Arduino. Операции аналогового ввода-вывода, работа со звуком. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору

Комментарии к статье

Хотя цифровые операции ввода-вывода позволяют решать широкий круг задач, однако наличие в микроконтроллере платы Arduino встроенного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и возможность вывода аналоговых сигналов с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) обеспечивают работу с аналоговыми датчиками и всевозможными исполнительными устройствами, воздействующими на объект пропорционально управляющему сигналу.

Строго говоря, в режиме вывода все линии портов Arduino могут передавать только дискретные сигналы, имеющие лишь два состояния. Но микроконтроллер способен изменять эти состояния очень быстро, генерируя прямоугольные импульсы. Если подать эти импульсы на какое-либо устройство, обладающее инерционными свойствами, то оно станет вести себя так, будто подаваемое на него напряжение постоянное, равное среднему значению импульсного, и меняется плавно, а не скачками между высоким и низким логическими уровнями.

В режиме ШИМ порт формирует импульсный сигнал постоянной частоты и переменной скважности (это отношение периода следования импульсов к их длительности). Часто вместо скважности оперируют обратной ей величиной - коэффициентом заполнения, который можно изменять от 0 (нет импульсов) до 100% (импульсы следуют, слившись, без пауз). Следовательно, хотя в каждый отдельный момент выходное напряжение соответствует высокому или низкому логическому уровню, его среднее значение пропорционально коэффициенту заполнения. Если к этому выходу подключить обычный мультиметр, он покажет это значение (конечно, если частота импульсов достаточно высока).

В Arduino UNO в режиме ШИМ могут работать выходы D3, D5, D6, D9, D10 и D11. Обычно на плате они помечены знаками "~" или аббревиатурами "PWM". Следует заметить, что у плат Arduino других модификаций число таких выходов может быть больше или меньше.

В простейшем случае ШИМ можно применить для управления яркостью свечения светодиода. Этот прибор практически безынерционен, но человеческое зрение обладает достаточной инерционностью, чтобы последовательность быстрых вспышек светодиода воспринималась как непрерывное свечение с зависящей от коэффициента заполнения яркостью.

Дискретные выходы, способные формировать ШИМ, настроены на использование этого режима по умолчанию, поэтому вызывать функцию pinMode() для их работы в таком режиме не нужно. Для установки коэффициента заполнения ШИМ-сигнала имеется стандартная функция analogWrite(N, M), где N - номер вывода, M - число, пропорциональное требуемому коэффициенту заполнения. Оно должно лежать в интервале от 0 до 255, причем 0 соответствует нулевому коэффициенту заполнения (навыходе постоянный низкий уровень), 255 - коэффициенту заполнения 100 % (на выходе постоянный высокий уровень). Временные диаграммы выходного напряжения при некоторых значениях M и соответственно коэффициента заполнения Кз показаны на рис. 1.

Рис. 1. Временные диаграммы выходного напряжения

Для примера рассмотрим приведенную в табл. 1 программу, которая постепенно увеличивает яркость свечения светодиода, подключенного к цифровому выходу D9, а затем постепенно уменьшает ее. Она основана на стандартном примере examples3.AnalogFading из комплекта поставки Arduino IDE. Перебор значений коэффициента заполнения импульсов реализован здесь с помощью уже рассмотренных в [1] операторов цикла for.

Таблица 1.

Для приема аналоговых сигналов от внешних устройств в Arduino предназначены входы A0-A5, по умолчанию установленные в нужное для этого состояние, так что дополнительной инициализации не требуется. АЦП, встроенный в Arduino UNO, формирует 10-разрядные двоичные коды и входное напряжение, лежащее в интервале от 0 до +5 В, преобразует в целое число от 0 до 1023 (210-1).

Для считывания результата преобразования служит функция analogRead(N), где N - номер аналогового входа.

К аналоговым входам Arduino можно подключать разнообразные датчики, выходное напряжение которых пропорционально измеряемой величине (переменные резисторы, терморезисторы, фоторезисторы и др.). Однако нужно помнить, что на аналоговый вход можно подавать напряжение лишь от 0 до +5 В. Если выходное напряжение датчика лежит в другом интервале или оно отрицательной полярности, сигнал необходимо предварительно уложить в указанный интервал. Опрос аналогового входа выполняется с частотой менее 10 кГц [2], что может оказаться недостаточным для анализа некоторых быстроизменяющихся сигналов.

Наличие аналоговых входов позволяет превратить Arduino в простейший цифровой вольтметр, измеряющий постоянное напряжение от 0 до +5 В и передающий результат измерения в компьютер. Для этого достаточно загрузить в Arduino программу, приведенную в табл. 2.

Таблица 2

Обратите внимание, что в программе константами заданы образцовое напряжение АЦП Uref (в милливольтах) и коэффициент пересче-тавыходного кодаАЦП в напряжение Ku. Значение коэффициента вычисляется делением заданного образцового напряжения на 1023. Коэффициент обычно дробный, поэтому константа Ки имеет тип float (число с плавающей запятой). Константа Uref имеет такой же тип для правильного вычисления коэффициента. Поскольку в правой части формулы находятся только константы, вычисляет коэффициент не микроконтроллер, выполняя программу, а сам компилятор на этапе ее трансляции.

Все это позволяет повысить точность вольтметра, измерив мультиметром точное значение образцового напряжения на выводе Uref платы Arduino и записав его в программу, присвоив константе Uref. О других способах повысить точность аналого-цифрового преобразования можно прочитать в [3, 4].

При работе рассматриваемой программы на плате мигает светодиод TX, сигнализирующий о передаче информации через последовательный порт. Светодиод RX не светится, так как компьютер ничего не передает в ответ. Встроенный терминал Arduino IDE отображает принятую информацию (рис. 2) - результаты измерения напряжения гальванической батареи 3332.

Рис. 2. Окно программы

Arduino может подавать не только световые, но и звуковые сигналы. Для этого к одному из его выходов необходимо подключить пьезоизлучатель звука, например ЗП-1 (рис. 3).

Рис. 3. Подключение пьезоизлучателя звука

Для работы со звуком предусмотрена специальная функция tone(N, F, T), где N - номер вывода, на котором будут сформированы прямоугольные импульсы; F - частота звука, Гц; T - длительность звука, мс. Последний параметр не обязателен. В его отсутствие звук будет непрерывным. Чтобы выключить его, предусмотрена функция noTone(N).

Конечно, пьезокерамический излучатель звука сложно назвать устройством высококачественного воспроизведения, а формируемый микроконтроллером сигнал имеет прямоугольную форму, тем не менее использование этих функций позволяет исполнять несложные мелодии. Пример приведен в табл. 3. Это немного измененная программа examples 02.Digital oneMelody, входящая в комплект среды разработки Arduino IDE. Поскольку задавать вручную частоту каждой ноты мелодии неудобно, к программе в ее заголовке директивой #include подключен файл pitches.h. Эта операция равносильна включению в программу полного текста этого файла. В рассматриваемом случае он содержит список названий нот, которые можно воспроизвести, и их частот.

Таблица 3

Излучатель звука должен быть подключен к выходу D8.

Для программы мелодия - это последовательность однотипных констант (значений частоты), которые удобно объединить в массив - пронумерованный список однотипных элементов. При объявлении массива нужно либо перечислить все его элементы, либо указать их общее число. Учтите, что нумерация элементов массива всегда начинается с нуля.

В рассматриваемом примере использованы два массива: int melody[] содержит названия нот мелодии, int note Durations[] - их длительность в миллисекундах. Для обращения к элементу массива указывают его имя с заключенным в квадратные скобки порядковым номером. Чтобы иметь возможность легко менять число нот в мелодии, оно вычисляется с использованием функций sizeof(V), возвращающих число байтов, занимаемых ее аргументом (переменной или их массивом) в памяти микроконтроллера. В рассматриваемом случае массив melody занимает 16 байт, а длина его элементов типа int - два байта. Поэтому переменная Note получает значение 8 и именно столько раз будет повторено тело цикла for, поочередно воспроизводящее ноты.

Если к массиву melody[] добавить несколько нот, соответственно изменится и значение Note. Нужно только не забыть дополнить массив noteDurations[] длительностями звучания этих нот.

Поскольку мелодия исполняется один раз, все необходимые для этого операции помещены внутрь функции setup().

Для повторного исполнения нужно привести микроконтроллер в исходное состояние, нажав на находящуюся на плате Arduino кнопку RESET

Рассмотренные в статье программы для Arduino можно скачать с ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/09/aninout.zip.

Литература

1. Лекомцев Д. Arduino. Операции цифрового ввода-вывода. - Радио, 2016, № 8, с. 51-54.
2. Аналоговые измерения с Arduino. - URL: robotosha.ru/arduino/analog-measurements-arduino.html.
3. Arduino Language Reference. Analog I/O - analogReference(). - URL: arduino.cc/en/Reference/AnalogReference.
4. Функция analogReference(). - URL: arduino.ru/Reference/AnalogReference.

Автор: Д. Лекомцев

Смотрите другие статьи раздела Радиолюбителю-конструктору.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Кратковременное голодание и работа мозга 25.11.2025

На фоне роста популярности интервального голодания многие опасаются, что отказ от еды на несколько часов может обернуться снижением концентрации, ухудшением памяти и общим "затуманиванием" сознания. Однако современные исследования позволяют иначе взглянуть на эту тему. Научный обзор, включивший свыше семидесяти независимых экспериментов и более 3,5 тысячи участников, показал: здоровые взрослые, которые не ели от десяти до двенадцати часов, выполняли когнитивные тесты так же качественно, как и те, кто принимал пищу перед испытанием. Память, скорость реакции, логическое мышление и внимание оставались на прежнем уровне, что опровергает распространенный бытовой миф. Доктор Дэвид Моро, профессор психологии из Университета Окленда в Новой Зеландии, подчеркивает, что представления о "головной туманности" во время голода часто оказываются преувеличенными. Он отмечает, что люди склонны связывать чувство голода с низкой энергией, раздражительностью и невозможностью сосредоточиться, хотя че ...>>

Умная розетка TP-Link Tapo P410M 25.11.2025

Компания TP-Link выпустила на рынок новую уличную розетку Tapo P410M. Она получила поддержку универсального стандарта Matter и стала еще одним шагом в сторону единой экосистемы умных устройств. Особенность Tapo P410M заключается в том, что она рассчитана на работу в сложных климатических условиях. Устройство функционирует при температуре от -20 до +50 °C и защищено от дождя, влаги и пыли по стандарту IP54. Благодаря этому розетка безопасно используется на открытом воздухе, будь то внутренний двор, садовая зона или наружное освещение возле дома. Компания TP-Link также акцентировала внимание на удобстве подключения. Розетка поддерживает Wi-Fi 2,4 ГГц и Bluetooth LE, что избавляет от необходимости покупать отдельный хаб. Настройка выполняется через фирменное приложение Tapo или с использованием QR-кода на корпусе, что особенно удобно при установке в труднодоступных местах. После первичной конфигурации управление устройством доступно из приложения или с помощью голосовых помощников A ...>>

Игровой монитор Sony PlayStation Gaming Monitor 24.11.2025

На презентации State of Play компания Sony представила устройство, которое может изменить представления о фирменной экосистеме PlayStation, - свой первый игровой монитор под этим брендом. PlayStation Gaming Monitor, как официально назвали новинку, ориентирован сразу на две аудитории: владельцев консолей и пользователей ПК. Для компьютерных систем, включая macOS, поддерживается частота обновления до 240 Гц с технологией переменной частоты VRR, а для консолей PlayStation 5 и PlayStation 5 Pro частота ограничена 120 Гц, что соответствует архитектуре и возможностям самих приставок. Основу устройства составляет 27-дюймовая IPS-панель с разрешением QHD 2560?1440 пикселей, обеспечивающая высокую четкость и широкий угол обзора. Отдельное внимание продукция заслужила благодаря функции, не встречавшейся ранее в мониторах Sony. В нижней части корпуса находится встроенная выдвижная док-станция для беспроводной зарядки контроллеров DualSense. Такой подход позволяет избавиться от отдельных зар ...>>

Случайная новость из Архива Беспроводная клавиатура Keychron Q1 HE 14.12.2023 Компания Keychron представила беспроводную клавиатуру Q1 HE, запущенную через краудфандинговую платформу Kickstarter. Keychron Q1 HE представляет собой инновационную беспроводную клавиатуру, сочетающую в себе выдающуюся функциональность и стильный дизайн. Современные технологии, использованные в данной модели, делают ее идеальным выбором для тех, кто ценит комфорт и производительность в работе. Новая клавиатура оснащена 82 клавишами, включая 12 мультимедийных клавиш, светодиодами RGB, технологией NKRO и аккумулятором емкостью 4000 мАч. Она также поддерживает горячую замену клавиш для максимального комфорта. Металлический корпус клавиатуры изготовлен из экологически чистого алюминия 6063, клавиши выполнены из PBT, а силиконовые подушки минимизируют шум при наборе. Стабилизаторы, установленные на печатной плате, обеспечивают надежность работы. Keychron Q1 HE выделяется использованием переключателей Gateron 2.0 с магнитными датчиками Холла, предлагая инновационный дизайн стержня и предварительную смазку для повышенной стабильности и плавности. Эти переключатели предоставляют настраиваемые точки активации, что позволяет пользователям регулировать чувствительность в пределах от 0.1 мм до 4.0 мм, обеспечивая персонализированный опыт печати. Клавиатура предлагает два варианта беспроводной связи: 2.4 ГГц и Bluetooth 5.1. В режиме 2.4 ГГц обеспечивается высокая частота опроса в 1000 Гц. Устройство совместимо с веб-приложением Keychron, обеспечивающим совместимость с устройствами под управлением macOS, Windows и Linux. Keychron Q1 HE доступна в двух стильных цветах: углеродно-черном и раковинно-белом, и ее стоимость составляет $194.

Другие интересные новости:

▪ Катапульта-рельсотрон для истребителей

▪ В дителлуриде урана нашли майорановские фермионы

▪ Бумага против коронавируса

▪ Почему мужчины не любят ходить к докторам

▪ Леса не спасают от избытка углекислого газа

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Микрофоны, радиомикрофоны. Подборка статей

▪ статья Страна неограниченных возможностей. Крылатое выражение

▪ статья Каков усредненный цвет всех источников света во Вселенной? Подробный ответ

▪ статья Луговой кресс. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Система частотного кодирования. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Куда исчезла пуговица? Секрет фокуса. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025