Как рождаются программы
Это будет немного не обычная статья, в ней я попробую не просто показать готовый код, который что-то делает, а покажу как рождается устройство и прошивка для него. Мы рассмотрим логику работы программы и то как эту логику построить.
Сегодня мы с вами будем решать следующую задачу: есть 2 светодиода их надо подключить к Arduino и реализовать возможность регулировать яркость их горения.
Приступим!
Первым делом надо продумать как будет выглядеть наше устройство и что нам понадобится для его реализации, нам надо чем то регулировать яркость светодиодов и видеть в каком режиме сейчас работают светодиоды для этого отлично подходит lcd shield который мы рассматривали в прошлой статье .
Теперь нам осталось подключить светодиоды, для этого отлично подходит так называемый бредборд, это пластиковая штуковина (не знаю как ее по другому назвать) в которую без пайки можно подключить провода от Arduino и другие электронные компоненты, что очень удобно когда ты точно не знаешь как будет выглядеть готовое устройство или схема нужно всего на несколько запусков. Китайцы клепают огромное количество их разновидностей, я лично пользуюсь таким:
Для простоты понимания как он устроен внутри я приложу схему внутренних соединений:
Подключение светодиодов к Arduino
Многие сейчас скажут: что сложного в подключении светодиода, это же лампочка! И будут не правы, светодиод - это далеко не простая лампочка, а полупроводниковый световой прибор. Который питается не напряжением как обычная лампочка, а током и если ток превысит допустимые значения, то светодиод начнет деградировать, его яркость будет уменьшатся что станет заметно через некоторое время, зависящее от мощности протыкаемого тока или, вообще моментально сгорит.
Как избежать порчи светодиода из-за большого тока? Все очень просто: нужно использовать токоограничивающий резистор, который надо рассчитывать для каждого светодиода в зависимости от его характеристик. Расчет резисторов для светодиода - это тема для отдельной статьи и сегодня мы не будем углубляться в эту тему так как скорей всего вы не знаете характеристик светодиода, который вы где-то нашли. На этот случай я использую маленькое правило: если светодиод не яркий, то я запитываю его через резистор сопротивлением от 220 до 400 ом в зависимости от того какой резистор был под рукой. Главное запомнить правило – лучше больше чем меньше. При большем сопротивлении чем требуется светодиоду, он просто будет гореть тусклее нормы.
Теперь надо определится как регулировать яркость светодиода, для этого можно использовать переменные резисторы что в принципе исключит интерактивную регулировку и по этому мы не будем использовать данный способ в этой статье. Мы будем использовать ШИМ реализованный на плате Arduino.
Что такое ШИМ
ШИМ (широтно-импульсная модуляция) – это изменение скважности сигнала на определенном отрезке времени. Шим сигнал имеет следующий вид по сравнению с постоянным сигналом:
На этой картинке 100% рабочего цикла это отсутствие ШИМ как такового, сигнал идет без изменений, как будто вывод просто подключен к 5 вольтам.
0% рабочего цикла это отсутствие какого-либо сигнала, как будто провод никуда не подключен.
Остальные режимы работы - это быстрое переключение режимов работы что заставляет светодиод как бы моргать с большой скоростью не заметной глазу человека (100 раз в секунду) что и заставляет его гореть с не полной яркостью. Arduino в зависимости от версии используемого чипа имеет разное количество ШИМ выходов, на плате они помечены знаком ~ из прошлой статьи мы знаем что это 6 выходов 3, 5, 6, 9, 10, и 11 мы будем использовать 10 и 11 выводы.
Давайте наконец то подключим светодиоды к плате. Надеваем на Arduino наш lcd shield и собираем следующею схему для которой нам понадобится бредборд, 2 светодиода, 2 резистора на 250 ом, и 3-4 провода папа- папа. Схема будет иметь следующий вид:
И не забываем, что у светодиода есть полярность, длинная или кривая (как на схеме) ножка светодиода - это плюс который и подключается через резистор.
На этом я наверно закончу первую часть статьи, во второй части мы займемся именно проработкой логики работы и написанием кода программ. Всем добра!
Функция analogWrite() используется для затухания свтодиода и его постепенного включения.
AnalogWrite использует широтно-импульсную модуляцию (PWM), которая дает возможность включать/включать цифровой пин с большой скоростью, генерируя эффект затухания.
Подключите анод (более длинная, позитивная нога) светодиода к цифровому пину 9 платы Arduino через резистор 220 Ом. Подключите катод (более короткая, нога с отрицательным зарядом) к земле.
После объявления 9 пина в качестве ledPin, тело функции setup() можно не наполнять.
Функция analogWrite() которую вы будете использовать в главном цикле main, требует два аргумента: один для определения пина, на который будут записываться и второй - для отображения записываемого ШИМ-значения.
Для того, чтобы постепенно зажигать и тушить ваш светодиод, постепенно увеличивайте ШИМ значение от 0 до 255, после - опять до 0, чтобы завершить цикл. В скетче ниже, ШИМ-значение используется для переменной под названием brightness. Каждый раз по завершению цикла она увеличивает значение переменной.
Если brightness достигает своего предельного значения (0 или 255), fadeAmount меняет свое значение на отрицательное. Другими словами, если fadeAmount равно 5, его значение меняется на -5. При следующей итерации цикла это приводит к изменению переменной brightness.
analogWrite() обеспечивает быструю смену ШИМ значения, так что задержка в конце скетча контролирует скорость затухания. Попробуйте изменить значение задержки задержки и отследить, как отработает программа.
Данный пример показывает как обеспечить затухание на 9 пине с использованием функции analogWrite().
int led = 9; // пин, к которому подключен светодиод
int brightness = 0; // яркость светодиода
int fadeAmount = 5; // на сколько увеличить яркость светодиода
// функция setup отрабатывает один раз после перезагрузки платы:
// объявляет 9 пин в качестве выхода:
pinMode(led, OUTPUT);
// цикл loop повторяется бесконечно:
// устанавливает яркость 9 пина:
analogWrite(led, brightness);
// изменение яркости на следующей итерации с помощью цикла:
brightness = brightness + fadeAmount;
// меняет значение затухания на аналогичное с противоположным знаком при граничных значениях:
if (brightness == 0 || brightness == 255) {
fadeAmount = -fadeAmount ;
// задержка в 30 для отслеживания эффекта затухания
На этом примере Вы научитесь изменять яркость светодиода, используя резисторы с различным сопротивлением.
1 светодиод диаметром 5 мм
1 резистор на 270 Ом (красный, фиолетовый, коричневый)
1 резистор на 470 Ом (желтый, фиолетовый, коричневый)
1 резистор на 2.2 кОм (красный, красный, красный)
1 резистор на 10 кОм (коричневый, черный, оранжевый)
Светодиоды отлично служат в устройствах для разного рода индикации. Они потребляют мало электричества и при этом долговечны.
В данном примере мы используем самые распространенные светодиды диаметром 5 мм. Также распространены светодиоды диаметром 3 миллиметра, ну и большие светодиоды диаметром 10 мм.
Подключать светодиод напрямую к батарейке или источнику напряжения не рекомендуется. Во-первых, надо сначала разобраться, где именно у светодиода отрицательная и положительная ноги. Ну а во вторых, необходимо использовать токоограничивающие резисторы, иначе светодиод очень быстро перегорит.
Если вы не будете использовать резистор со светодиодом, последний очень быстро выйдет из строя, так как через него будет проходить слишком большое количество тока. В результате светодиод нагреется и контакт, генерирующий свет, разрушится.
Различить позитивную и негативную ноги светодиода можно двумя способами.
Первый – позитивная нога длиннее.
Второй – при входе в корпус самого диода на коннекторе негативной ноги есть плоская кромка.
Если вам попался светодиод, на котором плоская кромка на более длинной ноге, длинная нога все равно является позитивной.
Resist – сопротивление (англ.)
Из названия можно догадаться, что резисторы сопротивляются потоку электричества. Чем больше номинал (Ом) резистора, тем больше сопротивление и тем меньше тока пройдет по цепи, в которой он установлен. Мы будем использовать это свойство резисторов для регулирования тока, который проходит через светодиод и, таким образом, его яркость.
Но сначала погорим немного о резисторах.
Единицы, в которых измеряется сопротивление – Ом, которые во многих источниках обозначаются греческой буквой Ω – Омега Так как Ом – маленькое значение сопротивления (практически незаметное в цепи), мы часто будем оперировать такими единицами как кОм - килоом (1000 Ом) и МОм мегаом (1000000 Ом).
В данном примере мы будем использовать резисторы с четырьмя различными номиналами: 270 Ω, 470 Ω, 2.2 кΩ и 10 кΩ. Размеры этих резисторов одинаковы. Цвет тоже. Единственное, что их различает – цветные полоски. Именно по этим полоскам визуально определяется номинал резисторов.
Для резисторов, у которых три цветные полоски и последняя золотистая, работают следующие соответствия:
Коричневый 1
Красный 2
Оранжевый 3
Зеленый 5
Фиолетовый 7
Первые две полоски обозначают первые 2 числовых значения, так что красный, филетовый означает 2, 7. Следующая полоска – количество нулей, которые необходимо поставить после первых двух цифр. То есть, если третья полоска коричневая, как на фото выше, будет один нуль и номинал резистора равен 270 Ω.
Резистор с полосками коричневого, черного, оранжевого цветов: 10 и три нуля, так что 10000 Ω. То есть, 10 кΩ.
В отличии от светодиодов, у резисторов нет положительной и и отрицательной ног. Какой именно ногой подключать их к питанию/земле – неважно.
Подключите в соответствии со схемой, приведенной ниже:
На Arduino есть пин на 5 В для питания периферийных устройств. Мы будем его использовать для питания светодиода и резистора. Больше вам от платы ничего не потребуется, только лишь подключить ее через USB к компьютеру.
С резистором на 270 Ω, светодиод должен гореть достаточно ярко. Если вы вместо резистора на 270 Ω установите резистор номиналом 470 Ω, светодиод будет гореть не так ярко. С резистором на 2.2 кΩ, светодиод должен еще немного затухнуть. В конце-концов, с резистором 10 кΩ, светодиод будет еле виден. Вполне вероятно, чтобы увидеть разницу на последнем этапе вам придется вытянуть красный переходник, использовав его в качестве переключателя. Тогда вы сможете увидеть разницу в яркости.
Кстати, можно провести этот опыт и при выключенном свете.
В момент, когда к одной ноге резистора подключено 5 В, вторая нога резистора подключается к позитивной ноге светодиода, а вторая нога светодиода подключена к земле. Если мы переместим резистор так, что он будет располагаться за светодиодом, как показано ниже, светодиод все равно будет гореть.
Мы можем подключить светодиод к выходу Arduino. Переместите красный провод от пина питания 5V к D13, как это показано ниже.
Теперь загрузите пример “Blink”, который мы рассматривали . Обратите внимание, что оба светодиода – встроенный и установленный вами внешний начали мигать.
Давайте попробуем использовать другой пин на Arduino. Скажем, D7. Переместите коннектор с пина D13 на пин D7 и измените следующую строку вашего кода:
Загрузите измененный скетч на Arduino. Светодиод продолжит мигать, но на этот раз, используя питание от пина D7.
