Плавное затухание светодиода ардуино. Управление светодиодной лентой при помощи Аrduino
Ардуино идеально подходит для управления любыми устройствами. Микропроцессор ATmega с помощью программы-скетча манипулирует большим количеством дискретных выводов, аналогово-цифровых входов/выводов и ШИМ-контроллерами.
Благодаря гибкости кода микроконтроллер ATmega широко используется в модулях различной автоматики, в том числе на его основе возможно создать контроллер управления светодиодным освещением.
Принцип управления нагрузкой через Ардуино
Плата Ардуино имеет два типа портов вывода: цифровой и аналоговый (ШИМ-контроллер). У цифрового порта возможно два состояния – логический ноль и логическая единица. Если подключить к нему светодиод он либо будет светиться, либо не будет.
Аналоговый выход представляет собой ШИМ-контроллер, на который подаётся сигнал частотой около 500Гц с регулируемой скважностью. Что такое ШИМ-контроллер и принцип его работы можно найти в интернете. Через аналоговый порт возможно не только включать и выключать нагрузку, а и изменять напряжение (ток) на ней.
Синтаксис команд
Цифровой вывод:
pinMode(12, OUTPUT);
— задаём порт 12 портом вывода данных;
digitalWrite(12, HIGH);
— подаём на дискретный выход 12 логическую единицу, зажигая светодиод.
Аналоговый вывод:
analogOutPin = 3;
– задаём порт 3 для вывода аналогового значения;
analogWrite(3, значение);
– формируем на выходе сигнал с напряжением от 0 до 5В. Значение – скважность сигнала от 0 до 255. При значении 255 максимальное напряжение.
Способы управления светодиодами через Ардуино
Напрямую через порт можно подключить лишь слабый светодиод, да и то лучше через ограничительный резистор. Попытка подключить более мощную нагрузку выведет его из строя.
Для более мощных нагрузок, в том числе светодиодных лент, используют электронный ключ – транзистор.
Виды транзисторных ключей
- Биполярный;
- Полевой;
- Составной (сборка Дарлингтона).
| Способы подключения нагрузки | ||
|---|---|---|
| Через биполярный транзистор | Через полевой транзистор | Через коммутатор напряжения |
 |  |  |
При подаче высокого логического уровня (digitalWrite(12, HIGH);) через порт вывода на базу транзистора через цепочку коллектор-эмиттер потечет опорное напряжение на нагрузку. Таким образом можно включать и отключать светодиод.
Аналогичным образом работает и полевой транзистор, но поскольку у него вместо «базы» сток, который управляется не током, а напряжением, ограничительный резистор в этой схеме необязателен.
Биполярный вид не позволяет регулировать мощные нагрузки. Ток через него ограничен на уровне 0,1-0,3А.
Полевые транзисторы работают с более мощными нагрузками с током до 2А. Для ещё более мощной нагрузки используют полевые транзисторы Mosfet с током до 9А и напряжением до 60В.
Вместо полевых можно использовать сборку Дарлингтона из биполярных транзисторов на микросхемах ULN2003, ULN2803.
Микросхема ULN2003 и принципиальная схема электронного коммутатора напряжения:
Принцип работы транзистора для плавного управления светодиодной лентой
Транзистор работает как водопроводный кран, только для электронов. Чем выше напряжение, подаваемое на базу биполярного транзистора либо сток полевого, тем меньше сопротивление в цепочке эмиттер-коллектор, тем выше ток, проходящий через нагрузку.
Подключив транзистор к аналоговому порту Ардуино, присваиваем ему значение от 0 до 255, изменяем напряжение, подаваемое на коллектор либо сток от 0 до 5В. Через цепочку коллектор-эмиттер будет проходить от 0 до 100% опорного напряжения нагрузки.
Для управления светодиодной лентой arduino необходимо подобрать транзистор подходящей мощности. Рабочий ток для питания метра светодиодов 300-500мА, для этих целей подойдет силовой биполярный транзистор. Для большей длины потребуется полевой транзистор.
Схема подключения LED ленты к ардуино:
Управление RGB лентой с помощью Andurino
Кроме однокристальных светодиодов, Ардуино может работать и с цветными LED. Подключив выводы каждого цвета к аналоговым выходам Ардуино можно произвольно изменять яркость каждого кристалла, добиваясь необходимого цвета свечения.
Схема подключения к Arduino RGB светодиода:
Аналогично построено и управление RGB лентой Arduino:
Аrduino RGB контроллер лучше собирать на полевых транзисторах.
Для плавного управления яркостью можно использовать две кнопки. Одна будет увеличивать яркость свечения, другая уменьшать.
Скетч управления яркостью светодиодной ленты Arduino
int led = 120; устанавливаем средний уровень яркости
void setup() {
pinMode(4, OUTPUT);
устанавливаем 4й аналоговый порт на вывод
pinMode(2, INPUT);
pinMode(4, INPUT);
устанавливаем 2й и 4й цифровой порт на ввод для опроса кнопок
}
void loop(){
button1 = digitalRead(2);
button2 = digitalRead(4);
if (button1 == HIGH)
нажатие на первую кнопку увеличит яркость
{
led = led + 5;
analogWrite(4, led);
}
if (button2 == HIGH)
нажатие на вторую кнопку уменьшит яркость
{
led = led — 5;
analogWrite(4, led);
}
При удержании первой или второй кнопки плавно изменяется напряжение, подаваемое на управляющий контакт электронного ключа. Тогда и произойдет плавное изменение яркости.
Модули управления Ардуино
Для создания полноценного драйвера управления светодиодной лентой можно использовать модули-датчики.
ИК-управление
Модуль позволяет запрограммировать до 20 команд.
Радиус сигнала около 8м.
Цена комплекта 6 у.е.
По радиоканалу
Четырёхканальный блок с радиусом действия до 100м
Цена комплекта 8 у.е.
Позволяет включать освещение еще при приближении к квартире.
Бесконтактное
Датчик расстояния способен по движению руки увеличивать и уменьшать яркость освещения.
Радиус действия до 5м.
Цена модуля 0,3 у.е.
В этом эксперименте мы добавляем порцию яркости светодиоду одной кнопкой и убавляем другой.
СПИСОК ДЕТАЛЕЙ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
- 1 плата Arduino Uno;
- 1 беспаечная макетная плата;
- 2 тактовых кнопки;
- 1 резистор номиналом 220 Ом;
- 1 светодиод;
- 7 проводов «папа-папа».
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА
СХЕМА НА МАКЕТНОЙ ПЛАТЕ
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ
- Если вы переделываете схему из схемы предыдущего эксперимента, обратите внимание, что на этот раз нам нужно подключить светодиод к порту, поддерживающему ШИМ.
СКЕТЧ
скачать скетч для Arduino IDE#define PLUS_BUTTON_PIN 2 #define MINUS_BUTTON_PIN 3 #define LED_PIN 9 int brightness = 100; boolean plusUp = true; boolean minusUp = true; void setup() { pinMode(LED_PIN, OUTPUT); pinMode(PLUS_BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP); pinMode(MINUS_BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP); } void loop() { analogWrite(LED_PIN, brightness); // реагируем на нажатия с помощью функции, написанной нами plusUp = handleClick(PLUS_BUTTON_PIN, plusUp, +35); minusUp = handleClick(MINUS_BUTTON_PIN, minusUp, -35); } // Собственная функция с 3 параметрами: номером пина с кнопкой // (buttonPin), состоянием до проверки (wasUp) и градацией // яркости при клике на кнопку (delta). Функция возвращает // (англ. return) обратно новое, текущее состояние кнопки boolean handleClick(int buttonPin, boolean wasUp, int delta) { boolean isUp = digitalRead(buttonPin); if (wasUp && !isUp) { delay(10); isUp = digitalRead(buttonPin); // если был клик, меняем яркость в пределах от 0 до 255 if (!isUp) brightness = constrain(brightness + delta, 0, 255); } return isUp; // возвращаем значение обратно, в вызывающий код }
ПОЯСНЕНИЯ К КОДУ
- Мы можем пользоваться не только встроенными функциями, но и создавать собственные. Это обоснованно, когда нам нужно повторять одни и те же действия в разных местах кода или, например, нужно выполнять одни и те же действия над разными данными, как в данном случае: обработать сигнал с цифровых портов 2 и 3.
- Определять собственные функции можно в любом месте кода вне кода других функций. В нашем примере, мы определили функцию после loop .
- Чтобы определить собственную функцию, нам нужно:
- Объявить, какой тип данных она будет возвращать. В нашем случае это boolean . Если функция только выполняет какие-то действия и не возвращает никакого значения, используйте ключевое слово void
- Назначить функции имя — идентификатор. Здесь действуют те же правила, что при именовании переменных и констант. Называть функции принято в том же стиле какПеременные .
- В круглых скобках перечислить передаваемые в функцию параметры, указав тип каждого. Это является объявлением переменных, видимых внутри вновь создаваемой функции, и только внутри нее. Например, если в данном эксперименте мы попробуем обратиться к wasUp или isUp из loop() получим от компилятора сообщение об ошибке. Точно так же, переменные, объявленные в loop , другим функциям не видны, но их значения можно передать в качестве параметров.
- Между парой фигурных скобой написать код, выполняемый функцией
- Если функция должна вернуть какое-то значение, с помощью ключевого слова return указать, какое значение возвращать. Это значение должно быть того типа, который мы объявили
- Так называемые глобальные переменные, т.е. переменные, к которым можно обратиться из любой функции, обычно объявляются в начале программы. В нашем случае — это brightness .
- Внутри созданной нами функции handleClick происходит всё то же самое, что в эксперименте .
- Поскольку при шаге прироста яркости 35 не более чем через восемь нажатий подряд на одну из кнопок значение выражения brightness + delta выйдет за пределы интервала . С помощью функции constrain мы ограничиваем допустимые значения для переменной brightness указанными границами интервала.
- В выражении plusUp = handleClick(PLUS_BUTTON_ PIN , plusUp, +35) мы обращаемся к переменной plusUp дважды. Поскольку = помещает значение правого операнда в левый, сначала вычисляется, что вернет handleClick . Поэтому когда мы передаем ей plusUp в качестве параметра, она имеет еще старое значение, вычисленное при прошлом вызове handleClick .
- Внутри handleClick мы вычисляем новое значение яркости светодиода и записываем его в глобальную переменную brightness , которая на каждой итерации loop просто передается в analogWrite .
ВОПРОСЫ ДЛЯ ПРОВЕРКИ СЕБЯ
- Что означает ключевое слово void ?
- Как ведет себя программа при упоминании одной переменной с разных сторон от оператора присваивания = ?
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
- Доработайте код таким образом, чтобы шаг изменения яркости настраивался в одном месте.
- Создайте еще одну функцию и переделайте код так, чтобы одна функция отвечала за отслеживание нажатий, а другая — за вычисление яркости светодиода и возвращала его в analogWrite .
Потенциометр — это переменный резистор, который при повороте ручки изменяет свое сопротивление.
Что требуется для проекта:
- Arduino UNO или любой другой аналог
- Макетная плата
- Потенциометр
- Светодиод
- Резистор 220 Ом
Схема подключения на макетной плате.
Для того, чтобы регулировать яркость светодиода, подключим его к разъему, который поддерживает ШИМ, в нашем случае это цифровой пин 3. Разъемы VCC и GND потенциометра подключаем к рельсе питания и земли макетной платы. Разъем A0 подключаем к аналоговому пину A0.
После удачной сборки схемы загружаем данный скетч:
#define LED 3 #define POT A0 void setup() { pinMode(LED, OUTPUT); //настройка пина в режим выхода pinMode(POT, INPUT); //настройка пина в режим входа } void loop() { //заявляем целочисленные переменные int turn, brightness; //считываем в turn напряжение потенциометра, его значения //будут варьироваться от 0 до 1023 turn = analogRead(POT); //в переменную brightness записываем значение turn, //деленное на 4. Будет принимать значения от 0 до 255 brightness = turn / 4; //включаем светодиод с яркостью, равной значению brightness analogWrite(LED, brightness); }
Теперь попробуем написать код для этой же схемы, но на чистом СИ в среде AtmelStudio 7. Выглядеть это будет так.
#include Теперь попробуем разобраться с этими двумя примерами. Дело в том, что среда Arduino задумывалась для быстрого старта начинающим. Если надо помигать светодиодом или пощелкать реле, то это можно осуществить за считанные минуты. Среда Arduino полностью изолированна от железа микроконтроллера и поэтому в ней все осуществляется через функции, которые написаны разработчиками данного софта. Эти функции и их внутренности сокрыты в недрах программы. Обычному пользователю остается только вызывать нужные функции для настроек аппаратных узлов МК. Казалось бы это намного упрощает программирование. В принципе это так и есть. Поэтому среда и платы Arduino очень популярны среди начинающих любителей проектов на МК. Однако есть и минусы, например те, кто программируют Arduino, не могут запрограммировать микроконтроллеры, которые не поддерживает среда Arduino IDE. Например, запрограммировать любую модель МК Attiny AVR представляется уже невозможным. Да и другие модели Atmega, которых нет в платах Arduino, тоже остаются за бортом. В принципе если проекты не особо сложные, так побаловатся, то и среды Arduino достаточно. Если же надо что то большое и сложное, то тут конечно рулит чистый СИ. Но тогда придется разбираться в регистрах МК, в том как работают те или иные узлы МК. Надо читать документацию, изучить и понимать сам СИ. Однако если у вас уже есть опыт написание скетчей в среде Arduino, то со временем разобраться в СИ тоже будет возможно. Теперь попробуем рассмотреть код на СИ и поймем что это не так страшно. К примеру строка #include DDRC = 0< Эти строки настраивают нужные нам выводы платы Arduino на вход или на выход. PC0
это то же что и А0
на плате, этот вывод надо настроить на вход, так как к ней подключаетя потенциометр. И с этого вывода будет считываться значение АЦП. Регистром ADMUX
и ADCSRA
настраиваем сам узел АЦП в нужный нам режим. В частности настраиваем так что АЦП будет автоматически постоянно считывать значение с вывода А0
и сохранять это значение в регистре ADCH
. В МК есть аппаратные таймеры, это тоже такие узлы которые дают возможность работать с ШИМ выводами, например ШИМ вывод ~3 к которому подключен светодиод, принадлежит внутреннему Timer2
. В Atmega 328 есть еще Timer0
и Timer1
. Так вот с помощью регистров TCCR2A
и TCCR2B
, настроим наш Timer2 на режим FAST_PWM
, это дает нам возможность работать с выводом ~3 платы Arduino. Ну и в главном цикле программы сразу передаем значение из АЦП в наш Timer2
. Делается это одной строчкой OCR2B=ADCH
. Вопрос только в том как залить в нашу ардуину код написанный на СИ в AtmelStudio? Сделать это можно с помощью прямо из среды AtmelStudio. Правда перед этим надо из платы ардуино этим же программатором считать и сохранить загрузчик. Иначе потом плата ардуино не сможет работать со средой Arduino. В любое время можно обратно программатором вернуть загрузчик на место. И попробуем выполнить новую задачу. Думаю, что все видели новогодние витринные гирлянды, в которых плавно мигают светодиоды. Допустим, что мы хотим сделать нечто подобное. 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() void loop() 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(). boolean lastButton = LOW; void setup() boolean debounce(boolean last) void loop() If(enable == true) If(enable == false) LastButton = currentButton; Надеюсь, что эта статья была для Вас полезной. В следующем уроке мы рассмотрим прерывания в Arduino и добьемся должного результата. В функции setup() нужно назначить вывод 9 выходом.
/*
Этот пример показывает как изменять яркость светодиода на выводе 9
используя
функцию
analogWrite().
*/
int
led = 9;
//
вывод
светодиода
9
int
brightness = 0;
// переменная отвечающая за яркость
int
fadeAmount = 5;
// переменная, которая задает скорость изменения яркости за цикл
//
настройки:
void
setup()
{ //
назначим вывод 9 выходом
:
pinMode
(led, OUTPUT);
//
основной цикл
:
void loop
()
{ // устанавливаем яркость светодиода на выводе 9:
analogWrite
(led, brightness);
// изменим значение яркости для следующего прохода цикла:
brightness = brightness + fadeAmount;
//
поменяем направление изменения яркости
:
if
(brightness == 0 || brightness == 255)
{ fadeAmount = -fadeAmount ;
// ждем 30 миллисекунд для наблюдения эффекта диммирования:
delay
(30);
подключает заголовочный файл в котором выбирается наш нужный МК. Среда AtmelStudio 7 делает это автоматически при создании нового проекта.
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.
{
pinMode(led,OUTPUT);
}
{
for(int i=0; i<=255; i++)
{
analogWrite(led,i);
delay(10);
}
for(int i=255; i>=0; i--)
{
analogWrite(led,i);
delay(10);
}
}
int buttonPin = 2;
int pins = {3,5,6,9,10,11};
boolean currentButton = LOW;
boolean enable = false;
{
pinMode(buttonPin, INPUT);
for(int mode = 0; mode <= 5; mode++) pinMode(pins, OUTPUT);
}
{
boolean current = digitalRead(buttonPin);
if(last != current)
{
delay(5);
current = digitalRead(buttonPin);
}
return current;
}
{
currentButton = debounce(lastButton);
if(lastButton == LOW && currentButton == HIGH)
{
enable = !enable;
}
{
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);
}
}
{
for(int i = 0; i <= 5; i++) digitalWrite(pins[i], LOW);
}
}
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!Аппаратное обеспечение:
- плата
- макетная плата
- светодиод
- резистор 220 Ом
Электрическая цепь:
Соедините анод (длинный вывод) вашего светодиода с цифровым выводом 9 Arduino через резистор 220 Ом. Соедините катод (короткий вывод) с землей (GND) Arduino.
Схема:
Код:
Функция analogWrite() которую вы будете использовать в основном цикле имеет два аргумента: первый говорит функции какой вывод использовать, во второй записывают значение для ШИМ.
Для того чтобы плавно увеличить яркость светодиода, а потом плавно уменьшить вам нужно сначала увеличивать значение ШИМ от 0 (светодиод выключен) до 255 (максимальная яркость), а потом наоборот. В нашей программе переменная отвечающая за значение ШИМ будет называться brightness. В каждом цикле эта переменная будет изменятся на значение fadeAmount.
Как только brightness достигнет значения 255 или 0 fadeAmount изменит свой знак. Таким способом мы сможем поменять увеличения яркости на понижение и наоборот.
analogWrite() изменяет значение ШИМ очень быстро, потому нужна задержка для контроля скорости изменения яркости. Вы можете сами изменять значения задержки и смотреть как это скажется на работе.
Полный текст программы:
- полный каталог плат
