Arduino программный шим. Схема для демонстрации широтно-импульсной модуляции в Arduino. Управление яркостью светодиода с помощью PWM и Arduino

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.

Широтно-импульсная модуляция, сокращенно ШИМ, может быть реализована на Arduino несколькими способами. В этой статье объясняются простые методы ШИМ, а также методы использования этих регистров для точного контроля над рабочим циклом и частотой.

Модуляция ширины импульса означает, что ширина импульса возникает строго в прямоугольной волне.

Это улучшает управление двигателем. Вместо чистого сигнала постоянного тока к двигателю используется серия импульсов. Они могут находиться на максимальном напряжении, но только на долю секунды. Выполнение повторных действий приведет к тому, что двигатель начнет вращаться. Это позволит более комфортно управлять скоростью. Простое применение сигнала постоянного тока не приведет к преодолению трения двигателя и передач, наоборот, запуск будет обрывистый с низкой скоростью.

Увеличивая частоту импульсов ШИМа на Ардуино, можно выполнять операции на высокой скорости.

Декодер создает этот сигнал для управления двигателем. Это та же концепция, что и функции мощности импульса, находящиеся на блоках питания постоянного тока.

Рассмотрим основные преимущества использования ШИМ Ардуино:

Эффективность электропитания: индукция обмоток ротора будет усреднять ток (индукторы сопротивляются изменению тока). Транзисторы имеют низкий импеданс при низком падении напряжения и рассеивании мощности. Резистор рассеивает большую мощность (I2R) в виде тепла.
Управление скоростью: двигатель будет видеть источник с низким импедансом, даже если он постоянно переключается между высоким и низким напряжением. Результат очевиден – двигатель ускоряется. Серийное сопротивление приведет к тому, что двигатель будет испытывать малое напряжение, поэтому легко остановится в нужный момент.
Цепь управления: для цифровой электроники (например, микроконтроллера) очень легко включать или выключать напряжение с помощью транзисторов. Аналоговый выход (с электронным или механическим управлением) требует большего количества компонентов и увеличивает рассеивание мощности. Это будет более дорогостоящим вариантом, с точки зрения электроники и требований к электропитанию.

Создать широтно-импульсный модулятор можно на esp8266 шим, на Ардуино УНО и Ардуино Нано шим. То есть для конструирования подойдет любая модель описываемого микроконтроллера.

Формирование аналогового сигнала

AnalogRead – это функция, которая используется для считывания аналоговых значений из аналоговых контактов ШИМа на Ардуино. Плата Arduino UNO имеет 6-канальный 10-битный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Это означает, что АЦП в будет отображать входные напряжения от 0 до 5 В в целое значение от 0 до 1023.

Следовательно, функция analogRead возвращает любое значение от 0 до 1023. Синтаксис функции analogRead – analogRead (аналоговый вывод no) .

Поскольку мы считываем аналоговые напряжения от потенциометра на выводе A0, нам нужно написать analogRead (A0) в эскизе. Когда он возвращает целочисленное значение, с ним создается временная переменная целочисленного типа данных. Следующая функция – analogWrite. Это функция, которая используется для установки рабочего цикла сигнала ШИМ для любого заданного штыря ШИМ.

Синтаксис функции analogWrite – analogWrite (вывод PWM no, value).

Значение указывает рабочий цикл и должно быть значением от 0 (0 В) до 255 (5 В).

Перейдем к фактическому эскизу схемы управления яркостью светодиода. Окончательный эскиз показан на следующем рисунке.

Из приведенного выше эскиза мы можем легко понять, что значение, возвращаемое функцией analogRead, сохраняется в переменной temp. Это значение будет использоваться для управления рабочим циклом сигнала ШИМ с помощью функции analogWrite.

Но диапазон значений, принимаемых функцией analogWrite, находится в диапазоне от 0 до 255. Следовательно, нам нужно выполнить некоторые математические вычисления, чтобы поместить подходящее значение в функцию analogWrite.

Наконец, вычисленное значение помещается в функцию analogWrite вместе с выводом PWM для получения сигнала PWM.

Когда схема построена, и эскиз загружен в Arduino, мы видим, что, изменяя положение потенциометра, яркость светодиода мы также можем изменить.

Еще один вариант скетча для Ардуино:

Int ledPin = 3; // объявляем пин, управляющий светодиодом int brightness = 0; // переменная для задания яркости int fadeAmount = 5; // шаг изменения яркости void setup() { pinMode(ledPin, OUTPUT); } void loop() { analogWrite(ledPin, brightness); // устанавливаем яркость brightness на выводе ledPin brightness += fadeAmount; // изменяем значение яркости /* при достижении границ 0 или 255 меняем направление изменения яркости */ if (brightness == 0 || brightness == 255) { fadeAmount = -fadeAmount; // изменяем знак шага } delay(30); // задержка для большей видимости эффекта }

Широтно-импульсные модуляторы в Ардуино

Чтобы использовать частотный ШИМ на , нужно всего лишь установить один из ШИМ-выводов в качестве выхода, затем вызывать команду analogWrite и установить уровень. Частота установлена примерно на 500 Гц, поэтому не нужно беспокоиться об этой части.

Мы выбираем контакт под номером 3, устанавливаем его, как output, и analogWrite значение для него. При выборе выхода у нас есть 256 уровней на выбор. Уровень рабочего цикла можно установить между номерами 0 и 255, где 0 – рабочий цикл 0 %, а 255 – 100 % рабочего цикла.

Последний вывод микроконтроллера на плате Arduino Uno составляет 5 В. Чтобы установить светодиод, который мы выбрали для полной яркости, нам необходимо подать напряжение 3,3 В и 15 мА тока. Для этого мы понижаем напряжение на резисторе 100 Ом.

Увеличение частоты и разрядности ШИМ Ардуино

Для изменения частоты ШИМа Ардуино в большую сторону необходимо обратиться к следующей инструкции.

Когда высокочастотный ШИМ-сигнал фильтруется, его небольшой компонент всегда будет проходить через фильтр. Это происходит потому, что конденсатор слишком мал, чтобы полностью его фильтровать. Можно было бы выбрать большую комбинацию конденсаторов и резисторов, но тогда потребуется долгое время для достижения надлежащего выходного напряжения при зарядке конденсатора.

Это значительно ограничило бы то, как быстро сигнал может измениться и быть видимым на выходе. Поэтому нужно выбрать разумное значение напряжения пульсации. Популярным приложением было бы изменение напряжения MOSFET . Поскольку МОП-транзисторы являются устройствами, контролирующими напряжение, можно легко управлять ими с помощью нашего микроконтроллера с ШИМ и фильтром нижних частот. На выходе будет присутствовать любое пульсационное напряжение, присутствующее на входе.

В этом примере предположим, что MOSFET будет управлять не критической нагрузкой, такой, как светодиод высокой мощности. В этом случае нам просто нужно оставаться в разумных пределах, поэтому пиковый ток в светодиоде не будет превышен. В этом случае пульсация в 0,1 вольта была бы более чем достаточной.

Примеры использования ШИМ на Ардуино

Широкополосная широтно-импульсная модуляция является способом кодирования напряжения на фиксированную несущую частоту. Он обычно используется для радиоуправляемых устройств. Каждый тип схемы модуляции имеет свои преимущества и недостатки.

AM-модуляция была первым типом модуляции, используемой для радиопередач. Самая простая схема модуляции для реализации требует только одного транзистора или усилителя вакуумной трубки, как это было сделано в первые дни с момента создания радио.

С необходимостью цифровой связи был изобретен новый метод модуляции – ШИМ. Этот метод обладает той же помехоустойчивостью, что и радиоволны. Самая большая разница – простота и цифровая природа модуляции. Вместо того, чтобы изменять частоту модуляции с напряжением, выход просто включается и выключается с фиксированной частотой. Процент времени включения пропорционален сигнальному напряжению.

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);
}
}

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;
}

Месяца 3 назад, как и многие горе-электроники, купил себе на мой тогдашний взгляд самую навороченную микропроцессорную плату из семейства Arduino, а именно Seeeduino Mega, на базе процессора Atmega1280. Побаловавшись всласть вращающимся сервоприводом и моргающим светодиодом, встал вопрос: «зачем же я её купил?».

Я работаю одним из ведущих конструкторов на одном крупном военном Зеленоградском заводе, и в данный момент веду проект по разработке метрологического средства измерения. В данной задаче существует бесконечное множество проблем, которые требуют индивидуального решения. Одной из таких задач является управление шаговым двигателем без шумов и с шагом не 1.8 градуса, как сказано в документации шагового двигателя, а до 0.0001 градуса. Казалось бы, задача сложна и нерешабельна, но, повозившись немного со схемами управления, пришёл к выводу, что всё реально и возможно. Требуется только генерация двух сигналов специфичной формы и со сдвигом фаз и частотой изменения напряжения до 1 МГц. (Подробное исследование шагового мотора и раскрытие всех тайн управления напишу в следующей статье) Сразу же в голове стали появляться проблески надежды, что я не зря потратил 1500 рублей на свою красненькую Seeeduino, и я, набравшись энтузиазма, начал разбираться.

Первоначальный ужас:

Подключив микропроцессорную плату к осцилографу, и написав цикл digitalWrite(HIGH), и ниже digitalWrite(LOW), на осцилографе обнаружил довольно унылый меандр с частотой 50Гц. Это кошмар. Это крах, подумал я, на фоне требуемых 1Мгц.
Далее, через осцилограф, я изучил еще несколько скоростей выполнения:
AnalogRead() - скорость выполнения 110 мкс.
AnalogWrite() - 2000 мкс
SerialPrintLn() - при скорости 9600 около 250мкс, а при максимальной скорости около 3мкс.
DigitalWrite() - 1800мкс
DigitalRead() - 1900мкс

На этом я, всплакнув, чуть не выкинул свою Seeeduino. Но не тут-то было!

Глаза боятся, руки делают!

Не буду рассказывать свои душевные муки и описывать три долгих дня изучения, лучше сразу скажу всё как есть!
Подняв всю возможную документацию на Arduino и на процессор Atmega1280, исследовав опыт зарубежных коллег , хочу предложить несколько советов, как заменять чтение/запись:

Улучшаем AnalogRead()

#define FASTADC 1

// defines for setting and clearing register bits
#ifndef cbi
#define cbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit))
#endif
#ifndef sbi
#define sbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit))
#endif

Void setup() {
int start ;
int i ;

#if FASTADC
// set prescale to 16
sbi(ADCSRA,ADPS2) ;
cbi(ADCSRA,ADPS1) ;
cbi(ADCSRA,ADPS0) ;
#endif

Serial.begin(9600) ;
Serial.print("ADCTEST: ") ;
start = millis() ;
for (i = 0 ; i < 30000 ; i++)
analogRead(0) ;
Serial.print(millis() - start) ;
Serial.println(" msec (30000 calls)") ;
}

Void loop() {
}

Результат: скорость 18,2 мкс против бывших 110 мкс .
Кстати, максимальная скорость АЦП Атмеги как раз 16мкс. Как вариант - использовать другую микросхему, заточенную именно под АЦП, которая позволит уменьшить скорость до 0,2мкс (читать ниже, почему)

Улучшаем digitalWrite()

Каждая Arduino/Seeeduino/Feduino/Orduino/прочаяduino имеет порты. Каждый порт - 8 бит, которые сначала надо настроить на запись. Например, на моей Seeeduino PORTA - c 22 по 30 ножку. Теперь всё просто. Управляем с 22 по 30 ножки с помощью функций
PORTA=B00001010 (битовая, ножки 23 и 25 - HIGH)
или
PORTA=10 (десятичная, всё так же)
Результат = 0,2мкс против 1800мкс , которые достигаются обычным digitalWrite()

Улучшаем digitalRead()

Практически то же самое, что и в улучшении с digitalWrite(), но теперь настраиваем ножки на INPUT, и используем, например:
if (PINA==B00000010) {...} (если на ножке 23 присутствует HIGH, а на 22 и 24-30 присутствует LOW)
Результат выполнения этого if() - 0.2мкс против 1900мкс , которые достигаются обычным digitalRead()

Улучшаем ШИМ модулятор, или analogWrite()

Итак, есть данные, что digitalRead() исполняется 0,2мкс, и ШИМ модулятор имеет дискретность 8 разрядов, минимальное время переключения ШИМ 51,2мкс против 2000 мкс.
Используем следующий код:
int PWM_time=32; //Число, которое мы как бы хотим записать в analogWrite(PIN, 32)
for (int k=0;kFor (int k=0;k<256-PWM_time) PORTA=B00000000;

Вот и получили ШИМ с частотой 19кГц против 50Гц.

Подведём итоги

digitalWrite() было 1800мкс , стало 0,2мкс
digitalRead() было 1900мкс , стало 0,2мкс
analogWrite() было 2000мкс , стало 51,2мкс
analogRead() было 110мкс , стало 18,2мкс , а можно до 0,2мкс