Notatka lekcja_#3_1; na podstawie W.Kapica 2017 Strona 1

Transkrypt

1 Na poprzednich zajęciach zajmowaliśmy się odczytywaniem sygnałów cyfrowych. Dzięki temu mogliśmy np.: sprawdzić, czy przycisk został wciśnięty. Świat, który nas otacza nie jest jednak cyfrowy, czasami 2 stany (1/0) to za mało. Dlatego tym razem zajmiemy się przetwornikiem analogowo-cyfrowym, w skrócie ADC. a. Krótki wstęp teoretyczny Elektronikę można podzielić na cyfrową oraz analogową. Cyfrowa ogranicza się do tego, że dane wejście lub wyjście może być w jednym z dwóch stanów. Wysokim (1) lub niskim (0). W praktyce oznacza to, że Arduino rozpozna na swoim wejściu 0V lub 5V (w uproszczeniu). Niestety nie wszystkie rzeczy z otaczającego nas świata można opisać w tak prosty sposób. Podłączając czujnik odległości chcielibyśmy poznać dokładną odległość od przeszkody, a nie jedynie informacje na zasadzie: przeszkoda widoczna, brak przeszkody. Czujnik taki na swoim wyjściu mógłby podawać napięcie proporcjonalne do odległości. Wtedy pomiar polegałby na odczytaniu napięcia np.: z zakresu 0-5V. To jest właśnie podejście analogowe. Dlatego w poniższych przykładach wykorzystamy odpowiednie peryferia Arduino, które pozwalają na pomiar napięcia dostarczanego do specjalnych wejść układu. Do przetwarzania sygnału analogowego wykorzystuje się tzw. ADC, czyli Analog-Digital Converter. Jest to jedno z najpopularniejszych peryferiów występujących w mikrokontrolerach. Jego zadaniem jest próbkowanie napięcia podanego na wejście układu i przetwarzanie go na postać cyfrową. Przykładowo dla przetwornika liniowego: W tym wypadku przedstawiony został przetwornik 8-bitowy, ponieważ odczytana wartość mogła mieć 256 kombinacji (poczynając od 0). W rzeczywistości możemy się spotkać z różnymi przetwornikami, np. 12 lub 16-bitowymi. Przetwornik, który ma więcej bitów powinien być dokładniejszy, ponieważ jego maksymalna wartość jest większa (działa na tym samym zakresie, ale z większą rozdzielczością). W ramach ciekawostki warto wiedzieć, że przetworniki analogowo-cyfrowe działają stosunkowo wolno. Oczywiście nie zauważysz tego w swoich programach. Jednak porównując ADC do innych peryferiów mikrokontrolera nie wypadają one na tym tle najlepiej. Po drugie przetworniki te są drogie w produkcji. Jak pamiętasz z drugiej lekcji w Arduino UNO mamy do dyspozycji 6 wejść analogowych (A0-A5). Tak naprawdę w środku mikrokontrolera znajduje się tylko 1 przetwornik ADC, do którego podłączony jest multiplekser. Dzięki temu możliwy jest pomiar napięcia na 6 kanałach. Notatka lekcja_#3_1; na podstawie W.Kapica 2017 Strona 1

2 b. ADC w praktyce Czas na sprawdzenie jak ADC zadziała w praktyce. W tym celu należy złożyć układ zgodnie z poniższym rysunkiem. Pojawił się tutaj potencjometr w roli dzielnika napięcia. Programowe wykorzystanie ADC jest banalne i ogranicza się do wykorzystania dosłownie jednej, funkcji analogread(kanał ADC), gdzie za kanał ADC podstawiamy wybrany pin (A0-A5). Nie pozostaje nam nic innego jak pierwszy prosty program. Na początku ograniczymy się tylko do przesyłania odczytanej wartości do komputera. Wykorzystamy do tego oczywiście USART. Notatka lekcja_#3_1; na podstawie W.Kapica 2017 Strona 2

3 Podczas kręcenia potencjometrem, na ekranie otrzymujemy wartości od 0 do To oznacza, że przetwornik ADC, który znajduje się w Arduino UNO jest 10-bitowy. Czy takie suche wartości są dla nas przydatne? Ciężko powiedzieć. Lepiej byłoby odczytywać wynik w bardziej ludzkich jednostkach. Przykładowo w woltach, prawda? Prosty woltomierz Zadanie to jest łatwe i polega tylko na odpowiednim przeliczeniu odczytanej wartości. Wiemy, że napięcie wejściowe waha się w zakresie 0-5V, a największa liczba jaką możemy odczytać z przetwornika do Czyli z proporcji: Mówiąc prościej każde zwiększenie napięcie wejściowego o ~0,005V zwiększy wskazanie ADC o jeden. Czyli uzyskanie wyniku w woltach ogranicza się do dodania jednej linijki: Zwróć uwagę, że zmienna napięcie została zadeklarowana jako typ float, czyli taką, która pozwala na przechowywanie liczb zmiennoprzecinkowych. Od teraz na ekranie komputera powinna wyświetlać się wartość z zakresu 0-5V. Tym samym zbudowaliśmy właśnie bardzo prosty, ale działający, woltomierz. Czy można zamiast potencjometru zmierzyć nim napięcie np.: baterii? Tak, ale tylko, gdy będziesz bardzo ostrożny. Notatka lekcja_#3_1; na podstawie W.Kapica 2017 Strona 3

4 Jednak jeśli znajdziesz gdzieś najzwyklejszą baterię AA 1,5V (poszukaj w pilotach do TV), to możesz przeprowadzić eksperyment: 1. Minus (GND) baterii połącz przewodem z masą Arduino 2. Przewód idący od pinu A5 przyłóż do plusa baterii 3. Odczytaj napięcie z komputera W moim wypadku, na nowej baterii, odczyt wynosił lekko ponad 1,6V, więc wszystko było w normie. Oczywiście woltomierz taki jest bardzo niedokładny i zbiera dużo zakłóceń (o czym przeczytasz dalej). Więc należy traktować go tylko jako ciekawostkę. c. Regulacja pracy programu dzięki ADC Wcześniejszy program miał za zadanie jedynie demonstrować działanie przetwornika. Możemy teraz wykorzystamy potencjometr podłączony do układu, aby wpływać na działanie programu. W tym celu dodajmy do Arduino jedną diodę LED. Wartości z przetwornika mieszą się w przedziale , czyli stosunkowo niewiele. Co stanie się, gdy odczytaną liczbę wykorzystamy jako wartość opóźnienia w programie? Oto najszybszy sposób na zbudowanie urządzenia, które miga diodą z częstotliwością regulowaną potencjometrem: Notatka lekcja_#3_1; na podstawie W.Kapica 2017 Strona 4

5 Zaobserwuj co dzieje się, w jednej ze skrajnych pozycji potencjometru. Jak myślisz, co jest tego przyczyną? Notatka lekcja_#3_1; na podstawie W.Kapica 2017 Strona 5