Przeczytaj

Przetwornik ADC

Układ pozwalający przetworzyć sygnał analogowy (w tym przypadku napięcie) na sygnał cyfrowy nazywany jest przetwornikiem ADCprzetwornik ADCprzetwornikiem ADC (ang. Analog‑Digital Converter). Przetwornik analogowo‑cyfrowy wbudowany jest w mikrokontroler ATmega328.

R1Ur3USjHpEDW

Zdjęcie przedstawia arduino uno, na górnej i dolnej krawędzi płytki umieszczone są pinu żeńskie, pośrodku umieszczono usuwalny czip atmega. — Układ ATmega328 z wbudowanym przetwornikiem ADC oraz złącza analogowe A0-A5
Źródło: Contentplus.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Przetworniki ADC charakteryzują się różną dokładnością. W przypadku przetwornika umieszczonego na płytce Arduino mamy do czynienia z układem 10 bitowym. To oznacza, że przetwornik ten może odczytac 2Indeks górny 10 czyli 1024 różne poziomy (wartości) sygnału.

Piny analogowepiny analogowePiny analogowe Arduino pracują z maksymalnym napięciem 5 V. Oznacza to że podając napięcie maksymalne 5 V uzyskamy odczyt na pinie analogowym 1023, a jeżeli podamy 0 V na wejściu analogowym odczytamy 0. Wynika to z zakresu pracy od 0 do 1023, czyli 1024 poziomy.

Możemy również podzielić 5 V (maksymalne napięcie) przez ilość poziomów odczytu (dokładność) przetwornika i otrzymać wartość napięcia odpowiadającą jednemu poziomowi:

5 V / 1024 = 0, 0048828125 V c z y l i o k o ł o 4, 9 m V

Aby otrzymać informację ile poziomów przypada na 1 V, dzielimy ilość poziomów przez napięcie maksymalne:

1024 p o z i o m y / 5 V = 204, 8 p o z i o m ó w

czyli jeżeli napięcie na pinie analogowym zwiększy się o 1 V, to wartość odczytana z pinu wzrośnie o 204,5.

V	wskazanie ADC (po zaokrągleniu)
0	0
1	205
2	410
3	615
4	820
5	1025

Odczytywanie wartości z pinów analogowych

Sprawdźmy w praktyce, jak wyglądają odczyty z pinów analogowych.

W pierwszym kroku zbudujmy prosty układ, który zapewni nam sygnał 5 V na pinie analogowym A0.

RY3ODFSI19eXS

Ilustracja przedstawia schemat elektryczny połączeń arduino uno. Połączono pin 5V do pinu A0.

Przechodzimy do środowiska programistycznego Arduino IDE. Deklarujemy zmienną typu int o nazwie odczyt, w której będziemy przechowywać odczytaną wartość z pinu analogowego A0.

int odczyt = 0;

Następnie w funkcji setup() rozpoczynamy transmisję szeregową z komputerem.

int odczyt = 0;

void setup() {
	Serial.begin(9600);
}

W funkcji loop(), za pomocą instrukcji analogRead(), odczytujemy wartość z pinu A0 i zapisujemy ją w zmiennej odczyt.

int odczyt = 0;

void setup() {
	Serial.begin(9600);
}

void loop() {
	odczyt = analogRead(A0);
}

Następnie wyświetlamy pobraną wartość w monitorze portu szeregowego.

int odczyt = 0;
 
void setup() {
	Serial.begin(9600);
}
 
void loop() {
	odczyt = analogRead(A0);
    
	Serial.print("Odczytana wartosc: ");
	Serial.println(odczyt);
	delay(500);  
}

W rezultacie otrzymamy wynik 1023, czyli jak wiemy z powyższych obliczeń do pinu analogowego podpięte jest 5 V.

ROBdR63yCqqHd

Zdjęcie ekranu przedstawia okno konsoli arduino z tytułem "COM3". Wewnątrz wyświetlony jest pięciokrotnie napis: "Odczytana wartosc: 1023".

Jeżeli teraz przepniemy przewód z pinu 5 V do GND, w monitorze portu szeregowego powinna wyświetlać się wartość 0.

RJoxCGfnDD9qA

Zdjęcie ekranu przedstawia okno konsoli arduino z tytułem "COM3". Wewnątrz wyświetlony jest siedmiokrotnie napis: "Odczytana wartosc: 0".

Tinkercad

Zróbmy symulację przetwornika analogowo‑cyfrowego, za pomocą środowiska Tinkercad.

R1bez9hL5p7A3

Zdjęcie ekranu przedstawia okno przeglądarki z otwartą stroną Tinkercad. Strefa robocza jest pusta.

Dodaj moduł Arduino Uno do okna symulacji.

REYFpN86Hl5rA

Zdjęcie ekranu przedstawia okno przeglądarki z otwartą stroną Tinkercad. W strefie roboczej ustawiono arduino uno.

Połącz pin 5V z pinem A0.

R1Drnz6eYcl0E

Zdjęcie ekranu przedstawia okno przeglądarki z otwartą stroną Tinkercad. W strefie roboczej ustawiono arduino uno, podłączono piny 5V i A0 kablem.

Przejdźmy teraz do pisania kodu. W tym celu klikamy na przycisk Kod, z listy rozwijanej wybieramy Tekst, potwierdzamy chęć zmiany widoku i czyścimy zawartość.

Przepisz kod, otwórz Konsolę szeregową i uruchom symulację.

R3b6nqCvG49jE

Film z działania programu.

R191RINx2bjba

Dzielnik napięcia

Wiemy już, jak odczytać wartości w przypadku 5 V oraz 0 V, ale przecież piny analogowe pozwalają odczytać wartości pośrednie. W tym celu użyjemy potencjometru w roli dzielnika napięcia. Dzięki temu na pinie A0 (lub innym analogowym) będziemy w stanie ustawić różne wartości.

Zbudujmy układ zgodnie ze schematem.

R1IrpDwxAgnjL

Ilustracja przedstawia schemat elektryczny połączeń arduino uno. Połączono pin 5V do anody potencjometru, którego katoda podłączona jest do pinu GND, A0 podłączono do 3 nóżki potencjometru.

Kod zostaje taki sam, czyli otrzymujemy odczyt z pinu analogowego. Zmieniając nastawy potencjometru, uzyskujemy różne wartości odczytu z przedziału 0‑1023.

RKAf4GtaSKLkR

Zdjęcie ekranu przedstawia okno konsoli arduino z tytułem "COM3". Wewnątrz wyświetlony jest wielokrotnie napis: "Odczytana wartosc: ", po którym pojawiają sie różne często powtórzone liczby, największą jest 1023, a najmniejszą 0..

Aby podać otrzymany wynik w jednostce napięcia wolt, musimy tę wartość pomnożyć przez iloraz maksymalnego napięcia (5 V) oraz dokładność przetwornika, czyli 5 V/1024.

Modyfikujemy kod tak, aby wyświetlona wartość była wyrażona w woltach.

Definiujemy dodatkową zmienią do przechowywania obliczonego napięcia.

int odczyt = 0;
float napiecie = 0;

Funkcja setup() pozostaje bez zmian.

int odczyt = 0;
float napiecie = 0;
 
void setup() {
	Serial.begin(9600);
}

Natomiast w funkcji loop() dopisujemy linię kodu odpowiedzialną za przeliczenie zmierzonej wartości na wolty oraz delikatnie modyfikujemy sposób wyświetlania wyniku.

int odczyt = 0;
float napiecie = 0;
 
void setup() {
	Serial.begin(9600);
}
 
void loop() {
	odczyt = analogRead(A0);
	napiecie = odczyt * (5.0 / 1024.0);
    
	Serial.print("Napiecie: ");
	Serial.print(napiecie);
	Serial.println(" V");
	delay(500);  
}

Zauważmy, że zmienna napięcie jest typu float oraz że wartości napięcia maksymalnego oraz ilości poziomów odczytu zapisane są z kropką. Dzięki temu wiadomo, że są to wartości zmiennoprzecinkowe i taki też wynik chcemy otrzymać.

Po wgraniu szkicu do płytki Arduino i włączeniu monitora portu szeregowego otrzymamy następujący widok.

R1RcvrGTofjHE

Zdjęcie ekranu przedstawia okno konsoli arduino z tytułem "COM3". Wewnątrz wyświetlony jest wielokrotnie napis: "Napiecie: ", po którym wpisane sa różne napięcia z zakresu 0V do 5V z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku.

Zróbmy symulację dzielnika napięcia, za pomocą środowiska Tinkercad.

Dodaj do głównego okna symulatora płytkę stykową.

R1Y13vZJKDTtw

Zdjęcie ekranu przedstawia okno przeglądarki z otwartą stroną Tinkercad. W strefie roboczej ustawiono płytkę stykową.

Teraz znajdź i dodaj do płytki potencjometr.

RZ9J1xww1Zm2T

Zdjęcie ekranu przedstawia okno przeglądarki z otwartą stroną Tinkercad. W strefie roboczej ustawiono płytkę stykową, na niej ustawiono potencjometr.

Dodaj moduł Arduino Uno.

RzxTstIRIlMrG

Podłącz pierwszą nóżkę potencjometru z pinem 5V Arduino.

RwuRauG6iGfYY

Środkową nóżkę potencjometru podłącz pod pin A0.

R10xKHhzeqlZF

Trzecią nóżkę potencjometru podepnij pod pin GND Arduino.

RMWYBs4dxl51Z

Przejdźmy teraz do pisania kodu. W tym celu klikamy na przycisk Kod, z listy rozwijanej wybieramy Tekst, potwierdzamy chęć zmiany widoku i czyścimy zawartość.

Przepisz kod, otwórz Konsolę szeregową i uruchom symulację.

R1WajDy9FsZKW

Film z działania programu.

RkVrIf8wPYwfu

Prosty woltomierz

W taki oto sposób zbudowaliśmy prosty woltomierz. Aby zmierzyć wartość napięcia np: baterii AA wystarczy, że zamiast potencjometru, do pinu A0 podepniemy plus z baterii, a masy płytki Arduino oraz baterii połączymy ze sobą. Sposób podłączenia źródła napięcia przedstawia schemat:

R9WbTIriYKNhm

Ilustracja przedstawia schemat elektryczny połączeń arduino uno. Połączono pin A0 do dodatniego terminalu zasilania, natomiast ujemny terminal do GND..

Podłączając baterię AA powinniśmy otrzymać wynik w wysokości ~1,5 V.

R11FFjyUKNXCB

Zdjęcie ekranu przedstawia okno konsoli arduino z tytułem "COM3". Wewnątrz wyświetlony jest wielokrotnie napis: "Napiecie: 1.53V".

Ważne!

Nie należy podłączać do płytki Arduino źródeł napięcia większych niż 5 V, gdyż grozi to uszkodzeniem Arduino.

Zróbmy symulację prostego woltomierza, za pomocą środowiska Tinkercad.

Dodaj do głównego okna symulatora płytkę stykową.

RVCFhKzraBKsa

Teraz dodamy dwie baterie.

RIkOcuUdcJmIx

Zdjęcie ekranu przedstawia okno przeglądarki z otwartą stroną Tinkercad. W strefie roboczej ustawiono płytkę stykową oraz dwie baterię: jedną małą metalową o wartości 3V, drugą AA o wartości 1.5V.

Do płytki stykowej dodajmy przełącznik.

RMfAlynxwLmzt

Dodaj teraz moduł Arduino Uno do okna symulacji.

RIMcAbHuEB4dF

Połączmy teraz ujemne bieguny baterii i pin GND Arduino z ujemną szyną płytki stykowej.

RVDg667eOZxRm

Środkową nóżkę przełącznika podepnij pod pin A0 Arduino Uno.

R1HTtjUoe8y2v

Pod pierwszą nóżkę przełącznika podepnij jedną z baterii.

R1Hi7zPeUnG5h

Pod trzecią nóżkę podepnij drugą baterię.

R1CnGjZsYC2KX

Przejdźmy teraz do pisania kodu. W tym celu klikamy przycisk Kod, z listy rozwijanej wybieramy Tekst, potwierdzamy chęć zmiany widoku i czyścimy zawartość.

Przepisz kod, otwórz Konsolę szeregową i uruchom symulację.

R1CRb3V7jRkBU

Film z działania programu.

RIpnvujYI2nKf

Słownik

przetwornik ADC

układ przetwarzający sygnał analogowy na postać cyfrową

piny analogowe

piny oznaczone symbolami A0 do A5 na płytce Arduino, służą między innymi do współpracy z różnego rodzaju czujnikami analogowymi

piny PWM

piny umożliwiające modulację szerokości impulsu (z ang. Pulse Width Modulation)

Wprowadzenie

Prezentacja multimedialna

Przetwornik ADC

Odczytywanie wartości z pinów analogowych

Tinkercad

Dzielnik napięcia

Prosty woltomierz

Słownik