Для отримання даних зовнішнього світу до мікроконтролерів підключаються різного роду датчики і прилади вимірювання. Термометри, датчики світла, електронні вольтметри - це все приклади електронних датчиків. Але звичайні GPIO-входи мікроконтролера можуть зчитувати лише цифрові сигнали, які мають два рівні напруги: високий та низький, в той час як більшість датчиків формують на виході напругу самих різних значень в деякому діапазоні. Такі прилади і сигнали називають аналоговими. Найпростішим прикладом аналогового приладу є потенціометр.
На малюнку зображено приклад підключення потенціометра до Ардуіно-плати. Справа резистор, два його кінці під'єднано до напруги живлення і "землі". Рухомий вивід під'єднано до піна плати. Зміною положення ручки плавно регулюється рівень сигналу на вході А0, від мінімального 0В до максимального - 3,3В. Для зчитування таких сигналів мікроконтролери мають аналогово-цифрові перетворювачі, або АЦП (англ. ADC). Такі перетворювачі вміють зчитувати таку напругу і перетворювати її в цифрове значення, яке далі можна використовувати в коді програми. Зазвичай мікроконтролери мають строго визначений набір пінів, які вміють зчитувати аналогові сигнали. Щоб дізнатись, які саме піни підтримують АЦП, звертайтесь до документації вашої плати (чіпа). Спосіб і результат зчитування в програмі може різнитись між мікроконтролерами, фреймворками, налаштуваннями. Ми покажемо приклад для фреймворку Arduino - найпростіший варіант для новачків:
#include "Arduino.h"
void setup() {Serial.begin(9600); // ініціалізація UART для виводу в консоль}void loop() {int value = analogRead(A0); // читання аналогового входу A0Serial.print("ADC value: ");Serial.println(value); // вивід у Serial Monitordelay(500); // пауза 500 мс}
Рівень сигналу легко зчитується функцією analogRead, яка автоматично вмикає для вказаного піна режим аналогового ВХОДУ і повертає значення від 0 (при мінімальній напрузі на вході) до 1023 (при максимальній напрузі). Також в коді прикладу виводиться інформація у Serial Monitor.
По суті тут потенціометр - це просто дільник напруги. Більшість датчиків мають з себе просто змінний резистор, що змінює свій опір під впливом певного фізичного явища. Так, наприклад, фоторезистор має більший опір при кращому освітленні, більший опір - коли освітлення гірше. Термістор змінює опір в залежності від температури тощо. Таким чином, збираючи схему подільника напруги на подібних резисторах-датчиках ми маємо можливість отримувати дані про навколишній світ в мікроконтролері, і певним чином реагувати на нього. Приклад такого подільника напруги, зібраного з фоторезистором зображено на малюнку:
Зліва фоторезистор R1 грає роль верхнього плеча подільника - напруга буде зростати при зменшені опору фоторезистора. Справа ж фоторезистор - нижнє плече, і в результаті отримуємо обернену логіку: чим більше світла, тим менша напруга на піні. Резистори R2 і R4 підбираються в залежності від характеристик фоторезистора.
Для лівої схеми, наприклад, напруга буде коливатися між:
Umin = R2 / (R1+R2) * Vcc = 47000 / (250000 + 47000) * 5 = 0,8V
Umax = R2 / (R1+R2) * Vcc = 47000 / (2000 + 47000) * 5 = 4,8V
Також приклад використання АЦП можна подивитись в навчальному проєкті Детектор перешкод на Arduino.
Роздільна здатність АЦП (ADC resolution)
Роздільна здатність АЦП — це кількість цифрових значень (кроків), які він може використати для представлення аналогового сигналу. Чим більша роздільна здатність, тим точніше можна виміряти сигнал.
Наприклад, якщо АЦП працює в діапазоні від 0 до 5 В і має 10 біт, то він може представити цей діапазон у 1024 кроках. Тобто кожному значенню напруги відповідає одне з 1024 цифрових значень. Кількість таких кроків визначається простою формулою: це 2 в степені n, де n — кількість біт АЦП. У випадку 10-бітного АЦП це 2¹⁰ = 1024.
Чим більше кроків має АЦП, тим менші зміни у вхідному сигналі він може помітити. Це означає, що цифрове представлення сигналу буде точнішим. Наприклад, 4-бітний АЦП з опорною напругою 5 В може зафіксувати мінімальну зміну напруги приблизно 312,5 мВ. У той же час 10-бітний АЦП при тих самих 5 В вже здатен розрізняти значно менші зміни — приблизно 4,88 мВ, тобто працює набагато точніше. Мінімальну зміну напруги, яку може визначити АЦП, можна обчислити за формулою: опорна напруга, поділена на кількість кроків. Наприклад, для 10-бітного АЦП це буде 5 В / 1024 ≈ 4,882 мВ.
Отже, чим більша розрядність, тим плавніше і точніше змінюється вихідне значення.
