零基础入门学用Arduino 第一部分(三)

重要的内容写在前面:

  1. 该系列是以up主太极创客的零基础入门学用Arduino教程为基础制作的学习笔记。
  2. 个人把这个教程学完之后,整体感觉是很好的,如果有条件的可以先学习一些相关课程,学起来会更加轻松,相关课程有++数字电路(强烈推荐先学数电,不然可能会有一些地方理解起来很困难)++ 、模拟电路等,然后就是++C++(注意C++是必学的)++。
  3. 文章中的代码都是跟着老师边学边敲的,不过比起老师的版本我还把注释写得详细了些,并且个人认为重要的地方都有详细的分析。
  4. 一些函数的介绍有参考太极创客官网给出的中文翻译,为了便于现查现用,把个人认为重要的部分粘贴了过来并做了一些修改。
  5. 如有错漏欢迎指正。

视频链接:1-0 教程介绍_哔哩哔哩_bilibili

太极创客官网:太极创客 -- Arduino, ESP8266物联网的应用、开发和学习资料

七、模拟输出

1、模拟输出函数analogWrite

(1)analogWrite函数借助PWM调制,可以用于输出模拟信号 ,它有两个参数,第一个参数是模拟引脚号,第二个参数是0到255之间的PWM频率值,0对应"off",255对应"on"。

(2)在Arduino UNO控制器中,5号引脚和6号引脚的PWM频率为980Hz。在一些基于ATmega168和ATmega328的Arduino控制器中,analogWrite函数支持引脚 3、5、6、9、10、11(在开发板上的引脚处有"~"标记)。

(3)PWM(Pulse Width Modulation)即脉冲宽度调制,在具有惯性的系统中,可以通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要的模拟参量,常应用于电机控速、开关电源等领域。

(4)PWM频率值0-255对应占空比0%-100% ,呈正比关系,如下图所示。如果有规律地改变PWM频率值,就能产生++++等效的++++ 模拟波形(如上图紫色虚线描绘的波形),当然,PWM频率值固定,也能产生一个++++等效的++++ 模拟电压,其值不局限于高电平或低电平标定的电压,电压值取决于PWM频率值。

2、例1------按键控制LED亮度

(1)根据下图所示将电路连接好,其中电阻可选220Ω(总之在确保不宜过小的前提下不要太大即可)。

(2)将下面的程序下载到开发板中,首先LED会获得一个适中的亮度,持续按下按键1,LED的亮度会持续下降直至熄灭,持续按下按键2,LED的亮度会持续上升直至程序设定的最大值。

cpp 复制代码
bool pushButton1;   // 创建布尔型变量用来存储按键开关1的电平状态
bool pushButton2;   // 创建布尔型变量用来存储按键开关2的电平状态
int ledPin = 9;        //LED引脚号
int brightness = 128;  //LED亮度参数(255/2=127.5,一个适中的亮度参数)

void setup() 
{
  pinMode(2, INPUT_PULLUP); //将引脚2设置为输入上拉模式
  pinMode(8, INPUT_PULLUP); //将引脚8设置为输入上拉模式
  pinMode(ledPin, OUTPUT);  //将LED引脚设置为输出模式
  Serial.begin(9600);      //启动串口通讯,波特率为9600
}

void loop() 
{
  pushButton1 = digitalRead(2); //读取引脚2电平状态并将其赋值给布尔变量pushButton1
  pushButton2 = digitalRead(8); //读取引脚8电平状态并将其赋值给布尔变量pushButton2
  
  if (!pushButton1 && brightness > 0)  //当(持续)按下按键开关1并且LED亮度参数大于0
  {
    brightness--;                           //减低LED亮度参数
  } 
  else if (!pushButton2 && brightness < 255) //当(持续)按下按键开关2并且LED亮度参数小于255
  {
    brightness++;                           //增加LED亮度参数
  }
  analogWrite(ledPin, brightness);         //模拟输出控制LED亮度
  Serial.println(brightness);              //将LED亮度参数显示在串口监视器上
  delay(10);
}

①持续按下按键1,引脚2将持续处于低电平,每执行一次loop函数,brightness都进行一次自减,直至按键1被松开或者亮度参数减小至0,同时loop函数会将当前的亮度参数作为模拟量输出到引脚9上,并通过串口将当前的亮度参数输出到监视器上。

②持续按下按键2,引脚8将持续处于低电平,每执行一次loop函数,brightness都进行一次自减,直至按键2被松开或者亮度参数增加至255,同时loop函数会将当前的亮度参数作为模拟量输出到引脚9上,并通过串口将当前的亮度参数输出到监视器上。

③程序没有做异常情况的处理,比如两个按键同时按下,这种情况理论上是不允许的。

④亮度参数的取值范围为0-255,若不将其限定在此范围,那么它作为analogWrite函数的参数,会发生强制类型转换,最终的结果也会在0-255之间,至于强制类型转换会发生什么,这里不再赘述。

3、例2------LED呼吸灯

(1)根据下图所示将电路连接好,其中电阻可选220Ω(总之在确保不宜过小的前提下不要太大即可)。

(2)将下面的程序下载到开发板中,可以发现LED灯的亮度从暗变亮,再从亮变暗,以此往复,做一个周期性的"呼吸"。

cpp 复制代码
void setup() 
{
  pinMode(9, OUTPUT);      //设置9号引脚为输出模式
  Serial.begin(9600);     //启动串口通讯
}

void loop() 
{
  // LED由暗到明
  for (int brightness = 0; brightness <= 255; brightness+=5)
  {
    analogWrite(9, brightness);   
    Serial.println(brightness);
    delay(10);
  }
  // LED由明到暗  
  for (int brightness = 255; brightness >=0 ; brightness-=5)
  {
    analogWrite(9, brightness);
    Serial.println(brightness);
    delay(10);
  }
}

①LED由暗到明的过程由一个for循环控制,首先亮度参数的初始值为0,它会随着时间的流逝而逐渐增加,直至到达最大值255,for循环结束。

②LED由明到暗的过程也由一个for循环控制,首先亮度参数的初始值为255,它会随着时间的流逝而逐渐减小,直至到达最小值0,for循环结束。

③loop函数重复执行上述两个for循环,以此达到呼吸灯的效果。

八、模拟输入

1、模拟输入函数analogRead

(1)analogRead函数仅有一个参数用于指示模拟引脚,该函数用于从Arduino的模拟输入引脚读取 模拟电压的 数值

(2)Arduino控制器有多个10位数模转换通道,这意味着Arduino可以将0-5V的电压输入信号映射到数值0-1023(210)。关于数模转换这里不进行详细介绍,总之就是将输入的模拟量转换成单片机能"读懂"的数字信号,或者说将模拟量转换为二进制的形式供计算机接收。

(3)引脚的输入范围以及解析度可以使用analogReference指令进行调整。

(4)Arduino控制器读取一次模拟输入需要消耗100微秒的时间(0.0001秒),控制器读取模拟输入的最大频率是每秒10000次。

(5)在模拟输入引脚没有任何连接的情况下,用analogRead指令读取该引脚,这时获得的返回值为不固定的数值,这个数值可能受到多种因素影响,比如将手靠近引脚也可能使得该返回值产生变化。

2、例------电位器控制LED灯亮度

(1)根据下图所示将电路连接好,其中电位器的总电阻为10kΩ,连接LED的电阻可选220Ω(总之在确保不宜过小的前提下不要太大即可)。

(2)将下面的程序下载到开发板中,转动电位器,可以发现LED灯的亮度随之发生变化。

cpp 复制代码
void setup() 
{
  Serial.begin(9600);  //串口通讯初始化(9600 bps)
  pinMode(9, OUTPUT);  //设置9号引脚为输出模式
}
 
void loop() 
{
  int analogInputVal = analogRead(A0);  //读取模拟输入值 
  int brightness = map(analogInputVal, 0, 1023, 0, 255); //将模拟输入数值(0 - 1023)等比映射到模拟输出数值区间(0-255)内,根据该映射关系由analogInputVal得出brightness
  analogWrite(9, brightness);  //根据模拟输入值调节LED亮度

  //将结果通过串口监视器显示
  Serial.print("analogInputVal = ");
  Serial.println(analogInputVal);
   
  Serial.print("brightness = ");
  Serial.println(brightness);
   
  Serial.println("");
}

①电位器的两端引脚分别接5V和GND,中间引脚连接Arduino的引脚A0,转动电位器,引脚A0的电压随之发生改变,程序需要不断地将当前电压记录在变量analogInputVal中,当然,记录的值并不完全等于电压值,只是它与实际电压值有一个映射关系(或者说线性关系)。

②analogRead函数的返回值范围为0-1023(针对本项目而言),而LED灯的亮度参数取值范围为0-255,虽然二者取值范围不同,但是可以为它们构造一个等比映射的关系,如下图所示,这样,引脚A0的电压值就能与LED灯的亮度参数存在一个映射关系(或者说线性关系)。

③工作原理示意图:

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