Аналоговый сигнал Arduino

Самые популярные версии Arduino – UNO и Nano имеют встроенный 10-битный аналого-цифровой преобразователь (он же АЦП), который позволяет измерять аналоговые напряжения в диапазоне от 0 до 5 вольт с разрешением 1024 уровней.
Исходя из этого, Arduino UNO и Arduino Nano имеют аналоговые входы. У Arduino UNO их 6 (A0-A5), а вот у Arduino Nano – 8 (A0-A7).

Стоит сделать небольшую ремарку. Микроконтроллер ATmega328P, лежащий в основе этих плат, может принимать аналоговые сигналы извне и преобразовывать в цифровые, однако не способен генерировать их сам, что бывает необходимо, например, в случае с аудиоусилителями, динамиками и прочим, поскольку цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) ни в одну из этих плат не встроен.

Еще раз. Большинство плат Arduino, включая UNO и Nano, имеют встроенный аналого-цифровой преобразователь для обработки аналоговых сигналов и, соответветственно, аналоговые входы. У каждой платы это разное число. Однако цифро-аналоговых преобразователей у этих плат нет, поэтому и аналоговые выходы у них тоже отсутствуют. 
Обычно, для таких задач Arduino использует так называемую ШИМ (широтно-импульсную модуляцию), которая имитирует аналоговый сигнал. Именно ШИМ позволяет управлять скоростью и положением моторов, регулировать яркость света или громкость звука и т.д.

Принцип работы ШИМ весьма прост: ШИМ-контроллер имитирует аналоговый сигнал путем быстрого включения и выключения цифрового выхода. Мы, например, можем очень быстро включать и выключать свет, и если делать это на 50% времени, то будет казаться, что он наполовину яркий, если на 25% времени, то свет будет тусклее и так далее. Абсолютно то же самое происходит с электрическим сигналом.
Технически это реализовано через частоту 490 Герц (это значит, что сигнал включается 490 раз в секунду) и скважность (это процент времени, когда сигнал включен, именно как в примере со светом).
Где же расположены эти самые ШИМ-выходы? На Arduino UNO, как и на Arduino Nano, они обозначаются символом ~ (тильда) и номерами 3, 5, 6, 9, 10 и 11.

Прежде всего, давайте разберемся, как работать с аналоговыми входами, которые обозначаются буквой А. Для примера будем использовать плату Arduino UNO. Попробуем собрать схему простейшего датчика освещенности с использованием фоторезистора и светодиода.

Фоторезистор соединяется одной ножкой с GND (земля), другой – с любым аналоговым входом (A0-A5). В отличие от светодиода, он не имеет полярности, так что подключить его можно любой стороной. Детально изучим схему подключения

Обратите внимание. Фоторезистор меняет сопротивление в зависимости от света: чем светлее, тем сопротивление меньше. Если подключить его напрямую к плате, без резистора, при большом уровне яркости он может создать короткое замыкание, ведь ток будет слишком сильным. Резистор на 1 кОм создает делитель напряжения, чтобы ограничивать ток в цепи и преобразовывать изменение сопротивления фоторезистора в понятное для Arduino напряжение, от 0 до 5 вольт. Можно использовать также резистор на 10 кОм, но 1 кОм будет достаточно.

Также со светодиодом. Он не имеет внутреннего ограничения тока и легко может сгореть, если сразу подать на него 5 вольт, поэтому он тоже нуждается в резисторе. Для светодиода достаточно резистора на 220 Ом.

Напишем код, который оживит всю схему:

const int LED_PIN = 13; // пин светодиода
const int PHOTOSENSOR_PIN = A0; // пин фоторезистора
const int LIGHT_THRESHOLD = 300; // порог

void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // гасим светодиод при старте
}

void loop() {
int sensorValue = analogRead(PHOTOSENSOR_PIN);

Serial.print("Уровень освещенности: ");
Serial.println(sensorValue);


if (sensorValue < LIGHT_THRESHOLD) {
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // включаем при недостаточном освещении
} else {
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // выключаем при достаточном освещении
}

delay(100); // небольшая задержка, для стабильности
}

Как вы могли заметить, код небольшой. Для лучшего понимания рекомендуется не просто скопировать и вставить, а переписать посимвольно каждую строку. Поэкспериментируйте, поменяйте пины, добавьте свои условия.

Умение работать с ШИМ-выходами тоже необходимо! Давайте не будем терять ни минуты и соберем новую схему.

Как вы могли заметить, схема с ШИМ напоминает предыдущую. Действительно, они похожи, однако теперь светодиод подключен не к обычному цифровому 13 пину, а к пину с тильдой. Теперь напишем код, который будет плавно зажигать и гасить светодиод:

const int LED_PIN = 10; // ШИМ-пин

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

void loop() {
for (int i = 0; i <= 255; i++) { // увеличиваем яркость
analogWrite(LED_PIN, i);
delay(10); // ПАУЗА
}
for (int i = 255; i >= 0; i--) { // уменьшаем яркость
analogWrite(LED_PIN, i);
delay(10); // ПАУЗА
}
}

И снова, все довольно просто и понятно. Обратите внимание, что для работы с ШИМ-выходами применяется функция analogWrite(), принимающая в качестве параметров номер пина, к которому подключается компонент, и значение в диапазоне от 0 до 255, отвечающее за силу напряжения. Не забудьте переписать код вручную!