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:

Чувства кота, ожидаюшего возвращения хозяина 16.07.2026

Многие владельцы кошек уверены, что их питомцы совершенно равнодушны к уходу человека из дома. Считается, что кошки - независимые существа, которые спокойно переносят одиночество и даже радуются, оставаясь одни. Однако испанские специалисты по поведению животных считают, что реальность гораздо сложнее. Реакция кошки на отсутствие хозяина зависит от ее индивидуального характера, степени привязанности к человеку и привычного распорядка дня. Кошки хорошо запоминают ежедневные ритуалы своих владельцев. Они способны связывать определенные звуки - звон ключей, шаги у двери или звук закрывающегося замка - с предстоящим уходом человека. Для одних животных эти сигналы означают возможность спокойно лечь спать, а для других становятся причиной беспокойства и длительного ожидания возвращения хозяина. Таким образом, кошка не просто "не замечает" уход, а активно реагирует на связанные с ним изменения в окружающей обстановке. Исследования поведения кошек показывают, что некоторые из них действи ...>>

Целесообразность приема пробиотиков после курса антибиотиков 16.07.2026

Антибиотики остаются одним из самых мощных инструментов современной медицины в борьбе с бактериальными инфекциями. Однако их действие не ограничивается уничтожением только вредных микроорганизмов. Эти препараты способны существенно влиять на состав кишечной микрофлоры, что часто вызывает вопросы у пациентов: насколько серьезны эти изменения, как долго они сохраняются и нужно ли после курса антибиотиков принимать пробиотики для восстановления. На эти вопросы попытались ответить исследователи, проанализировав имеющиеся научные данные. Во время приема антибиотиков многие люди сталкиваются с неприятными симптомами со стороны пищеварительной системы: тошнотой, болями или спазмами в животе, а также диареей. Такие реакции возникают потому, что препараты воздействуют не только на возбудителей инфекции, но и на полезные бактерии, которые населяют кишечник и участвуют в пищеварении, синтезе витаминов и поддержании иммунитета. Некоторые антибиотики, например азитромицин, могут напрямую влия ...>>

Резкое похудение и возврат веса могут навредить сердцу 15.07.2026

Многие люди, желая быстро избавиться от лишних килограммов, прибегают к строгим диетам с резким ограничением калорий. Достигнув желаемого результата, они часто постепенно или быстро возвращаются к прежнему рациону и прежнему весу. На первый взгляд это кажется лишь вопросом внешнего вида, однако ученые предупреждают: постоянные колебания массы тела могут оказывать негативное влияние на сердечно-сосудистую систему и обмен веществ. Так называемый эффект йо-йо, когда периоды активного похудения сменяются повторным набором веса, становится все более распространенным явлением. Новые исследования указывают на возможную связь между такими циклами и ухудшением работы сердца. Организм способен адаптироваться к изменениям питания, но постоянное повторение резких переходов между ограничением калорий и перееданием создает дополнительную нагрузку на различные системы. В одном из экспериментов на лабораторных животных исследователи моделировали эффект йо-йо, периодически снижая калорийность рац ...>>

Случайная новость из Архива Канадские озера исчезают 25.07.2012 В Канаде 1,3 миллиона озер. Многие из них, особенно небольшие, даже не имеют названия - только номер. Наблюдения со спутников, ведущиеся с 2000 года, показали, что размеры многих канадских озер по неизвестной причине сокращаются. За 2000-2009 годы страна потеряла 6700 квадратных километров общей поверхности озер, то есть 1,2 процента водного зеркала. Возможное объяснение - последствия глобального потепления. Озера на севере страны могут сокращаться из-за таяния вечной мерзлоты - вода просто уходит в оттаявшую почву. На юге может влиять усилившееся испарение. Из-за потепления зимы стали менее снежными и водоемы меньше пополняются весной. Но эти гипотезы нуждаются в проверке.

Другие интересные новости:

▪ Натриево-воздушный аккумулятор

▪ Добыча полезных ископаемых из астероидов

▪ Улучшение химиотерапии

▪ Создан искусственный организм с одной хромосомой

▪ Тест на наркотики

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Истории из жизни радиолюбителей. Подборка статей

▪ статья Не в своей тарелке. Крылатое выражение

▪ статья Какую функцию выполняло приложение I Am Rich для iPhone стоимостью в 1000$? Подробный ответ

▪ статья Нормы и условия бесплатной выдачи молока или других равноценных пищевых продуктов

▪ статья Генератор сигналов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Сеанс гипноза. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026