Arduino любой выход шим библиотека. Что такое ШИМ и как она используется в Arduino. Широтно-импульсные модуляторы в Ардуино

05.03.2019

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.

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:

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.
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.
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 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:

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 }

Широтно-импульсные модуляторы в Ардуино

Чтобы использовать частотный ШИМ на , 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.

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.

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.

Месяца 3 назад, как и многие горе-электроники, купил себе на мой тогдашний взгляд самую навороченную микропроцессорную плату из семейства Arduino, а именно Seeeduino Mega, на базе процессора Atmega1280. Побаловавшись всласть вращающимся сервоприводом и моргающим светодиодом, встал вопрос: «зачем же я её купил?».

Я работаю одним из ведущих конструкторов на одном крупном военном Зеленоградском заводе, и в данный момент веду проект по разработке метрологического средства измерения. В данной задаче существует бесконечное множество проблем, которые требуют индивидуального решения. Одной из таких задач является управление шаговым двигателем без шумов и с шагом не 1.8 градуса, как сказано в документации шагового двигателя, а до 0.0001 градуса. Казалось бы, задача сложна и нерешабельна, но, повозившись немного со схемами управления, пришёл к выводу, что всё реально и возможно. Требуется только генерация двух сигналов специфичной формы и со сдвигом фаз и частотой изменения напряжения до 1 МГц. (Подробное исследование шагового мотора и раскрытие всех тайн управления напишу в следующей статье) Сразу же в голове стали появляться проблески надежды, что я не зря потратил 1500 рублей на свою красненькую Seeeduino, и я, набравшись энтузиазма, начал разбираться.

Первоначальный ужас:

Подключив микропроцессорную плату к осцилографу, и написав цикл digitalWrite(HIGH), и ниже digitalWrite(LOW), на осцилографе обнаружил довольно унылый меандр с частотой 50Гц. Это кошмар. Это крах, подумал я, на фоне требуемых 1Мгц.
Далее, через осцилограф, я изучил еще несколько скоростей выполнения:
AnalogRead() - скорость выполнения 110 мкс.
AnalogWrite() - 2000 мкс
SerialPrintLn() - при скорости 9600 около 250мкс, а при максимальной скорости около 3мкс.
DigitalWrite() - 1800мкс
DigitalRead() - 1900мкс

На этом я, всплакнув, чуть не выкинул свою Seeeduino. Но не тут-то было!

Глаза боятся, руки делают!

Не буду рассказывать свои душевные муки и описывать три долгих дня изучения, лучше сразу скажу всё как есть!
Подняв всю возможную документацию на Arduino и на процессор Atmega1280, исследовав опыт зарубежных коллег , хочу предложить несколько советов, как заменять чтение/запись:

Улучшаем AnalogRead()

#define FASTADC 1

// defines for setting and clearing register bits
#ifndef cbi
#define cbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit))
#endif
#ifndef sbi
#define sbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit))
#endif

Void setup() {
int start ;
int i ;

#if FASTADC
// set prescale to 16
sbi(ADCSRA,ADPS2) ;
cbi(ADCSRA,ADPS1) ;
cbi(ADCSRA,ADPS0) ;
#endif

Serial.begin(9600) ;
Serial.print("ADCTEST: ") ;
start = millis() ;
for (i = 0 ; i < 30000 ; i++)
analogRead(0) ;
Serial.print(millis() - start) ;
Serial.println(" msec (30000 calls)") ;
}

Void loop() {
}

Результат: скорость 18,2 мкс против бывших 110 мкс .
Кстати, максимальная скорость АЦП Атмеги как раз 16мкс. Как вариант - использовать другую микросхему, заточенную именно под АЦП, которая позволит уменьшить скорость до 0,2мкс (читать ниже, почему)

Улучшаем digitalWrite()

Каждая Arduino/Seeeduino/Feduino/Orduino/прочаяduino имеет порты. Каждый порт - 8 бит, которые сначала надо настроить на запись. Например, на моей Seeeduino PORTA - c 22 по 30 ножку. Теперь всё просто. Управляем с 22 по 30 ножки с помощью функций
PORTA=B00001010 (битовая, ножки 23 и 25 - HIGH)
или
PORTA=10 (десятичная, всё так же)
Результат = 0,2мкс против 1800мкс , которые достигаются обычным digitalWrite()

Улучшаем digitalRead()

Практически то же самое, что и в улучшении с digitalWrite(), но теперь настраиваем ножки на INPUT, и используем, например:
if (PINA==B00000010) {...} (если на ножке 23 присутствует HIGH, а на 22 и 24-30 присутствует LOW)
Результат выполнения этого if() - 0.2мкс против 1900мкс , которые достигаются обычным digitalRead()

Улучшаем ШИМ модулятор, или analogWrite()

Итак, есть данные, что digitalRead() исполняется 0,2мкс, и ШИМ модулятор имеет дискретность 8 разрядов, минимальное время переключения ШИМ 51,2мкс против 2000 мкс.
Используем следующий код:
int PWM_time=32; //Число, которое мы как бы хотим записать в analogWrite(PIN, 32)
for (int k=0;kFor (int k=0;k<256-PWM_time) PORTA=B00000000;

Вот и получили ШИМ с частотой 19кГц против 50Гц.

Подведём итоги

digitalWrite() было 1800мкс , стало 0,2мкс
digitalRead() было 1900мкс , стало 0,2мкс
analogWrite() было 2000мкс , стало 51,2мкс
analogRead() было 110мкс , стало 18,2мкс , а можно до 0,2мкс

Например);

резистор номиналом 190…240 Ом (вот отличный набор резисторов самых распространённых номиналов);

персональный компьютер со средой разработки Arduino IDE.

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 (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 .