阿杜诺。模拟输入输出操作，配合声音工作。方案、说明

阿杜伊诺。模拟输入输出操作，工作时有声音。无线电电子电气工程百科全书

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虽然数字输入输出操作可以解决广泛的任务，但 Arduino 板的微控制器中内置的模数转换器 (ADC) 的存在以及使用脉冲宽度调制 (PWM) 输出模拟信号的能力提供了与模拟传感器和各种执行器的配合，这些执行器与控制信号成比例地作用于物体。

严格来说，在输出模式下，所有Arduino端口线只能传输只有两种状态的离散信号。但微控制器能够非常快速地改变这些状态，生成矩形脉冲。如果将这些脉冲施加到任何具有惯性特性的设备，那么它的表现就好像施加到它的电压是恒定的，等于脉冲的平均值，并且变化平滑，并且不会在高逻辑电平和低逻辑电平之间跳跃。

在 PWM 模式下，端口生成恒定频率和可变占空比（这是脉冲重复周期与其持续时间的比率）的脉冲信号。通常，它们不是使用占空比，而是使用占空比的倒数 - 占空比，可以从 0（无脉冲）更改为 100%（脉冲跟随、合并、无暂停）。因此，尽管输出电压在任何给定时刻要么高要么低，但其平均值与占空比成正比。如果将常规万用表连接到该输出，它将显示该值（当然，如果脉冲频率足够高）。

在Arduino UNO中，输出D3、D5、D6、D9、D10和D11可以工作在PWM模式。通常在板上它们标有符号“~”或缩写“PWM”。应该注意的是，其他修改的 Arduino 板可能或多或少有这样的输出。

在最简单的情况下，PWM 可用于控制 LED 的亮度。该设备实际上是无惯性的，但人类视觉具有足够的惯性，使得一系列快速 LED 闪烁被感知为具有与占空比相关的亮度的连续发光。

支持 PWM 的数字输出默认配置为使用此模式，因此您无需调用 pinMode() 函数即可使其在此模式下工作。要设置 PWM 信号的占空比，有一个标准的 AnalogWrite(N, M) 函数，其中 N 是引脚编号，M 是与所需占空比成比例的数字。它必须介于 0 和 255 之间，其中 0 表示零占空比（恒定低输出），255 表示 100% 占空比（恒定高输出）。某些 M 值以及相应的占空比 Kz 的输出电压时序图如图 1 所示。 XNUMX.

阿杜诺。模拟 I/O 操作，音频操作
米。 1. 输出电压时序图

例如，考虑表中给出的表。 1 程序逐渐增加连接到数字输出 D9 的 LED 的亮度，然后逐渐降低。它基于 Arduino IDE 提供的 Examples3.AnalogFading 标准示例。脉冲占空比值的枚举是在[1]中已考虑的 for 循环运算符的帮助下实现的。

1表。

阿杜诺。模拟 I/O 操作，音频操作

为了从外部设备接收模拟信号，Arduino 使用输入 A0-A5，默认情况下将其设置为所需状态，因此不需要额外的初始化。 Arduino UNO 内置的 ADC 生成 10 位二进制代码，并将 0 至 +5 V 范围内的输入电压转换为 0 至 1023 (210-1) 之间的整数。

AnalogRead(N)函数用于读取转换结果，其中N是模拟输入的编号。

Arduino的模拟输入端可以连接各种传感器，其输出电压与测量值成正比（可变电阻、热敏电阻、光敏电阻等）。但必须记住，模拟输入只能施加0到+5V的电压，如果传感器的输出电压处于不同的区间或为负极性，则必须首先将信号置于指定的区间内。模拟输入的轮询频率低于 10 kHz [2]，这可能不足以分析一些快速变化的信号。

模拟输入的存在使您可以将 Arduino 变成一个简单的数字电压表，测量 0 至 +5 V 的恒定电压并将测量结果传输到计算机。为此，只需将表 2 中所示的程序下载到 Arduino 中即可。 XNUMX.

表2

阿杜诺。模拟 I/O 操作，音频操作

请注意，程序中的常数是ADC参考电压Uref（单位为毫伏）和将ADC输出代码转换为电压Ku的系数。系数的值是通过将指定的参考电压除以1023来计算的。该系数通常是分数，因此Ki常数的类型为float（浮点数）。常数 Uref 具有相同的类型，以便正确计算系数。由于公式右侧只有常量，因此在执行程序时计算系数的不是微控制器，而是编译器本身在翻译阶段。

所有这些都允许您通过用万用表测量 Arduino 板的 Uref 引脚处的参考电压的精确值并通过分配常数 Uref 将其写入程序来提高电压表的精度。提高模数转换精度的其他方法可以在 [3, 4] 中找到。

当相关程序运行时，板上的 TX LED 会闪烁，表示通过串行端口传输信息。 RX LED 熄灭是因为计算机没有传输任何响应。内置的Arduino IDE终端显示接收到的信息（图2）——测量3332原电池电压的结果。

阿杜诺。模拟 I/O 操作，音频操作
米。 2.程序窗口

Arduino不仅可以发出光信号，还可以发出声音信号。为此，需要将压电发声器（例如 ZP-1）连接到其输出之一（图 3）。

阿杜诺。模拟 I/O 操作，音频操作
米。 3. 连接压电发声器

为了处理声音，提供了特殊的功能音调（N，F，T），其中N是生成矩形脉冲的引脚号； F——声音频率，Hz； T——声音持续时间，ms。最后一个参数是可选的。如果没有它，声音将是连续的。为了将其关闭，提供了 noTone(N) 函数。

当然，压电陶瓷发声器很难称为高质量的播放设备，并且微控制器产生的信号具有矩形形状，但是使用这些功能可以让您演奏简单的旋律。表中给出了一个例子。 3. 这是一个稍微修改过的示例 02.Digital oneMelody 程序，包含在 Arduino IDE 中。由于手动设置旋律每个音符的频率很不方便，因此使用#include指令将文件pitches.h附加到程序的标题中。这个操作相当于将该文件的全文包含到程序中。在本例中，它包含可以播放的音符名称及其频率的列表。

表3

阿杜诺。模拟 I/O 操作，音频操作

发声器必须连接到输出 D8。

对于程序来说，旋律是一系列相同类型的常量（频率值），它们可以方便地组合成一个数组 - 相似元素的编号列表。声明数组时，必须枚举其所有元素，或指定它们的总数。请注意，数组元素的编号始终从零开始。

在此示例中，使用了两个数组：int melody[] 包含旋律音符的名称，int note Durations[] - 它们的持续时间（以毫秒为单位）。要访问数组的元素，其名称是用方括号括起来的序列号指定的。为了能够轻松更改旋律中的音符数量，可以使用 sizeof(V) 函数进行计算，该函数返回其参数（变量或其数组）在微控制器内存中占用的字节数。在本例中，旋律数组的长度为 16 个字节，其 int 元素的长度为两个字节。因此，Note 变量的值为 8，这就是 for 循环体将重复播放音符的次数。

如果向 melody[] 数组添加多个音符，Note 值将相应改变。只需记住用这些音符的持续时间填充 noteDurations[] 数组即可。

由于旋律播放一次，因此所需的所有操作都放在 setup() 函数内。

要重新执行，您需要按下 Arduino 板上的 RESET 按钮来重置微控制器。

文章中讨论的 Arduino 程序可以从 ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/09/aninout.zip 下载。

文学

莱科姆采夫·D·阿杜诺 (Lekomtsev D. Arduino) 数字 I/O 操作。 - 广播，2016 年，第 8 期，第 51 页54-XNUMX。
使用 Arduino 进行模拟测量。 - 网址：robotosha.ru/arduino/analog-measurements-arduino.html。
Arduino 语言参考。模拟 I/O - AnalogReference()。 - URL：arduino.cc/en/Reference/AnalogReference。
AnalogReference() 函数。 - URL：arduino.ru/Reference/AnalogReference。

作者：D. Lekomtsev

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