этом не беспокоиться, потому что за их совместную работу отвечает контроллер HD44780 – его визуально можно увидеть на обратной стороне ЖК дисплея.
Необходимые компоненты
Плата Arduino UNO
Источник питаний 5 В
ЖК дисплей 16х2 (JHD_162ALCD)
Конденсатор 100 пФ
Конденсатор 100 нФ
Потенциометр 100 кОм
Работа схемы
Схема устройства представлена на следующем рисунке.
В ЖК дисплее 16×2 если мы хотим задействовать черный цвет, то нам будут нужны все его 16 контактов, в противном случае нам будет достаточно 14 контактов. Эти 2 контакта, отвечающие за черный цвет, можно оставить неиспользованными. Среди оставшихся 14 контактов мы имеем 8 контактов данных (7-14 или D0-D7), 2 контакта для подачи питания (1&2 или VSS&VDD или GND&+5v), 3-й контакт для управления контрастностью (определяет насколько «жирными» будут выглядеть символы на экране дисплея) и 3 управляющих контакта (RS&RW&E).
На представленной схеме можно увидеть, что мы использовали только 2 управляющих контакта – это обеспечивает гибкость в управлении. Бит контраста и READ/WRITE используются редко, поэтому в нашем случае их можно замкнуть на землю – это обеспечивает ЖК дисплею максимальную контрастность и режим чтения. Таким образом, нам необходимо будет контролировать только контакты ENABLE и RS чтобы передавать на ЖК дисплей символы и данные.
В схеме необходимо будет сделать следующие соединения с ЖК дисплеем:
PIN1 или VSS на землю
PIN2 или VDD или VCC к источнику питания +5В
PIN3 или VEE на землю (обеспечивает максимальную контрастность – хорошо для начинающих)
PIN4 или RS (Register Selection) к контакту PIN0 ARDUINO UNO
PIN5 или RW (Read/Write) на землю (переводит ЖК дисплей в режим чтения, что упрощает взаимодействие с ним для начинающих)
PIN6 или E (Enable) к контакту PIN1 of ARDUINO UNO
PIN11 или D4 к контакту PIN8 of ARDUINO UNO
PIN12 или D5 к контакту PIN9 of ARDUINO UNO
PIN13 или D6 к контакту PIN10 of ARDUINO UNO
PIN14 или D7 к контакту PIN11 of ARDUINO UNO
Программная среда ARDUINO IDE позволяет пользователю использовать ЖК дисплей в 4-битном режиме. Этот тип взаимодействия с ЖК дисплеем позволяет сократить использование контактов ARDUINO, к тому же этот режим взаимодействия (4-битный) по умолчанию заложен в ARDUINO. На представленной схеме мы использовали 4-битный режим взаимодействия (контакты D4-D7).
То есть в сумме мы подсоединили 6 контактов ЖК дисплея к нашей плате Arduino, из которых 4 контакта будут использоваться для передачи данных и 2 контакта для целей управления.
Объяснение работы программы
Для того, чтобы полноценно использовать АЦП в Arduino Uno, необходимо сделать следующие вещи:
analogRead(pin);
analogReference();
analogReadResolution(bits);
Прежде всего необходимо отметить что каналы АЦП Arduino Uno имеют по умолчанию опорное значение 5 В (опорное напряжение). Это означает, что максимальное входное значение напряжения для каждого канала АЦП Arduino составляет 5 В. Но некоторые датчики имеют выходное напряжение в диапазоне 0-2,5 В, поэтому если мы будем использовать опорное напряжение по умолчанию (5 В), то мы потеряем в точности измерений. В связи с этим полезно иметь возможность изменения значения опорного напряжения, для Arduino Uno это делается с помощью команды “ analogReference(); ”.
По умолчанию мы имеем разрешающую способность АЦП, равную 10 бит, разрешение АЦП мы также можем изменить используя команду “ analogReadResolution(bits); ”. Это может быть полезно в ряде случаев.
Теперь, если все установки параметров работы АЦП нами сделаны, мы можем считать значение АЦП с канала ‘0’ просто используя инструкцию “analogRead(pin);”, где “pin” означает контакт (вывод), на который мы подаем аналоговый сигнал, в нашем случае это будет контакт “A0”. Значение с выхода АЦП может быть преобразовано в число типа integer, например, с помощью инструкции “ int ADCVALUE = analogRead(A0); ”, в результате выполнения этой инструкции значение с используемого канала АЦП после проведения преобразования (то есть АЦП) сохраняется в переменной целого типа (integer) под названием “ADCVALUE”.
Теперь несколько слов о работе с ЖК дисплеем 16×2. Сначала мы должны подключить необходимый заголовочный файл с помощью команды ‘ #include
’, этот заголовочный файл содержит все необходимые функции для работы с ЖК дисплеем. По умолчанию функционал этого файла настроен для работы с ЖК дисплеем в 4-битном режиме. С помощью этого заголовочного файла нам не нужно будет заботиться о том, чтобы передавать данные в ЖК дисплей бит за битом и писать какие либо собственные функции для работы с ЖК дисплеем.
Далее мы должны указать какой именно тип ЖК дисплея мы будем использовать. Существуют различные типы ЖК дисплеев, например, 20×4, 16×2, 16×1 и т.д. Мы в нашем проекте будем использовать ЖК дисплей 16×2, поэтому мы должны будем записать команду ‘ lcd.begin(16, 2); ’. А если бы у нас был дисплей 16×1, то нам бы пришлось использовать команду ‘lcd.begin(16, 1);’.
Далее мы Arduino Uno должны указать, к каким ее контактам мы подключили ЖК дисплей. В нашем случае мы к Arduino Uno подключили следующие выводы ЖК дисплея: “RS, En, D4, D5, D6, D7”. Мы подключили их к контактам 0, 1, 8, 9, 10, 11 Arduino Uno, поэтому в нашем случае соответствующая команда будет иметь следующий вид: “LiquidCrystal lcd(0, 1, 8, 9, 10, 11);”.
После всего этого мы можем приступит к передаче данных на ЖК дисплей. Сделать это можно, к примеру, с помощью следующей команды: “ lcd.print(«hello, world!»); ”. В результате выполнения этой команды на экран ЖК дисплея будет выведена строка ‘hello, world!’.
Исходный код программы
В этом разделе статьи будет представлен полный код программы для обработки данных с АЦП Arduino Uno и последующего их вывода на ЖК дисплей. Если у вас возникнут вопросы, то вы можете задать их в комментариях к данной статье.
#include
// подключаем необходимый заголовочный файл для работы с ЖК дсиплеем
LiquidCrystal lcd(8, 9, 10, 11, 12, 13); // сообщаем Arduino номера контактов, к которым мы подключили ЖК дисплей
char ADCSHOW[5]; //объявляем переменную для хранения результата АЦП
void setup()
<
// устанавливаем число столбцов и строк для ЖК дисплея
lcd.begin(16, 2);
>
void loop()
<
// устанавливаем курсор в нулевой столбец 1-й строки
lcd.print(» CIRCUIT DIGEST»); //выводим на экран ЖК дисплея строку
lcd.setCursor(0, 1); // устанавливаем курсор в нулевой столбец второй строки
lcd.print(«ADC RESULT:»); // выводим на экран ЖК дисплея строку «ADC RESULT:»
String ADCVALUE = String(analogRead(A0)); //сохраняем значение АЦП в переменной типа «строка»
ADCVALUE.toCharArray(ADCSHOW, 5); // преобразуем эту строку в символьный массив
lcd.print(ADCSHOW); // выводим значение этого символьного массива на экран ЖК дисплея
lcd.print(» «);
lcd.setCursor(0, 0); // устанавливаем курсор в нулевой столбец 1-й строки
>
Видео, демонстрирующее работу схемы
Также можете посмотреть еще одно видео про то, как использовать АЦП в Arduino Uno. Оно на английском языке, но зато очень подробное и доходчивое.
Аналого-цифровые преобразования — АЦП
Не секрет, что все величины в физическом мире носят аналоговый характер. Для измерения этих величин, люди придумали множество различных приборов. Так, например, термометр позволяет узнать температуру вещества, барометр — давление газа, гигрометр — влажность воздуха. А с помощью весов можно измерить вес тела.
Все эти устройства имеют шкалу, которую мы используем для фиксации их показаний. Рассмотрим простой пример — определение температуры с помощью обычного градусника. Человек решает эту задачу очень просто: мы смотрим, к какому из делений ближе всего приблизился уровень жидкости в градуснике. Полученное таким образом значение и будет измеренной температурой. Иными словами, мы осуществляем преобразование аналоговой непрерывной величины в дискретную, которую можно записать на бумаге с помощью цифр.
Чтобы автоматизировать процесс измерения аналоговых величин, и возложить эту задачу на электронные приборы, инженеры создали особое устройство, называемое аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Это устройство позволяет превращать аналоговый сигнал в цифровой код, пригодный для использования в ЭВМ.
В робототехнике АЦП являются важной составляющей системы датчиков машины. Акселерометр, гироскоп (гиротахометр), барометр, магнитометр, и даже видеокамера — все эти приборы соединяются с центральным процессором с помощью АЦП.
Конструктивно, АЦП может находиться в одном корпусе с микропроцессором или микроконтроллером, как в случае Arduino Uno. В противном случае, как и все современные электронные устройства, АЦП может быть оформлен в виде отдельной микросхемы, например MCP3008:
Следует отметить, что существует и устройство с обратной функцией, называемое цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП, DAC). Оно позволяет переводить цифровой сигнал в аналоговый. Например, во время проигрывания мелодии на мобильном телефоне происходит преобразование цифрового кода из MP3 файла в звук, который вы слышите у себя в наушниках.
Для лучшего понимания работы АЦП нам потребуется интересная задачка. В качестве оной, попробуем сделать устройство для измерения оставшегося заряда обычных пальчиковых батареек — самый настоящий цифровой вольтметр.
Функции работы с АЦП
На этом уроке изучать работу АЦП мы будем с помощью платформы Arduino. В используемой нами модели Arduino Uno, наряду с обычными выводами общего назначения (к которым мы уже подключали светодиоды и кнопки) есть целых шесть аналоговых входов. В других версиях Arduino таких входов может быть и больше, например, у Arduino Mega их 16.
На карте Arduino Uno аналоговые входы имеют буквенно-цифровые обозначения A0, A1, …, A5 (снизу слева).
Во время работы всё с теми же кнопками, мы познакомились с функцией digitalRead, которая умеет считывать цифровой сигнал с определенного входа контроллера. У этой функции существует аналоговая версия analogRead, которая может делать то же самое, но только для аналогового сигнала.
результат = analogRead( номер_контакта );
после вызова этой функции, микроконтроллер измерит уровень аналогового сигнала на заданном контакте, и сохранит результат работы АЦП в переменную «результат». При этом результатом функции analogRead будет число от 0 до 1023.
Разрядность АЦП
Надо заметить, что число 1023 здесь появилось неспроста. Дело в том, что у каждого устройства АЦП есть такой важный параметр как разрядность. Чем больше значение этого параметра, тем точнее работает прибор. Предположим, что у нас есть АЦП с разрядностью 1. Подавая на вход любое напряжения от 0 до 2,5 Вольт, на выходе мы получим 0. Любое же напряжение от 2,5 до 5 вольт даст нам единицу. То есть 1-битный АЦП сможет распознать только два уровня напряжения. Графически это можно изобразить следующим образом:
АЦП с разрядностью 2 распознает уже четыре уровня напряжения:
- от 0 до 1,25 — это 0;
- от 1,25 до 2,5 — это 1;
- от 2,5 до 3,75 — это 2;
- наконец, от 3,75 до 5 — это 3.
На следующих двух картинках изображена работа АЦП с разрядностью 2 и 3 бит:
В Arduino Uno установлен 10-битный АЦП, и это значит, что любое напряжение на аналоговом входе в диапазоне от 0 до 5 вольт будет преобразовано в число с точностью 1/1024 вольта. На графике будет сложно изобразить столько ступенек. Имея такую точность, 10-битный АЦП может «почувствовать» изменение напряжение на входе величиной всего 5 милливольт.
Опорное напряжение
Есть нюанс, который может стать причиной ошибки измерения с помощью АПЦ. Помните тот диапазон от 0 до 5 вольт в котором работает устройство? В общем случае этот диапазон выглядит иначе:
от 0 до опорного напряжения
Это изменение повлечет за собой изменение формулы расчет точности АЦП:
точность = опорное напряжение/1024
Опорное напряжение определяет границу диапазона, с которым будет работать АЦП.
В нашем примере опорное напряжение будет равно напряжению питания Arduino Uno, которое дал USB порт компьютера. У моем конкретном случае это напряжение было 5.02 Вольта, и я могу смело заявить, что измерил заряд батарейки с высокой точностью.
Что если вы питаете микроконтроллер от другого источника? Допустим у вас есть четыре NiMh аккумулятора на 1.2 Вольта. В сумме они дадут 4.8 Вольта (пусть они немного разряжены, ведь в действительности их заряжают до 1.4 Вольта). Точность измерения будет равна 4.8/1024. Это следует учесть в нашей программе.
Наконец рассмотрим случай, когда мы питаем Arduino Uno одним напряжением, а в качестве опорного хотим установить совсем другое, например, 3.3 Вольта. Что делать? Для такого варианта на Arduino Uno есть специальный вывод Vref. Чтобы решить проблему, нам нужно подать на этот контакт напряжение 3.3 Вольта, и разрешить использование внешнего источника опорного напряжения функцией:
которую следует вызвать внутри функции setup нашей программы.
Также следует учитывать, что результат измерения значения напряжения не может превышать границы диапазона. Если мы выбираем в качестве опорного напряжения 3.3 Вольта, а поступающий сигнал будет с большим напряжением, то мы получим неправильное значение напряжения, поскольку АЦП «не знает» о наличии более высокого напряжения.
Программа
Наша первая программа с использованием АЦП будет крайне простой: каждую секунду мы будем измерять аналоговое значение на входе A0, и передавать его в последовательный порт.
Теперь загружаем программу на Arduino, и переходим к измерениям.
Подключение
Чтобы измерить напряжение на батарейке, мы должны подключить её к нашей Arduino всего двумя контактами. Для примера используем щелочную батарейку на 1.5 Вольта.
Теперь откроем окно COM-монитора в Arduino IDE, и посмотрим какие значение выдает нам АЦП:
Что означает число 314? Вспомним, что 10-битный АЦП разбивает диапазон от 0 до 5 вольт на 1024 части. Значит точность 10-битного АЦП — 5/1024. Зная точность, мы можем записать формулу для преобразования показаний АЦП к вольтам:
где V — измеренное напряжение на батарейке;
ADC — результат работы функции analogRead.
Подставим эту формулу в программу и снова попробуем измерить заряд батарейки!
Уже больше похоже на правду.
Итак, мы разобрались с весьма сложной и важной темой в мире электроники. АЦП используется повсеместно, и в робототехнике без этого устройства уж точно не обойтись. Для понимания окружающего мира роботам как-то нужно переводить аналоговые ощущения в числа.
На нашем портале можно найти несколько уроков, выполнение которых зависит от понимания темы АЦП: датчик температуры, ёмкостный датчик, фоторезистор, потенциометр и аналоговый джойстик. А в совокупности с еще одной важной темой — ШИМ, применение АЦП позволит создать диммер светодиодной лампы и регулятор хода двигателя. Успехов!