Что такое ШИМ и как она используется в Arduino. Arduino. Использование ШИМ-модуляции
Широтно-импульсная модуляция (pulse width modulation, PWM) часто используется в цифровой технике. В Arduino есть специальная функция для формирования этого сигнала.
Временная диаграмма ШИМ-сигнала:
analogWrite
Скважность это отношение периода следования импульсов к их длительности. На рисунке – чем больше мгновенное значение управляющего сигнала, тем меньше скважность импульсов ШИМ-сигнала. Этот способ модуляции широко применяется в технике ввиду того, что позволяет произвольное среднедействующее значение средствами цифровых устройств. Этот способ применим в тех случаях, когда необходимо, например, плавно регулировать яркость свечения лампы, температуры нагревателя, скорость вращения мотора постоянного тока и так далее.
Arduino имеет встроенную функцию для формирования ШИМ-сигнала – analogWrite(pin,value)
. У этой функции два параметра: pin
– номер вывода, на котором формируется сигнал; value
– относительное значение скважности импульсов.
Value
может принимать значения от 0 до 255. Причем максимальная скважность получается при 0 (а среднедействующее значение минимально), а минимальная при 255 (среднедействующее максимально). Функция analogWrite
может работать только с выводами 9, 10 и 11 (на нашей плате с микроконтроллером Atmega8). Соответственно, только такие значения может принимать переменная pin
.
Если использовать эту функцию для управления другим выводом (0-8, 12, 13), то при значения скважности от 0 до 127 на выводе будет низкий уровень напряжения, а при 128-255 – высокий.
Подготовка к работе
Мы будем очень рады, если вы поддержите наш ресурс и посетите магазин наших товаров .
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) Arduino UNO и NANO работает на аналоговых выходах 3, 5, 6, 9, 10, 11 с частотой 488,28 Гц. С помощью функции analogWrite частота ШИМ изменяется в диапазоне 0 до 255 и соответствует коэффициенту заполнения импульса от 0 до 100 %. Для многих устройств частота PWM Arduino NANO слишком мала, поэтому ее требуется увеличить. Рассмотрим, как это правильно сделать.
Широтно-импульсная модуляция Arduino
ШИМ, по-английски Pulse-Width Modulation (PWM) — это управление мощностью на нагрузке с помощью изменения скважности (ширины) импульсов при постоянной частоте и амплитуде сигнала. На следующем графике видно, что при разных значениях в функции analogWrite , амплитуда импульсов остается постоянной, но меняется ширина импульсов. Мощность сигнала определяет коэффициент заполнения импульса.
График. Параметры сигнала, коэффициент заполнения ШИМ
Можно выделить две области применения широтно-импульсной модуляции:
1. PWM используется в источниках питания, регуляторах мощности и т.д. Применение ШИМ на Arduino Nano позволяет значительно упростить управление яркостью источников света (светодиодов, LED-ленты) и скоростью вращения двигателей.
2. PWM используется для получения аналогового сигнала. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на Ардуино прост в реализации, так как требует минимума радиоэлементов — достаточно одной RC цепочки из резистора и конденсатора.
Изменение частоты ШИМ Ардуино (разрядности)
Платы Arduino Uno и Arduino Nano на базе ATmega168/328 имеют 6 аппаратных ШИМ модуляторов на аналоговых портах 3, 5, 6, 9, 10, 11. Управление ШИМ сигналом осуществляется с помощью функции analogWrite , которая генерирует на выходе аналоговый сигнал и задает коэффициент заполнения импульса. Arduino устанавливает на выводах частоту 488,28 Гц и разрешение 8 разрядов (от 0 до 255).
Схема. Широтно-импульсная модуляция для чайников
В Arduino на базе ATmega168/328 для ШИМ используются три таймера:
Таймер 0
— выводы 5 и 6
Таймер 1
— выводы 9 и 10
Таймер 2
— выводы 3 и 11
ШИМ Ардуино определяется интегральными компонентами, называемыми таймерами. Каждый таймер в платах Arduino Uno и Nano на базе микроконтроллера ATmega168/328 имеет по два канала, подключенных к выходам. Для изменения частоты PWM сигнала требуется изменение таймера, к которому он подключается. При этом PWM изменится и на аналоговых выходах, подключенных параллельно к этому же таймеру.
Как увеличить частоту и разрядность ШИМ Ардуино
Не существует способа изменить частоту ШИМ Arduino без прямого управления памятью на низком уровне. Рассмотрим далее, как изменить режим работы таймера, чтобы увеличить частоту (frequency) ШИМ Ардуино. Таймер 0 используется для расчета времени, т.е. функции delay и millis . Увеличение частоты на Таймер 0 приведет к нарушению функций сохранения времени, которые могут использоваться в скетче.
Чтобы увеличить разрядность Ардуино на 9 и 10 аналоговом выходе, изменим частоту Таймера 1 без библиотеки . Максимальная частота PWM может достигать на платах Ардуино Уно и Нано — 62 500 Гц. Для этого в процедуре void setup() необходимо добавить соответствующую команду из таблицы, которая приведена далее.
| Разрешение | Частота ШИМ | Команды установки режима |
| 8 бит | 62 500 Гц | TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 1; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x09; |
| 7 812,5 Гц | TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 1; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x0a; |
|
| 976,56 Гц | TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 1; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x0b; |
|
| 244,14 Гц | TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 1; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x0c; |
|
| 61,04 Гц | TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 1; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x0d; |
Максимальная частота ШИМ Ардуино (Arduino PWM Frequency) — 62 500 Гц.
Например);
Инструкция по использованию ШИМ в Arduino
1 Общие сведения о широтно-импульсной модуляции
Цифровые выводы Arduino могут выдавать только два значения: логический 0 (LOW, низкий уровень) и логическую 1 (HIGH, высокий). На то они и цифровые. Но есть у Ардуино «особые» выводы, которые обозначаются PWM . Их иногда обозначают волнистой чертой "~" или обводят кружочками или ещё как-то выделяют среди прочих. PWM расшифровывается как Pulse-width modulation или широтно-импульсная модуляция , ШИМ .
Широтно-импульсно модулированный сигнал - это импульсный сигнал постоянной частоты, но переменной скважности (соотношение длительности импульса и периода его следования). Из-за того, что большинство физических процессов в природе имеют инерцию, то резкие перепады напряжения от 1 к 0 будут сглаживаться, принимая некоторое среднее значение. С помощью задания скважности можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ.
Если скважность равняется 100%, то всё время на цифровом выходе Arduino будет напряжение логическая "1" или 5 вольт. Если задать скважность 50%, то половину времени на выходе будет логическая "1", а половину - логический "0", и среднее напряжение будет равняться 2,5 вольтам. Ну и так далее.
В программе скважность задаётся не в процентах, а числом от 0 до 255. Например, команда analogWrite(10, 64) скажет микроконтроллеру подать на цифровой PWM выход №10 сигнал со скважностью 25%.
Выводы Arduino с функцией широтно-импульсной модуляции работают на частоте около 500 Гц. Значит, период следования импульсов - около 2 миллисекунд, что и отмеряют зелёные вертикальные штрихи на рисунке.
Получается, что мы можем сымитировать аналоговый сигнал на цифровом выходе! Интересно, правда?!Как же мы можем использовать ШИМ? Применений масса! Например, управлять яркостью светодиода, скоростью вращения двигателя, током транзистора, звуком из пьезоизлучателя и т.д.…
2 Схема для демонстрации широтно-импульсной модуляции в Arduino
Давайте рассмотрим самый базовый пример - управление яркостью светодиода с помощью ШИМ. Соберём классическую схему.
3 Пример скетча с ШИМ
Откроем из примеров скетч "Fade": Файл Образцы 01.Basics Fade .
Немного изменим его и загрузим в память Arduino.
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 }
4 Управление яркостью светодиода с помощью PWM и Arduino
Включаем питание. Светодиод плавно наращивает яркость, а затем плавно уменьшает. Мы сымитировали аналоговый сигнал на цифровом выходе с помощью широтно-импульсной модуляции.
Посмотрите приложенные видео, где наглядно показано изменение яркости светодиода, на подключённом осциллографе видно, как при этом меняется сигнал с Arduino.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, PWM) - веселая штука, и особенно прикольно с ее помощью управлять сервомоторами, однако сегодня мы применим ее к трехцветному светодиоду. Это позволит нам управлять его цветом и получить некое подобие красоты.
ШИМ
Гениально определение ШИМ сформулировано в Википедии , поэтому я просто скопипащу его оттуда: "ШИМ - приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) к действительным бинарным сигналам (с двумя уровнями -
вкл
/
выкл
), так, что, в среднем, за некоторый отрезок времени, их значения равны.
<...>
ШИМ есть импульсный сигнал постоянной частоты и переменной
скважности, то есть отношения периода следования импульса к его длительности. С помощью задания скважности (длительности импульсов)
можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ
.
"
Теперь разберемся, что это значит. Пусть есть обычный такой прямоугольный сигнал:
Он имеет фиксированную частоту и скважность 50%. Это означает, что половину периода напряжение максимально, а другую половину оно равно нулю. Проинтегрировав этот сигнал за период, мы увидим, что его энергия равна половине максимальной. Это будет эквивалентно тому, как если бы мы все время
подавали половину напряжения.
Если у нас максимальное напряжение равно 5 В, то напряжение, получаемое на выходе ШИМ равно скважность умножить на 5 В (и делить на 100% чтобы формал-nazi не привязывались):
Трехцветный светодиод
Вот он, четырехногий красавец:
Самая длинная нога - это общий анод, а все остальные - это катоды, каждый отвечает за свой цвет: (смотрим на рисунок) самая нижняя - красный, вторая сверху - зеленый, самая верхняя - синий.
Если подать на длинную ногу +5В, а на все остальные 0В, то получится белый свет (умоляю, предохраняйтесь - ставьте ограничивающие резисторы!). Насколько он белый, можно судить по следующему видео:
Но получать белый цвет на нем как раз-таки неинтересно. Посмотрим, как заставить его переливаться разными цветами.
ШИМ на Arduino
Частота ШИМ на Arduino - примерно 490 Гц. На плате Arduino UNO выводы, которые могут быть использованы для ШИМ - 3,5,6, 9, 10 и 11. На плате к этому есть подсказка - шелкографией перед номерами ШИМ-выводов есть тильда или диез.
Нет ничего проще, чем управлять ШИМ на Arduino! Для этого используется одна единственная функция analogWrite(pin, value) , где pin - номер вывода, а value - значение от 0 до 255. При этом ничего не надо писать в void setup() !
Подробнее про это на английском языке можно почитать и .
Совсем немного работаем
Сделаем так, чтобы светодиод переливался разными цветами. Пусть один цвет плавно гаснет, в то время как другой разгорается. Поочередно будем менять пару цветов, и цвет будет переходить по кругу из красного в зеленый, из зеленого в синий, из синего в красный.
Соберем незамысловатую схему:
И напишем незамысловатый код:
//обзываем выводы соответственно цвету
int
REDpin = 9;
int
GREENpin = 10;
int
BLUEpin = 11;
void setup
(){}
void loop
(){
for
(int
value = 0 ; value <= 255; value +=1) {
//яркость красного уменьшается
analogWrite
(REDpin, value);
//яркость зеленого увеличивается
analogWrite
(GREENpin, 255-value);
//синий не горит
analogWrite
(BLUEpin, 255);
//пауза
delay
(30);
}
for
(int
value = 0 ; value <= 255; value +=1) {
//красный не горит
analogWrite
(REDpin, 255);
//яркость зеленого уменьшается
analogWrite
(GREENpin, value);
//яркость синего увеличивается
analogWrite
(BLUEpin, 255-value);
//пауза
delay
(30);
}
for
(int
value = 0 ; value <= 255; value +=1) {
//яркость красного увеличивается
analogWrite
(REDpin, 255-value);
//зеленый не горит
analogWrite
(GREENpin, 255);
//яркость синего уменьшается
analogWrite
(BLUEpin, value);
//пауза
delay
(30);
}
}
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.
