И попробуем выполнить новую задачу. Думаю, что все видели новогодние витринные гирлянды, в которых плавно мигают светодиоды. Допустим, что мы хотим сделать нечто подобное.
Мы уже рассматривали функцию digitalWrite() и знаем, что значение, которое она записывает, может быть двух вариантов - высокий или низкий уровень. В данном случае нам поможет функция analogWrite(). "Формулировки" функций различаются только начальными приставками, поэтому их легко запомнить.

Функция analogWrite(), так же как и digitalWrite(), содержит в скобках два аргумента и работает по тому же словесному принципу: "куда, что". Главным различием является возможность записи широкого диапазона значений вместо привычного LOW или HIGH. Это и позволит нам регулировать яркость светодиода. Главное замечание, которое необходимо учитывать, это то, что данная функция работает только на определенных контактах. Эти контакты обозначены символом "~". Этот символ означает, что это PWM-контакт. PWM (pulse-width modulation) звучит по-русски как ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Принцип работы основан на изменении длительности импульса. Графически это можно изобразить так:

Давайте попробуем разобраться как это работает, рассмотрев простой пример. Для этого необходимо подключить светодиод к PWM-контакту через резистор номиналом 150 Ом и "зашить" в Arduino простенькую программу. Схема подключения и код скетча представлены ниже:

void setup()
{
pinMode(led,OUTPUT);
}

void loop()
{
for(int i=0; i<=255; i++)
{
analogWrite(led,i);
delay(10);
}
for(int i=255; i>=0; i--)
{
analogWrite(led,i);
delay(10);
}
}

Думаю, что в целом код понятен, но необходимо уделить немного внимания циклу for(). Существует такое понятие как разрешение. Поскольку мы работаем с 8-битным разрешением (это будет рассмотрено несколько позднее), то минимальному значению будет соответствовать 0, а максимальному - 255. В конце каждой итерации мы установили временную задержку в 10мс.

Давайте вернемся к схеме из предыдущего урока и попробуем сделать аналогичную гирлянду с использованием функции analogWrite().

int buttonPin = 2;
int pins = {3,5,6,9,10,11};

boolean lastButton = LOW;
boolean currentButton = LOW;
boolean enable = false;

void setup()
{
pinMode(buttonPin, INPUT);
for(int mode = 0; mode <= 5; mode++) pinMode(pins, OUTPUT);
}

boolean debounce(boolean last)
{
boolean current = digitalRead(buttonPin);
if(last != current)
{
delay(5);
current = digitalRead(buttonPin);
}
return current;
}

void loop()
{
currentButton = debounce(lastButton);
if(lastButton == LOW && currentButton == HIGH)
{
enable = !enable;
}

If(enable == true)
{
for (int i=0; i<=5; i++)
{
for (int brightness = 0; brightness <= 255; brightness++)
{
delay(1);
}
delay(40);
}
for (int i=0; i<=5; i++)
{
for (int brightness = 255; brightness >= 0; brightness--)
{
analogWrite(pins[i], brightness);
delay(1);
}
delay(40);
}
}

If(enable == false)
{
for(int i = 0; i <= 5; i++) digitalWrite(pins[i], LOW);
}

LastButton = currentButton;
}

Визуально скетч стал несколько сложнее. На самом деле здесь все просто и давайте в этом разберемся. Нам необходимо идентифицировать все подключенные светодиоды, но вместо привычного int led мы используем массив, каждый элемент которого является PWM-контактом на Arduino. В теле функции void setup() мы тоже поступили хитрым образом. "Перечислять" все контакты мы доверили циклу for(), с каждой итерацией которого производится конфигурация соответствующего контакта на OUTPUT. Переходим к функции void loop(). Функция debounce() и начальное условие if() остается без изменений. У нас по-прежнему идет проверка уровней двух переменных: предыдущее значение (изначально LOW) и текущее состояние кнопки. При выполнении этих условий значение переменной enable инвертируется. Учитывая это, мы добавили еще два простых условия if(). Если enable = true, то гирлянда включается, плавностью "перетекания" которой управляет цикл for(). Если же enable = false, то все светодиоды выключены. По окончанию условий переменная lastButton принимает текущее состояние кнопки.
Тестируя нашу программу, мы заметили, что все работает не должным образом. Помните, в прошлом уроке мы сделали поправку, что при большом значении временной задержки кнопка срабатывает по её истечению? В прошлом примере, при включенной гирлянде, суммарная задержка в теле функции void loop() составляла 85мс. Это давало нам возможность успеть "попасть" в определенной отрезок времени. В данном скетче, при том же условии, задержка отличается в несколько раз. Возможно, при желании выключить гирлянду напрашивается слово "прервать". Это и будет являться решением данной задачи!

Надеюсь, что эта статья была для Вас полезной. В следующем уроке мы рассмотрим прерывания в Arduino и добьемся должного результата.

Список деталей для эксперимента

Для дополнительного задания

еще 1 светодиод

еще 1 резистор номиналом 220 Ом

еще 2 провода

Принципиальная схема

Схема на макетке

Обратите внимание

Мы подключили «землю» светодиода и переменного резистора (потенциометра) к длинной рельсе «-» макетной платы, и уже ее соединили с входом GND микроконтроллера. Таким образом мы использовали меньше входов и от макетки к контроллеру тянется меньше проводов.

Подписи «+» и «-» на макетке не обязывают вас использовать их строго для питания, просто чаще всего они используются именно так и маркировка нам помогает

Не важно, какая из крайних ножек потенциометра будет подключена к 5 В, а какая к GND, поменяется только направление, в котором нужно крутить ручку для увеличения напряжения. Запомните, что сигнал мы считываем со средней ножки

Для считывания аналогового сигнала, принимающего широкий спектр значений, а не просто 0 или 1, как цифровой, подходят только порты, помеченные на плате как «ANALOG IN» и пронумерованные с префиксом A . Для Arduino Uno - это A0-A5.

Скетч

p030_pot_light.ino // даём разумные имена для пинов со светодиодом // и потенциометром (англ potentiometer или просто «pot») #define LED_PIN 9 #define POT_PIN A0 void setup() { // пин со светодиодом - выход, как и раньше... pinMode(LED_PIN, OUTPUT) ; // ...а вот пин с потенциометром должен быть входом // (англ. «input»): мы хотим считывать напряжение, // выдаваемое им pinMode(POT_PIN, INPUT) ; } void loop() { // заявляем, что далее мы будем использовать 2 переменные с // именами rotation и brightness, и что хранить в них будем // целые числа (англ. «integer», сокращённо просто «int») int rotation, brightness; // считываем в rotation напряжение с потенциометра: // микроконтроллер выдаст число от 0 до 1023 // пропорциональное углу поворота ручки rotation = analogRead(POT_PIN) ; // в brightness записываем полученное ранее значение rotation // делённое на 4. Поскольку в переменных мы пожелали хранить // целые значения, дробная часть от деления будет отброшена. // В итоге мы получим целое число от 0 до 255 brightness = rotation / 4 ; // выдаём результат на светодиод analogWrite(LED_PIN, brightness) ; }

Пояснения к коду

С помощью директивы #define мы сказали компилятору заменять идентификатор POT_PIN на A0 - номер аналогового входа. Вы можете встретить код, где обращение к аналоговому порту будет по номеру без индекса A . Такой код будет работать, но во избежание путаницы с цифровыми портами используйте индекс.

Переменным принято давать названия, начинающиеся со строчной буквы.

Чтобы использовать переменную, необходимо ее объявить, что мы и делаем инструкцией:

int rotation, brightness;

Переменные одного типа можно объявить в одной инструкции, перечислив их через запятую, что мы и сделали

Функция analogRead(pinA) возвращает целочисленное значение в диапазоне от 0 до 1023, пропорциональное напряжению, поданному на аналоговый вход, номер которого мы передаем функции в качестве параметра pinA

Обратите внимание, как мы получили значение, возвращенное функцией analogRead() : мы просто поместили его в переменную rotation с помощью оператора присваивания = , который записывает то, что находится справа от него в ту переменную, которая стоит слева

Вопросы для проверки себя

Можем ли мы при сборке схемы подключить светодиод и потенциометр напрямую к разным входам GND микроконтроллера?

В какую сторону нужно крутить переменный резистор для увеличения яркости светодиода?

Что будет, если стереть из программы строчку pinMode(LED_PIN, OUTPUT) ? строчку pinMode(POT_PIN, INPUT) ?

Зачем мы делим значение, полученное с аналогового входа перед тем, как задать яркость светодиода? что будет, если этого не сделать?

Как рождаются программы

Это будет немного не обычная статья, в ней я попробую не просто показать готовый код, который что-то делает, а покажу как рождается устройство и прошивка для него. Мы рассмотрим логику работы программы и то как эту логику построить.

Сегодня мы с вами будем решать следующую задачу: есть 2 светодиода их надо подключить к Arduino и реализовать возможность регулировать яркость их горения.

Приступим!

Первым делом надо продумать как будет выглядеть наше устройство и что нам понадобится для его реализации, нам надо чем то регулировать яркость светодиодов и видеть в каком режиме сейчас работают светодиоды для этого отлично подходит lcd shield который мы рассматривали в прошлой статье .

Теперь нам осталось подключить светодиоды, для этого отлично подходит так называемый бредборд, это пластиковая штуковина (не знаю как ее по другому назвать) в которую без пайки можно подключить провода от Arduino и другие электронные компоненты, что очень удобно когда ты точно не знаешь как будет выглядеть готовое устройство или схема нужно всего на несколько запусков. Китайцы клепают огромное количество их разновидностей, я лично пользуюсь таким:

Для простоты понимания как он устроен внутри я приложу схему внутренних соединений:

Подключение светодиодов к Arduino

Многие сейчас скажут: что сложного в подключении светодиода, это же лампочка! И будут не правы, светодиод - это далеко не простая лампочка, а полупроводниковый световой прибор. Который питается не напряжением как обычная лампочка, а током и если ток превысит допустимые значения, то светодиод начнет деградировать, его яркость будет уменьшатся что станет заметно через некоторое время, зависящее от мощности протыкаемого тока или, вообще моментально сгорит.

Как избежать порчи светодиода из-за большого тока? Все очень просто: нужно использовать токоограничивающий резистор, который надо рассчитывать для каждого светодиода в зависимости от его характеристик. Расчет резисторов для светодиода - это тема для отдельной статьи и сегодня мы не будем углубляться в эту тему так как скорей всего вы не знаете характеристик светодиода, который вы где-то нашли. На этот случай я использую маленькое правило: если светодиод не яркий, то я запитываю его через резистор сопротивлением от 220 до 400 ом в зависимости от того какой резистор был под рукой. Главное запомнить правило – лучше больше чем меньше. При большем сопротивлении чем требуется светодиоду, он просто будет гореть тусклее нормы.

Теперь надо определится как регулировать яркость светодиода, для этого можно использовать переменные резисторы что в принципе исключит интерактивную регулировку и по этому мы не будем использовать данный способ в этой статье. Мы будем использовать ШИМ реализованный на плате Arduino.

Что такое ШИМ

ШИМ (широтно-импульсная модуляция) – это изменение скважности сигнала на определенном отрезке времени. Шим сигнал имеет следующий вид по сравнению с постоянным сигналом:

На этой картинке 100% рабочего цикла это отсутствие ШИМ как такового, сигнал идет без изменений, как будто вывод просто подключен к 5 вольтам.

0% рабочего цикла это отсутствие какого-либо сигнала, как будто провод никуда не подключен.

Остальные режимы работы - это быстрое переключение режимов работы что заставляет светодиод как бы моргать с большой скоростью не заметной глазу человека (100 раз в секунду) что и заставляет его гореть с не полной яркостью. Arduino в зависимости от версии используемого чипа имеет разное количество ШИМ выходов, на плате они помечены знаком ~ из прошлой статьи мы знаем что это 6 выходов 3, 5, 6, 9, 10, и 11 мы будем использовать 10 и 11 выводы.

Давайте наконец то подключим светодиоды к плате. Надеваем на Arduino наш lcd shield и собираем следующею схему для которой нам понадобится бредборд, 2 светодиода, 2 резистора на 250 ом, и 3-4 провода папа- папа. Схема будет иметь следующий вид:

И не забываем, что у светодиода есть полярность, длинная или кривая (как на схеме) ножка светодиода - это плюс который и подключается через резистор.

На этом я наверно закончу первую часть статьи, во второй части мы займемся именно проработкой логики работы и написанием кода программ. Всем добра!

Ардуино идеально подходит для управления любыми устройствами. Микропроцессор ATmega с помощью программы-скетча манипулирует большим количеством дискретных выводов, аналогово-цифровых входов/выводов и ШИМ-контроллерами.

Благодаря гибкости кода микроконтроллер ATmega широко используется в модулях различной автоматики, в том числе на его основе возможно создать контроллер управления светодиодным освещением.

Принцип управления нагрузкой через Ардуино

Плата Ардуино имеет два типа портов вывода: цифровой и аналоговый (ШИМ-контроллер). У цифрового порта возможно два состояния – логический ноль и логическая единица. Если подключить к нему светодиод он либо будет светиться, либо не будет.

Аналоговый выход представляет собой ШИМ-контроллер, на который подаётся сигнал частотой около 500Гц с регулируемой скважностью. Что такое ШИМ-контроллер и принцип его работы можно найти в интернете. Через аналоговый порт возможно не только включать и выключать нагрузку, а и изменять напряжение (ток) на ней.

Синтаксис команд

Цифровой вывод:

pinMode(12, OUTPUT); — задаём порт 12 портом вывода данных;
digitalWrite(12, HIGH); — подаём на дискретный выход 12 логическую единицу, зажигая светодиод.

Аналоговый вывод:

analogOutPin = 3; – задаём порт 3 для вывода аналогового значения;
analogWrite(3, значение); – формируем на выходе сигнал с напряжением от 0 до 5В. Значение – скважность сигнала от 0 до 255. При значении 255 максимальное напряжение.

Способы управления светодиодами через Ардуино

Напрямую через порт можно подключить лишь слабый светодиод, да и то лучше через ограничительный резистор. Попытка подключить более мощную нагрузку выведет его из строя.

Для более мощных нагрузок, в том числе светодиодных лент, используют электронный ключ – транзистор.

Виды транзисторных ключей

• Биполярный;
• Полевой;
• Составной (сборка Дарлингтона).

Способы подключения нагрузки
Через биполярный транзистор	Через полевой транзистор	Через коммутатор напряжения

При подаче высокого логического уровня (digitalWrite(12, HIGH);) через порт вывода на базу транзистора через цепочку коллектор-эмиттер потечет опорное напряжение на нагрузку. Таким образом можно включать и отключать светодиод.

Аналогичным образом работает и полевой транзистор, но поскольку у него вместо «базы» сток, который управляется не током, а напряжением, ограничительный резистор в этой схеме необязателен.

Биполярный вид не позволяет регулировать мощные нагрузки. Ток через него ограничен на уровне 0,1-0,3А.

Полевые транзисторы работают с более мощными нагрузками с током до 2А. Для ещё более мощной нагрузки используют полевые транзисторы Mosfet с током до 9А и напряжением до 60В.

Вместо полевых можно использовать сборку Дарлингтона из биполярных транзисторов на микросхемах ULN2003, ULN2803.

Микросхема ULN2003 и принципиальная схема электронного коммутатора напряжения:

Принцип работы транзистора для плавного управления светодиодной лентой

Транзистор работает как водопроводный кран, только для электронов. Чем выше напряжение, подаваемое на базу биполярного транзистора либо сток полевого, тем меньше сопротивление в цепочке эмиттер-коллектор, тем выше ток, проходящий через нагрузку.

Подключив транзистор к аналоговому порту Ардуино, присваиваем ему значение от 0 до 255, изменяем напряжение, подаваемое на коллектор либо сток от 0 до 5В. Через цепочку коллектор-эмиттер будет проходить от 0 до 100% опорного напряжения нагрузки.

Для управления светодиодной лентой arduino необходимо подобрать транзистор подходящей мощности. Рабочий ток для питания метра светодиодов 300-500мА, для этих целей подойдет силовой биполярный транзистор. Для большей длины потребуется полевой транзистор.

Схема подключения LED ленты к ардуино:

Управление RGB лентой с помощью Andurino

Кроме однокристальных светодиодов, Ардуино может работать и с цветными LED. Подключив выводы каждого цвета к аналоговым выходам Ардуино можно произвольно изменять яркость каждого кристалла, добиваясь необходимого цвета свечения.

Схема подключения к Arduino RGB светодиода:

Аналогично построено и управление RGB лентой Arduino:

Аrduino RGB контроллер лучше собирать на полевых транзисторах.

Для плавного управления яркостью можно использовать две кнопки. Одна будет увеличивать яркость свечения, другая уменьшать.

Скетч управления яркостью светодиодной ленты Arduino

int led = 120; устанавливаем средний уровень яркости

void setup() {
pinMode(4, OUTPUT); устанавливаем 4й аналоговый порт на вывод
pinMode(2, INPUT);

pinMode(4, INPUT); устанавливаем 2й и 4й цифровой порт на ввод для опроса кнопок
}
void loop(){

button1 = digitalRead(2);

button2 = digitalRead(4);
if (button1 == HIGH) нажатие на первую кнопку увеличит яркость
{
led = led + 5;

analogWrite(4, led);
}
if (button2 == HIGH) нажатие на вторую кнопку уменьшит яркость
{
led = led — 5;

analogWrite(4, led);
}

При удержании первой или второй кнопки плавно изменяется напряжение, подаваемое на управляющий контакт электронного ключа. Тогда и произойдет плавное изменение яркости.

Модули управления Ардуино

Для создания полноценного драйвера управления светодиодной лентой можно использовать модули-датчики.

ИК-управление

Модуль позволяет запрограммировать до 20 команд.

Радиус сигнала около 8м.

Цена комплекта 6 у.е.

По радиоканалу

Четырёхканальный блок с радиусом действия до 100м

Цена комплекта 8 у.е.

Позволяет включать освещение еще при приближении к квартире.

Бесконтактное

Датчик расстояния способен по движению руки увеличивать и уменьшать яркость освещения.

Радиус действия до 5м.

Цена модуля 0,3 у.е.

На предыдущих уроках мы познакомились с простейшими схемами — сборкой и . Сегодня собираем модель с потенциометром (переменным резистором) и светодиодом. Такая модель может использоваться для управления роботом.

Потенциометр — это переменный резистор с регулируемым сопротивлением. Потенциометры используются в робототехнике как регуляторы различных параметров — громкости звука, мощности, напряжения и т.п. В нашей модели от поворота ручки потенциометра будет зависеть яркость светодиода. Это также одна из базовых схем.

Видео-инструкция сборки модели:

Для сборки модели нам потребуется:

• плата Arduino (или аналоги);
• Breadboard;
• 6 проводов и/или перемычек “папа-папа”;
• светодиод;
• потенциометр (переменный резистор);
• резистор на 220 Ом;
• среда Arduino IDE, которую можно скачать с сайта Arduino .

Что понадобится для подключения потенциометра и светодиода на Arduino?

Схема подключения модели Arduino с потенциометром и светодиодом:

Схема подключения модели Arduino с потенциометром и светодиодом

Для работы этой модели подойдет следующая программа (программу вы можете просто скопировать в Arduino IDE):

// даём имена пинов со светодиодом
// и потенциометром
#define led 9
#define pot A0
void setup()
{
// пин со светодиодом - выход
pinMode(led, OUTPUT);
// пин с потенциометром - вход
pinMode(pot, INPUT);
}
void loop()
{
// объявляем переменную x
int x;
// считываем напряжение с потенциометра:
// будет получено число от 0 до 1023
// делим его на 4, получится число в диапозоне
// 0-255 (дробная часть будет отброшена)
x = analogRead(pot) / 4;
// выдаём результат на светодиод
analogWrite(led, x);
}

Так выглядит собранная модель Arduino потенциометра со светодиодом:

Модель Arduino с потенциометром и светодиодом в собранном виде

На этом третий урок “Arduino для начинающих” закончен. Продолжение следует!

Посты по урокам:

1. Первый урок: .
2. Второй урок: .
3. Третий урок: .
4. Четвертый урок: .
5. Пятый урок: .
6. Шестой урок: .
7. Седьмой урок: .
8. Восьмой урок: .
9. Девятый урок: