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:

Токсичность интернета преувеличена 07.01.2026

Социальные сети нередко воспринимаются как арена постоянной агрессии, оскорблений и распространения фейковой информации. Новое исследование Стэнфордского университета показывает, что реальность значительно отличается от популярного представления: интернет гораздо менее токсичен, чем многие пользователи считают. Ученые опросили более тысячи американцев, попросив их оценить долю пользователей соцсетей, которые ведут себя агрессивно или распространяют ненависть. Оказалось, что впечатления людей сильно преувеличивают масштабы проблемы. Например, респонденты считали, что почти половина пользователей Reddit хотя бы раз оставляла оскорбительные комментарии, тогда как фактические данные платформы показывают, что таких людей не более 3%. Аналогичная ситуация наблюдается с дезинформацией. Опрос показал, что большинство участников считали почти половину аудитории Facebook распространителями фейковых новостей, однако статистика говорит об обратном: фактическая доля таких пользователей состав ...>>

Процессоры Ryzen AI 400 07.01.2026

Современные вычисления все больше ориентируются на интеграцию искусственного интеллекта и высокую производительность в компактных устройствах, таких как ноутбуки и мини-ПК. Новая линейка процессоров AMD Ryzen AI 400 демонстрирует, как разработчики объединяют мощные центральные ядра, графику и нейросетевые ускорители в одном чипе, чтобы удовлетворять растущие потребности пользователей в играх, контенте и ИИ-приложениях. AMD представила процессоры серии Gorgon Point, которые включают до 12 ядер Zen 5 и до 24 потоков вычислений. Чипы поддерживают интегрированную графику RDNA 3.5, обеспечивают максимальную тактовую частоту до 5,2 ГГц и имеют энергопотребление от 15 Вт до 54 Вт. Особое внимание уделено NPU, способному обрабатывать до 60 триллионов операций в секунду (TOPS), что делает эти процессоры эффективными для задач с искусственным интеллектом. Конструкция Ryzen AI 400 сочетает ядра Zen 5 и Zen 5c, обеспечивая высокую гибкость и производительность. Несмотря на то, что архитектур ...>>

Женщины лучше распознают признаки болезни по лицу 06.01.2026

Способность распознавать, что кто-то нездоров, часто проявляется интуитивно: бледная кожа, опущенные веки, уставшее выражение лица могут сигнализировать о недомогании. Новое исследование международной группы ученых показало, что женщины в среднем точнее мужчин улавливают такие тонкие невербальные признаки болезни, что может иметь эволюционные и социальные объяснения. В отличие от предыдущих работ, где использовались отредактированные фотографии или имитация больных лиц, ученые решили проверить, насколько люди способны распознавать естественные признаки недомогания. Такой подход позволил оценить реальную чувствительность к изменениям в лицах, возникающим при болезни. В исследовании приняли участие 280 студентов, поровну мужчин и женщин. Участникам предложили оценить 24 фотографии, на которых изображены люди как в здоровом состоянии, так и во время болезни. Это дало возможность сравнить восприятие естественных признаков недомогания в реальных лицах. Для анализа состояния каждого ...>>

Случайная новость из Архива VR-неттоп ZOTAC ZBOX Magnus ERX480 31.10.2016 Компания ZOTAC представила компьютер небольшого форм-фактора ZBOX Magnus ERX480, созданный для поклонников игр. Разработчик называет новинку первым в мире мини-ПК с графическим ускорителем AMD Radeon, подходящим для работы со шлемами виртуальной реальности (VR). В составе неттопа задействована дискретная видеокарта AMD Radeon RX480 (архитектура Polaris), наделенная 4 Гбайт памяти GDDR5 с 256-битной шиной. "Сердце" мини-компьютера - процессор Intel Core i5-6400T поколения Skylake. Данный 14-нанометровый чип имеет четыре вычислительных ядра с номинальной тактовой частотой 2,2 ГГц (динамически повышается до 2,8 ГГц). Допускается использование до 32 Гбайт оперативной памяти DDR4-1866/2133. Неттоп может быть укомплектован одним 2,5-дюймовым накопителем, а также твердотельным модулем М.2. Есть ридер карт SD/SDHC/SDXC, адаптеры беспроводной связи Wi-Fi 802.11ac/b/g/n и Bluetooth 4.2, двухпортовый сетевой контроллер Gigabit Ethernet. ZBOX Magnus ERX480 может выводить изображение формата 4K при частоте обновления 60 Гц. Для подключения дисплеев есть два разъема HDMI 2.0 и два интерфейса DisplayPort 1.3. Присутствуют порты USB 3.1 Type-C, USB 3.1 Type-A, USB 3.0 (х2) и USB 2.0 (х2). Габариты новинки: 210 х 203 х 62,2 мм.

Другие интересные новости:

▪ Microsoft записала в ДНК 200 МБ данных

▪ Искусственный интеллект распознает безмолвную речь

▪ Электрокроссовер Porsche Macan

▪ Оранжевое небо

▪ Прототипы дисплеев Samsung

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Радио - начинающим. Подборка статей

▪ статья Забытые слова. Крылатое выражение

▪ статья Какой президент ездил на гангстерском автомобиле? Подробный ответ

▪ статья Телеграфист. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Трехканальный мультимедийный УМЗЧ. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Страшная тень. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026