Arduino порты ввода вывода

Рассмотрены различные режимы работы выводов платы Arduino и функции языка C++ для работы с этими выводами (пинами)

ВВОД-ВЫВОД

pinMode(pin, mode); — установка вывода pin на вход (INPUT) либо выход (OUTPUT)

По умолчанию цифровые выводы в Arduino предустановлены на вход, так что их нет нужды явно объявлять как INPUT с помощью pinMode().

Выводы, сконфигурированные как INPUT, подразумеваются в состоянии с высоким импедансом (сопротивлением).

Если на порт ввода не поступает сигнал, то рекомендуется задать порту известное состояние. Это делается добавлением подтягивающих резисторов 10 кОм, подключающих вход либо к питанию +5 В, либо к земле.

Микроконтроллер ATmega имеет программируемые встроенные подтягивающие резисторы 20 кОм. Программирование данных резисторов осуществляется так:

Выводы, сконфигурированные как порты вывода находятся в низкоимпедансном состоянии. Данные выводы могут пропускать через себя достаточно большой ток. Выводы микросхемы ATmega могут быть источником тока до 40 мА.

digitalRead(pin) — Считывает значение заданного цифрового вывода (pin) и возвращает результат HIGH (=1) или LOW (=0). Вывод должен быть задан либо как переменная, либо как константа (0-13).

digitalWrite(pin, value); — задает либо логический уровень HIGH, либо LOW (включает или выключает) на заданном цифровом выводе pin.

Аналоговые входы

analogRead(pin) — cчитывает значение из заданного аналогового входа (pin) с 10-битовым разрешением. Эта функция работает только на аналоговых портах (0-5). Результирующее целое значение находится в диапазоне от 0 до 1023.

Аналоговые выводы не похожи на цифровые, и нет необходимости предварительно объявлять их как INPUT или OUTPUT (если только вы не планируете использовать их в качестве цифровых портов 14-18).

analogWrite(pin, value) , где value=0-255, — записывает псевдо-аналоговое значение, используя схему с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, PWM), на выходной вывод, помеченный как PWM. На новом модуле Arduino с ATmega168 (328), эта функция работает на выводах 3.

Аналоговые пины как цифровые

Аналоговые входы (номера от 14 до 19) также могут использоваться как цифровые выводы портов ввода/вывода:

Выводы аналоговые входов имеют подтягивающие резисторы работающие как на цифровых выводах. Включение резисторов производится командой

digitalWrite(14, HIGH); // включить резистор на выводе аналогового входа 0

пока вывод работает как порт ввода.

После работы аналогового входа в цифровом режиме может потребоваться настроить паузу между чтением функцией analogRead() других входов.

Питание Arduino:

1) VIN. Вход используется для подачи питания от внешнего источника (в отсутствие 5 В от разъема USB или другого регулируемого источника питания). Подача напряжения питания происходит через данный вывод.

Входное напряжение (рекомендуемое): 7-12 В.

Входное напряжение (предельное): 6-20 В.

2) 5V. Регулируемый источник напряжения, используемый для питания микроконтроллера и компонентов на плате. Питание может подаваться от вывода VIN через регулятор напряжения, или от разъема USB, или другого регулируемого источника напряжения 5 В.

• Уроки
• Базовые уроки Arduino
• Цифровые входы/выходы

Цифровые порты/пины

В уроке про распиновку платы мы обсуждали такое понятие, как GPIO: с англ. General Purpose Input-Output, входы-выходы общего назначения. Теперь надо разобраться с такими понятиями, как пин и порт. Пин – это конкретная нога микроконтроллера, имеющая свой номер, по которому к ней можно обратиться. Порт – это совокупность пинов. Микроконтроллер спроектирован так, чтобы обеспечить хорошее быстродействие, поэтому например пины объединены в порты, в одном порте обычно до 8 пинов (потому что в байте 8 бит). Работая с микроконтроллером напрямую, мы можем за одно действие установить состояние для всех пинов одного порта. Это очень быстро. Уроки у нас базовые, поэтому сегодня поговорим о функциях для работы с пинами, которые нам предлагает Ардуино. Но сначала давайте разберёмся, какие из пинов являются цифровыми. Взглянем на распиновку платы Нано:

Все пины, имеющие название PD*, PC*, PB*, являются GPIO. D, С и B указывает на номер порта, которому принадлежит пин. На плате пины подписаны по-другому, просто по порядку. Таким образом мы видим, что все пины с D0-D13 и A0-A5 являются GPIO, то есть цифровыми входами-выходами. Многие называют пины A0–A7 аналоговыми, на некоторых неофициальных распиновках они прям подписаны как analog pin, и это вводит новичков в заблуждение, потому что A0-A5 являются такими же цифровыми пинами, как D0-D13 . Но у этих пинов есть дополнительная функция в виде чтения аналогового сигнала. Об этом поговорим в следующем уроке. А вот пины A6 и A7 являются именно аналоговыми, потому что у них есть только выход на АЦП, эти пины не являются GPIO, и с ними нельзя работать функциями для цифровых пинов. Если вы посмотрите на распиновку Arduino UNO, то вообще не найдёте там пинов A6 и A7, то есть УНО хоть и больше НАНО, но возможностей у неё меньше =)

Нумерация пинов

Пины пронумерованы на плате как “цифровые” D* пины и аналоговые A* пины. К цифровым пинам мы будем обращаться просто по их номеру, т.е. D3 это просто 3. С аналоговыми пинами чуть сложнее:

• Обратиться можно с буквой A (A3, A5)
• Можно цифрой по порядку после цифровых, так например у Нано последний цифровой – D13, следующий за ним “аналоговый” А0 имеет номер 14, а например A5 имеет номер 19, по которому к нему тоже можно обратиться, что позволяет управлять всеми пинами при помощи циклов

Режимы работы пинов

Цифровой пин может находиться в двух состояниях, вход и выход. В режиме входа пин может считывать напряжение от 0 до напряжения питания МК, а в режиме выхода – выдавать такое же напряжение. Режим работы выбирается при помощи функции pinMode(pin, mode), где pin это номер пина, а mode это режим:

• mode – режим работы

• INPUT – вход
• OUTPUT – выход
• INPUT_PULLUP – подтянутый к питанию вход

Если со входом/выходом всё понятно, то с подтяжкой давайте разберёмся. В режиме входа пин микроконтроллера не подключен никуда и ловит из воздуха всякие наводки, получая практически случайное значение. Для задания пину “состояния по умолчанию” используют подтяжку резистором к земле или питанию. Вот режим INPUT_PULLUP включает встроенную в микроконтроллер подтяжку пина к питанию. Подробнее об этом, со схемами и примерами я рассказывал в начале вот этого видео урока.

Вывод цифрового сигнала

Цифровой пин в режиме выхода (OUTPUT) может генерировать цифровой сигнал, т.е. выдавать напряжение. Так как понятие “цифровой” обычно связано с двумя состояниями, 0 и 1, цифровой пин может выдать 0 или 1, точнее: сигнал низкого или высокого уровня. Сигнал низкого уровня это 0 Вольт, грубо говоря в этом состоянии пин подключается к GND микроконтроллера. Сигнал высокого уровня подключает пин к VCC микроконтроллера, то есть к питанию. Если вы вспомните урок по питанию платы, то поймёте, что сигнал высокого уровня на цифровом пине будет варьироваться в зависимости от того, как питается плата Arduino. При питании от источника 5V на пине будет 5V, при питании от USB с потерей на защитном диоде мы получим около 4.7 Вольт на цифровом пине в режиме выхода с высоким сигналом.

Самый главный момент касательно цифровых пинов: микроконтроллер – это логическое устройство, которое создано для управления другими устройствами при помощи логических (цифровых) сигналов. Под словом логическое я подразумеваю не силовое, то есть питать что-то от микроконтроллера нельзя, за редким исключением. На картинке с распиновкой выше вы можете найти надпись “Absolute MAX per pin 40mA, recommended 20mA“. Это означает, что максимум можно снять с пина 40 миллиампер, а рекомендуется не больше 20 миллиампер. Поверьте, для микроконтроллера это очень много. В других микроконтроллерах ограничение по току на пин может составлять 5-10 мА. Также есть общее ограничение на ток с цифровых пинов – 200 мА: “Absolute MAX 200mA for entire package“. Эту информацию можно найти в любом официальном источнике информации об Arduino и микроконтроллере в целом, в том числе в даташите на микроконтроллер.

Что произойдёт, если снять с пина больше, чем он может отдать? Всё очень просто – он сломается. Что будет, если снять с нескольких пинов больше, чем может отдать микроконтроллер в целом? Правильно – сгорит микроконтроллер. Поэтому ничего мощнее светодиода и маленькой пищалки к микроконтроллеру подключать нельзя. Никаких моторчиков, лампочек, нагревателей, мощных радио-модулей и прочего питать от цифровых пинов нельзя. Цифровые пины служат для подачи команд другим устройствам, например реле/транзисторам для коммутации нагрузок. Но об этом мы поговорим отдельно.

Сейчас вернёмся к вопросу подачи цифрового сигнала: для этого у нас есть функция digitalWrite(pin, value) :

• pin – цифровой пин МК, подписанный на плате как D. Также например у НАНО это пины A0-A5.
• value – уровень сигнала: HIGH высокий, LOW низкий. Также можно использовать цифры 0 и 1

Пример, в котором пины инициализируются как выходы, и на них подаётся сигнал:

Ещё интересный момент: в старых версиях IDE не было варианта режима работы INPUT_PULLUP, и подтяжка делалась вручную. Запомните, что вот эти два варианта являются равноценными, вы можете встретить второй в старых скетчах из Интернета, не пугайтесь. Оба варианта делают пин подтянутым к питанию в режиме входа

Перейдём к чтению цифрового сигнала в режиме INPUT

Чтение цифрового сигнала

Цифровой пин может “измерять” напряжение, но сообщить он может только о его отсутствии (сигнал низкого уровня, LOW) или наличии (сигнал высокого уровня, HIGH), причём отсутствием напряжения считается промежуток от 0 до

2.1V. Соответственно от

2.1V до VCC (до 5V) микроконтроллер считает за наличие сигнала высокого уровня. Таким образом микроконтроллер спокойно может работать с логическими устройствами, которые шлют ему высокий сигнал с напряжением 3.3V, он такой сигнал примет как HIGH.

Для чтения уровня сигнала на пине используется функция digitalRead(pin), где пин – номер пина согласно подписи на плате. Это пины, подписанные как D, а также пины A0-A5 у Arduino Nano/Uno/Pro Mini. Данная функция возвращает 0, если сигнал низкого уровня, и 1 – если высокого. Простой пример:

Данный код будет выводить в порт сигнал на пине D5. Если подключить его проводом к VCC – получим 1, если к GND – получим 0.

Видео

Цифровые выводы

Выводы платформы Arduino могут работать как входы или как выходы. Данный документ объясняет функционирование выводов в этих режимах. Также необходимо обратить внимание на то, что большинство аналоговых входов Arduino (Atmega) могут конфигурироваться и работать так же как и цифровые порты ввода/вывода.

Свойства порта вводы/вывода (pin), сконфигурированного как порт ввода

Выводы Arduino (Atmega) стандартно настроены как порты ввода, таким образом, не требуется явной декларации в функции pinMode(). Сконфигурированные порты ввода находятся в высокоимпедансном состоянии. Это означает то, что порт ввода дает слишком малую нагрузки на схему, в которую он включен. Эквивалентом внутреннему сопротивлению будет резистор 100 МОм подключенный к выводу микросхемы. Таким образом, для перевода порта ввода из одного состояния в другое требуется маленькое значение тока. Это позволяет применять выводы микросхемы для подключения емкостного датчика касания, фотодиода, аналогового датчика со схемой, похожей на RC-цепь.

С другой стороны, если к данному выводу ничего не подключено, то значения на нем будут принимать случайные величины, наводимые электрическими помехами или емкостной взаимосвязью с соседним выводом.

Подтягивающие (нагрузочные) резисторы

Если на порт ввода не поступает сигнал, то в данном случае рекомендуется задать порту известное состояние. Это делается добавлением подтягивающих резисторов 10 кОм, подключающих вход либо к +5 В (подтягивающие к питанию резисторы), либо к земле (подтягивающие к земле резисторы).

Микроконтроллер Atmega имеет программируемые встроенные подтягивающие к питанию резисторы 20 кОм. Программирование данных резисторов осуществляется следующим образом.

Подтягивающий резистор пропускает ток достаточный для того, чтобы слегка светился светодиод подключенный к выводу, работающему как порт ввода. Также легкое свечение светодиодов означает то, что при программировании вывод не был настроен как порт вывода в функции pinMode().

Подтягивающие резисторы управляются теми же регистрами (внутренние адреса памяти микроконтроллера), что управляют состояниями вывода: HIGH или LOW. Следовательно, если вывод работает как порт ввода со значением HIGH, это означает включение подтягивающего к питанию резистора, то конфигурация функцией pinMode() порта вывода на данном выводе микросхемы передаст значение HIGH. Данная процедура работает и в обратном направлении, т.е. если вывод имеет значение HIGH, то конфигурация вывода микросхемы как порта ввода функцией pinMode() включит подтягивающий к питанию резистор.

Примечание: Затруднительно использовать вывод микросхемы 13 в качестве порта ввода из-за подключенных к нему светодиода и резистора. При подключении подтягивающего к питанию резистора 20 кОм на вводе будет 1.7 В вместо 5 В, т.к. происходит падение напряжения на светодиоде и включенном последовательно резисторе. При необходимости использовать вывод микросхемы 13 как цифровой порт ввода требуется подключить между выводом и землей внешний подтягивающий резистор.

Свойства порта ввода/вывода, сконфигурированного как порт вывода

Выводы, сконфигурированные как порты вывода, находятся в низкоимпедансном состоянии. Данные выводы могут пропускать через себя достаточно большой ток. Выводы микросхемы Atmega могут быть источником (положительный) или приемником (отрицательный) тока до 40 мА для других устройств. Такого значения тока достаточно чтобы подключить светодиод (обязателен последовательно включенный резистор), датчики, но недостаточно для большинства реле, соленоидов и двигателей.

Короткие замыкания выводов Arduino или попытки подключить энергоемкие устройства могут повредить выходные транзисторы вывода или весь микроконтроллер Atmega. В большинстве случаев данные действия приведут к отключению вывода на микроконтроллере, но остальная часть схемы будет работать согласно программе. Рекомендуется к выходам платформы подключать устройства через резисторы 470 Ом или 1 кОм, если устройству не требуется больший ток для работы.