Шим на ардуино скетч

• Уроки
• Базовые уроки Arduino
• ШИМ сигнал

ШИМ сигнал

Очень часто в робототехнике возникает необходимость плавно управлять каким-то процессом, будь то яркость светодиода, мощность обогревателя или скорость вращения моторчика. Вполне очевидно, что управление напрямую связано с изменением напряжения на потребителе: и светодиод будет по-другому светить, и моторчик крутиться с другой скоростью. Но проблема в том, что управлять напряжением может только такая штука, как ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь, а в нашем микроконтроллере встроенного ЦАПа нет, у нас есть только цифровой сигнал, т.е. либо вкл, либо выкл:

Можно ли добиться плавного управления цифровым сигналом? Оказывается можно! Представьте себе вентилятор, вращающийся на полной мощности, напряжение постоянно. Представим теперь, что секунду напряжение подаётся, и секунду – нет, и так продолжается “по кругу”. Вентилятор начнёт крутиться в два раза медленнее, но мы скорее всего будем замечать моменты включения и выключения, особенно если вентилятор маленький. Большой вентилятор более инертен и там можно даже не заметить изменений скорости в пределах двух секунд. Можно теперь включать напряжение на 0.5 секунды, а на остальные 1.5 секунды – выключать. Вентилятор будет крутиться со скоростью 25% от максимальной. Мы с вами смогли представить так называемый ШИМ сигнал, широтно-импульсную модуляцию

С лампочкой накаливания оно тоже будет работать, она ведь весьма инертна, но вот со светодиодом мы будем видеть, как он включается и выключается, потому что он практически не имеет задержки включения/выключения. Что же делать? Всё очень просто, поднять частоту. В мысленном эксперименте у нас был период 2 секунды, что есть 0.5 Гц. А теперь представьте себе такой сигнал с частотой скажем 1000 Гц. Или 25’000 Гц (25 кГц). Теперь роль играет инертность глаза, он не заметит вспышек на такой частоте, для него это будет просто уменьшение яркости. Задача решена!

Изменяя так называемое “заполнение” ШИМ сигнала можно менять “суммарное” напряжение (интегрированное) за некоторый период. Чем больше заполнение ШИМ, тем выше напряжение, но не выше напряжения, которое мы “ШИМим”:

При помощи ШИМ сигнала можно даже модулировать сложные аналоговые сигналы, например – синусоиду. На картинке ниже показан ШИМ (снизу) и этот же ШИМ после фильтров:

Вот таким образом кстати и работают инвертеры DC-AC. Возвращаясь к свойствам ШИМ сигнала, их всего два: частота (frequency) и заполнение (duty), с ними мы разобрались. Давайте перейдём к генерации ШИМ при помощи Arduino.

Arduino и ШИМ

В уроке про функции времени я рассказывал, что у микроконтроллера есть так называемые счётчики, которые считают “пинки” от тактового генератора (кварца). Данные счётчики как раз и генерируют ШИМ сигнал, т.е. само вычислительное ядро микроконтроллера в этом не участвует. Помимо расчётов, даже вывод сигнала с ноги МК ложится на плечи счётчика. Это очень важно понимать, потому что ШИМ сигнал не тормозит выполнение кода, так как его генерацией занимается буквально “другая железка”.

На платах UNO/Nano/Pro Mini у нас есть три таймера-счётчика, у каждого таймера есть по два выхода на пины МК, то есть у нас есть 2*3=6 пинов, способных генерировать ШИМ сигнал. Для генерации ШИМ у нас есть готовая функция analogWrite(pin, duty)

• pin – пин, являющийся выводом таймера. Для Нано/Уно это пины D3, D5, D6, D9, D10, D11. На некоторых платах они помечены * звёздочкой
• duty – заполнение ШИМ сигнала. По умолчанию все “выходы” ШИМ у нас 8-битные, то есть duty может принимать значение с “разрешением” 8 бит, а это 0-255

Совместим эти знания с прошлым уроком и попробуем менять яркость светодиода, подключенного через резистор к пину D3. Потенциометр подключен к пину A0

Рассмотренный пример меняет яркость светодиода в зависимости от положения рукоятки потенциометра.

Пару слов о “стандартном” ШИМ сигнале – мы получаем его с такими настройками, какие нам даёт библиотека Arduino.h, а настройки эти сильно занижены по сравнению с возможностями Arduino. Про “улучшение” ШИМ мы поговорим позже, а сейчас давайте глянем на характеристики ШИМ “из коробки”:

Таймер

Пины	Частота	Разрешение
Timer 0	D5 и D6	976 Гц	8 бит (0-255)
Timer 1	D9 и D10	488 Гц	8 бит (0-255)
Timer 2	D3 и D11	488 Гц	8 бит (0-255)

Это весьма плачевные цифры, особенно по частоте. Все таймеры приведены под одну гребёнку, чтобы пользователь не думал не гадал и лишнюю документацию не изучал. К изменению частоты и разрядности ШИМ мы вернёмся в отдельном уроке, а пока что можете посмотреть данный урок в видео варианте.

Видео

• Уроки
• Базовые уроки Arduino
• ШИМ сигнал

ШИМ сигнал

Очень часто в робототехнике возникает необходимость плавно управлять каким-то процессом, будь то яркость светодиода, мощность обогревателя или скорость вращения моторчика. Вполне очевидно, что управление напрямую связано с изменением напряжения на потребителе: и светодиод будет по-другому светить, и моторчик крутиться с другой скоростью. Но проблема в том, что управлять напряжением может только такая штука, как ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь, а в нашем микроконтроллере встроенного ЦАПа нет, у нас есть только цифровой сигнал, т.е. либо вкл, либо выкл:

Можно ли добиться плавного управления цифровым сигналом? Оказывается можно! Представьте себе вентилятор, вращающийся на полной мощности, напряжение постоянно. Представим теперь, что секунду напряжение подаётся, и секунду – нет, и так продолжается “по кругу”. Вентилятор начнёт крутиться в два раза медленнее, но мы скорее всего будем замечать моменты включения и выключения, особенно если вентилятор маленький. Большой вентилятор более инертен и там можно даже не заметить изменений скорости в пределах двух секунд. Можно теперь включать напряжение на 0.5 секунды, а на остальные 1.5 секунды – выключать. Вентилятор будет крутиться со скоростью 25% от максимальной. Мы с вами смогли представить так называемый ШИМ сигнал, широтно-импульсную модуляцию

С лампочкой накаливания оно тоже будет работать, она ведь весьма инертна, но вот со светодиодом мы будем видеть, как он включается и выключается, потому что он практически не имеет задержки включения/выключения. Что же делать? Всё очень просто, поднять частоту. В мысленном эксперименте у нас был период 2 секунды, что есть 0.5 Гц. А теперь представьте себе такой сигнал с частотой скажем 1000 Гц. Или 25’000 Гц (25 кГц). Теперь роль играет инертность глаза, он не заметит вспышек на такой частоте, для него это будет просто уменьшение яркости. Задача решена!

Изменяя так называемое “заполнение” ШИМ сигнала можно менять “суммарное” напряжение (интегрированное) за некоторый период. Чем больше заполнение ШИМ, тем выше напряжение, но не выше напряжения, которое мы “ШИМим”:

При помощи ШИМ сигнала можно даже модулировать сложные аналоговые сигналы, например – синусоиду. На картинке ниже показан ШИМ (снизу) и этот же ШИМ после фильтров:

Вот таким образом кстати и работают инвертеры DC-AC. Возвращаясь к свойствам ШИМ сигнала, их всего два: частота (frequency) и заполнение (duty), с ними мы разобрались. Давайте перейдём к генерации ШИМ при помощи Arduino.

Arduino и ШИМ

В уроке про функции времени я рассказывал, что у микроконтроллера есть так называемые счётчики, которые считают “пинки” от тактового генератора (кварца). Данные счётчики как раз и генерируют ШИМ сигнал, т.е. само вычислительное ядро микроконтроллера в этом не участвует. Помимо расчётов, даже вывод сигнала с ноги МК ложится на плечи счётчика. Это очень важно понимать, потому что ШИМ сигнал не тормозит выполнение кода, так как его генерацией занимается буквально “другая железка”.

На платах UNO/Nano/Pro Mini у нас есть три таймера-счётчика, у каждого таймера есть по два выхода на пины МК, то есть у нас есть 2*3=6 пинов, способных генерировать ШИМ сигнал. Для генерации ШИМ у нас есть готовая функция analogWrite(pin, duty)

• pin – пин, являющийся выводом таймера. Для Нано/Уно это пины D3, D5, D6, D9, D10, D11. На некоторых платах они помечены * звёздочкой
• duty – заполнение ШИМ сигнала. По умолчанию все “выходы” ШИМ у нас 8-битные, то есть duty может принимать значение с “разрешением” 8 бит, а это 0-255

Совместим эти знания с прошлым уроком и попробуем менять яркость светодиода, подключенного через резистор к пину D3. Потенциометр подключен к пину A0

Рассмотренный пример меняет яркость светодиода в зависимости от положения рукоятки потенциометра.

Пару слов о “стандартном” ШИМ сигнале – мы получаем его с такими настройками, какие нам даёт библиотека Arduino.h, а настройки эти сильно занижены по сравнению с возможностями Arduino. Про “улучшение” ШИМ мы поговорим позже, а сейчас давайте глянем на характеристики ШИМ “из коробки”:

Таймер

Пины	Частота	Разрешение
Timer 0	D5 и D6	976 Гц	8 бит (0-255)
Timer 1	D9 и D10	488 Гц	8 бит (0-255)
Timer 2	D3 и D11	488 Гц	8 бит (0-255)

Это весьма плачевные цифры, особенно по частоте. Все таймеры приведены под одну гребёнку, чтобы пользователь не думал не гадал и лишнюю документацию не изучал. К изменению частоты и разрядности ШИМ мы вернёмся в отдельном уроке, а пока что можете посмотреть данный урок в видео варианте.

Видео

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.

Расшифровка и определение ШИМ

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:

1. 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.
2. 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.
3. 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 Arduino UNO 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:

Широтно-импульсные модуляторы в Ардуино

Чтобы использовать частотный ШИМ на Arduino Uno, 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.

Рис.: а) структура МОП ПТ с индуцированным каналом. б) графическое изображение.

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.