Содержание
- Уроки
- Базовые уроки Arduino
- Аналоговые входы
“Аналоговые” пины
В прошлом уроке мы разобрали измерение и вывод цифрового сигнала с микроконтроллера, а в этом разберём аналоговый сигнал. Как мы уже не раз говорили ранее, у микроконтроллера есть аналоговые входы, т.е. входы, подключенные к АЦП – аналогово-цифровому преобразователю (ADC). На платах Ардуино это пины, маркированные буквой А. Я не просто так написал название в кавычках, потому что не все пины являются только аналоговыми: например на плате Nano пины A0-A5 являются также обычными цифровыми, и у них есть возможность измерять аналоговый сигнал как доп. функция. Пины A6 и A7 являются чисто аналоговыми.
Зачем нужно читать аналоговый сигнал? Микроконтроллер может выступать в роли вольтметра, измерять собственное напряжение питания, например от аккумулятора, может измерять ток через шунт (если вы знаете закон Ома), можно измерять сопротивление, а также работать с потенциометрами (крутильными, линейными, джойстиками), которые являются очень удобными органами управления.
Чтение сигнала
“Аналоговые” пины могут принимать напряжение от 0 (GND) до опорного напряжения и преобразовывать его в цифровое значение, просто в какие-то условные единицы. АЦП у нас имеет разрядность в 10 бит, т.е. мы получаем измеренное напряжение в виде числа от 0 до 1023. Функция, которая оцифровывает напряжение, называется analogRead(pin), данная функция принимает в качестве аргумента номер аналогового пина и возвращает полученное значение. Сам пин должен быть сконфигурирован как INPUT (вход), напомню, что по умолчанию все пины так и настроены. Пин кстати указывается “аналоговый”:
- Просто номером А-пина (например, 0)
- Номером с буквой А (например, А0)
- Порядковым номером GPIO: А0 – 14 пин, A1 – 15 пин… А7 – 21
Вот пример, опрашивающий пин А0.
Хранить полученное значение разумно в переменной типа int, потому что значение варьируется от 0 до 1023.
Опорное напряжение
Опорное напряжение играет главную роль в измерении аналогового сигнала, потому что именно от него зависит максимальное измеряемое напряжение и вообще возможность и точность перевода полученного значения 0-1023 в Вольты. Изучим следующую функцию – analogReference(mode), где mode:
- DEFAULT: опорное напряжение равно напряжению питания МК. Активно по умолчанию
- INTERNAL: встроенный источник опорного на 1.1V для ATmega168 или ATmega328P и 2.56V на ATmega8
- INTERNAL1V1: встроенный источник опорного на 1.1V ( только для Arduino Mega )
- INTERNAL2V56: встроенный источник опорного на 2.56V ( только для Arduino Mega )
- EXTERNAL: опорным будет считаться напряжение, поданное на пин AREF
После изменения источника опорного напряжения (вызова analogReference() ) первые несколько измерений могут быть нестабильными (сильно шумными).
Значение 1023 функции analogRead() будет соответствовать выбранному опорному напряжению или напряжению выше его, но не выше 5.5V, что спалит плату. То есть при режиме DEFAULT мы можем оцифровать напряжение от 0 до напряжения питания. Если напряжение питания 4.5 Вольта, и мы подаём 4.5 Вольт – получим оцифрованное значение 1023. Если подаём 5 Вольт – опять же получим 1023, т.к. выше опорного. Это правило работает и дальше, главное не превышать 5.5 Вольт. Как измерять более высокое напряжение (12 Вольт например) я расскажу в отдельном уроке.
Что касается точности: при питании от 5V и режиме DEFAULT мы получим точность измерения напряжения (5 / 1023
8 мВ) – 8 милливольт. Поставив INTERNAL мы можем измерять напряжение от 0V до 1.1V с точностью (1.1 / 1023
1.2 мВ) – 1.2 милливольта. Весьма неплохо, особенно если баловаться с делителем напряжения.
Что касается внешнего источника опорного напряжения. Нельзя использовать напряжение меньше 0V или выше 5.5V в качестве внешнего опорного в пин AREF. Также при использовании режима EXTERNAL нужно вызвать analogReference(EXTERNAL) до вызова функции analogRead(), иначе можно повредить микроконтроллер. Можно подключить опорное в пин AREF через резистор на
5 кОм, но так как вход AREF имеет собственное сопротивление в 32 кОм, реальное опорное будет например 2.5 * 32 / (32 + 5) =
Простой пример, как измерить напряжение на аналоговом пине и перевести его в Вольты. Плата питается от 5V
Таким образом переменная voltage получает значение в Вольтах, от 0 до 5. Чуть позже мы поговорим о более точных измерениях при помощи некоторых хаков.
Видео
”
Есть более читерский способ, который сокращает программу еще на 2 строчки. В гайде ATmega328 пишут, что запись единицы в PINxn переключает значение PORTxn, независимо от значения DDRxn. Ну то есть если там был 0, то становится 1, а если был 1, то становится 0. За сим накалякаем следующий код:
Для того, чтобы сделать что-то по нажатию кнопки, надо сдетектировать это самое нажатие. Ждем единицу на PINC5, и по ней запускаем бегущие огни – записываем по очереди единицы в PORTCn, а потом записываем нули точно так же. Полный код:
Программа в основном цикле содержит сколько же строк, сколько было бы при использовании стандартных цифровых выходов и конструкций digitalWrite(). Поэтому единственная сложность возникает лишь в ненаглядности функций.
- Уроки
- Базовые уроки Arduino
- Аналоговые входы
“Аналоговые” пины
В прошлом уроке мы разобрали измерение и вывод цифрового сигнала с микроконтроллера, а в этом разберём аналоговый сигнал. Как мы уже не раз говорили ранее, у микроконтроллера есть аналоговые входы, т.е. входы, подключенные к АЦП – аналогово-цифровому преобразователю (ADC). На платах Ардуино это пины, маркированные буквой А. Я не просто так написал название в кавычках, потому что не все пины являются только аналоговыми: например на плате Nano пины A0-A5 являются также обычными цифровыми, и у них есть возможность измерять аналоговый сигнал как доп. функция. Пины A6 и A7 являются чисто аналоговыми.
Зачем нужно читать аналоговый сигнал? Микроконтроллер может выступать в роли вольтметра, измерять собственное напряжение питания, например от аккумулятора, может измерять ток через шунт (если вы знаете закон Ома), можно измерять сопротивление, а также работать с потенциометрами (крутильными, линейными, джойстиками), которые являются очень удобными органами управления.
Чтение сигнала
“Аналоговые” пины могут принимать напряжение от 0 (GND) до опорного напряжения и преобразовывать его в цифровое значение, просто в какие-то условные единицы. АЦП у нас имеет разрядность в 10 бит, т.е. мы получаем измеренное напряжение в виде числа от 0 до 1023. Функция, которая оцифровывает напряжение, называется analogRead(pin), данная функция принимает в качестве аргумента номер аналогового пина и возвращает полученное значение. Сам пин должен быть сконфигурирован как INPUT (вход), напомню, что по умолчанию все пины так и настроены. Пин кстати указывается “аналоговый”:
- Просто номером А-пина (например, 0)
- Номером с буквой А (например, А0)
- Порядковым номером GPIO: А0 – 14 пин, A1 – 15 пин… А7 – 21
Вот пример, опрашивающий пин А0.
Хранить полученное значение разумно в переменной типа int, потому что значение варьируется от 0 до 1023.
Опорное напряжение
Опорное напряжение играет главную роль в измерении аналогового сигнала, потому что именно от него зависит максимальное измеряемое напряжение и вообще возможность и точность перевода полученного значения 0-1023 в Вольты. Изучим следующую функцию – analogReference(mode), где mode:
- DEFAULT: опорное напряжение равно напряжению питания МК. Активно по умолчанию
- INTERNAL: встроенный источник опорного на 1.1V для ATmega168 или ATmega328P и 2.56V на ATmega8
- INTERNAL1V1: встроенный источник опорного на 1.1V ( только для Arduino Mega )
- INTERNAL2V56: встроенный источник опорного на 2.56V ( только для Arduino Mega )
- EXTERNAL: опорным будет считаться напряжение, поданное на пин AREF
После изменения источника опорного напряжения (вызова analogReference() ) первые несколько измерений могут быть нестабильными (сильно шумными).
Значение 1023 функции analogRead() будет соответствовать выбранному опорному напряжению или напряжению выше его, но не выше 5.5V, что спалит плату. То есть при режиме DEFAULT мы можем оцифровать напряжение от 0 до напряжения питания. Если напряжение питания 4.5 Вольта, и мы подаём 4.5 Вольт – получим оцифрованное значение 1023. Если подаём 5 Вольт – опять же получим 1023, т.к. выше опорного. Это правило работает и дальше, главное не превышать 5.5 Вольт. Как измерять более высокое напряжение (12 Вольт например) я расскажу в отдельном уроке.
Что касается точности: при питании от 5V и режиме DEFAULT мы получим точность измерения напряжения (5 / 1023
8 мВ) – 8 милливольт. Поставив INTERNAL мы можем измерять напряжение от 0V до 1.1V с точностью (1.1 / 1023
1.2 мВ) – 1.2 милливольта. Весьма неплохо, особенно если баловаться с делителем напряжения.
Что касается внешнего источника опорного напряжения. Нельзя использовать напряжение меньше 0V или выше 5.5V в качестве внешнего опорного в пин AREF. Также при использовании режима EXTERNAL нужно вызвать analogReference(EXTERNAL) до вызова функции analogRead(), иначе можно повредить микроконтроллер. Можно подключить опорное в пин AREF через резистор на
5 кОм, но так как вход AREF имеет собственное сопротивление в 32 кОм, реальное опорное будет например 2.5 * 32 / (32 + 5) =”
Простой” пример, как измерить напряжение на аналоговом пине и перевести его в Вольты. Плата питается от 5V
Таким образом переменная voltage получает значение в Вольтах, от 0 до 5. Чуть позже мы поговорим о более точных измерениях при помощи некоторых хаков.