Датчики для ардуино

Урок 2. Аналоговые входы

Продолжим знакомство с платформой Arduino и в данной статье рассмотрим аналоговые входы.

Основным применением аналоговых входов в тематике Arduino является чтение значений аналоговых датчиков. В тоже время стоит не забыть упомянуть, что аналоговые входы могут использоваться как цифровые порты входов/выходов рассмотренные в предыдущем уроке (об этом в конце статьи).

На плате Arduino UNO их 6 (A0-A5). У других плат количество может отличаться, смотрите в спецификации.

Благодаря встроенному АЦП (аналого-цифровой преобразователь), данные входы могут считывать напряжение подаваемое на них. Микроконтроллеры Atmega 328, используемые в Arduino UNO, содержат шестиканальный АЦП, разрешение которого составляет 10 бит. Это позволяет на выходе получать значения от 0 до 1023 (всего 1024 градации).

Для того чтобы считать показание на аналоговом входе следует вызвать функцию

// Производим чтение с аналогового входа A0 analogRead(0);

Данная функция возвращает значение от 0 до 1023 пропорционально напряжению на аналоговом входе

Пример на практике

В качестве первого примера работы с аналоговыми входами подключим потенциометр.

Для нашей задачи отлично подойдут однообортные потенциометры изображенные на картинке. Не смотря на столь значительные внешние отличия, они мало чем отличаются. Для примера можно использовать любой из них. Большим потенциометром с крутилкой конечно удобнее пользоваться, но он обладает толстыми ножками которые быстро расшатывают контакты макетной платы. В случае, если под рукой имеется отвертка, то, при работе с макетной платой, лучше воспользоваться квадратным потенциометром.

Для эксперимента нам понадобятся:

Плата Arduino, соединительные провода «папа-папа», макетная плата на 400 контактов, потенциометр 10кОм

Описание примера:

Потенциометр это резистор меняющий свое сопротивление в зависимости от угла поворота крутилки. Он имеет 3 вывода. На крайние выводы подаем 5V и GND (полярность не имеет особого значения, если выводы поменять местами, значения просто инвертируются). Между крайними выводами расположено резистивное вещество, по которому движется ползунок соединенный со средним выводом. При повороте крутилки изменяется сопротивление, а вместе с тем и напряжение.

На реальной макетной плате всё будет выглядеть следующим образом:

Пример программного кода:

void setup() { Serial.begin(9600); // Задаем скорость работы монитор порта } void loop() { int analogValue = analogRead(0); // Задаем переменную analogValue для считывания показаний Serial.println(analogValue); // Выводим полученое значение в порт delay(500); // Ждем пол секунды }

Более точная работа аналогового входа

Для того чтобы добиться более точных показаний с аналогового входа можно использовать 2 варианта:

• Функция analogReference()​

Задает опорное напряжение относительно которого происходят аналоговые измерения.

analogReference(type);

Возможные настройки (type):

DEFAULT: установлено по умолчанию. при данной конфигурации опорное напряжение автоматически принимается за напряжение питания платы Arduino. 5В (на платформах с напряжением питания 5 В) или за 3.3 В (на платформах с напряжением питания 3.3В)

На платформах Arduino «из коробки» вывод AREF не задействован. В этом случае при настройке DEFAULT к выводу подключается внутреннее напряжение AVCC. Соединение является низко-импедансным и любое напряжение подведенное к выводу в этот момент может повредить микросхему ATmega.

INTERNAL: встроенное опорное напряжение 1.1В на микроконтроллерах ATmega168 и ATmega328, и 2.56В на ATmega8.

Это может пригодиться для более точного измерения напряжения лежащего в пределах ниже 1.1В либо 2.56В. Болле точная работа достигается за счет меньшего шага 5/1024 против 1.1/1024. Значения соответствующее или превышающее 1.1В (2.56В) будут конвертироваться АЦП в 1023.

EXTERNAL: внешний источник опорного напряжения, подключенный к выводу AREF.

После того как мы задали функцию, происходит отключение обоих внутренних источников. Теперь можно подключить внешнее напряжение, которое и будет являться опорным для АЦП. Внешнее напряжение рекомендуется подключать к выводу AREF через резистор 5 кОм.

• Ручная установка опорного напряжения

Актуальна для измерения крайне малого напряжения

Искажения при работе с аналоговыми входами появляются по причине того, что по дефолту за опорное напряжение принимается 5В, в то время как стабилизаторы напряжения на плате Arduino могут немного отклоняться от эталонного значения и выдавать к примеру 4.85В. 4.85 / 1024 = 0.0047 (при эталонном шаге в 0.0049)

В случае, если под рукой имеется точный мультиметр, то можно попросту замерить питающее напряжение и вбить его в расчет, который рассматривался выше.

float Step = 4.85F / 1024; // Вычисляем шаг Uопорн / на градацию

Фоторезистор ардуино и датчик освещенности

Фоторезистор, как следует из названия, имеет прямое отношение к резисторам, которые часто встречаются практически в любых электронных схемах. Основной характеристикой обычного резистора является величина его сопротивления. От него зависят напряжение и ток, с помощью резистора мы выставляем нужные режимы работы других компонентов. Как правило, значение сопротивления у резистора в одних и тех же условиях эксплуатации практически не меняется.В отличие от обычного резистора, фоторезистор может менять свое сопротивление в зависимости от уровня окружающего освещения. Это означает, что в электронной схеме будут постоянно меняться параметры, в первую очередь нас интересует напряжение, падающее на фоторезисторе. Фиксируя эти изменения напряжения на аналоговых пинах ардуино, мы можем менять логику работы схемы, создавая тем самым адаптирующиеся под вешние условия устройства.Фоторезисторы достаточно активно применяются в самых разнообразных системах. Самый распространенный вариант применения — фонари уличного освещения. Если на город опускается ночь или стало пасмурно, то огни включаются автоматически. Можно сделать из фоторезистора экономную лампочку для дома, включающуюся не по расписанию, а в зависимости от освещения. На базе датчика освещенности можно сделать даже охранную систему, которая будет срабатывать сразу после того, как закрытый шкаф или сейф открыли и осветили. Как всегда, сфера применения любых датчиков ардуино ограничена лишь нашей фантазией.

Какие фоторезисторы можно купить в интернет-магазинах

Самый популярный и доступный вариант датчика на рынке – это модели массового выпуска китайских компаний, клоны изделий производителя VT. Там не всегда можно разораться, кто и что именно производит тот или иной поставщик, но для начала работы с фоторезисторами вполне подойдет самый простой вариант.

Начинающему ардуинщику можно посоветовать купить готовый фотомодуль, который выглядит вот так:

На этом модуле уже есть все необходимые элементы для простого подключения фоторезистора к плате ардуино. В некоторых модулях реализована схема с компаратором и доступен цифровой выход и подстроечный резистор для управления.

Российскому радиолюбителю можно посоветовать обратить на российский датчик ФР. Встречающиеся в продаже ФР1-3, ФР1-4 и т.п. — выпускались ещё в союзовские времена. Но, несмотря на это, ФР1-3 – более точная деталь. Из этого следует и разница в цене За ФР просят не более 400 рублей. ФР1-3 будет стоить больше тысячи рублей за штуку.

Маркировка фоторезистора

Современная маркировка моделей, выпускаемых в России, довольно простая. Первые две буквы — ФотоРезистор, цифры после чёрточки обозначают номер разработки. ФР -765 — фоторезистор, разработка 765. Обычно маркируется прямо на корпусе детали

У датчика VT в схеме маркировке указаны диапазон сопротивлений. Например:

• VT83N1 — 12-100кОм (12K – освещенный, 100K – в темноте)
• VT93N2 — 48-500кОм (48K – освещенный, 100K – в темноте).

Иногда для уточнения информации о моделях продавец предоставляет специальный документ от производителя. Кроме параметров работы там же указывается точность детали. У всех моделей диапазон чувствительности расположен в видимой части спектра. Собирая датчик света нужно понимать, что точность срабатывания — понятие условное. Даже у моделей одного производителя, одной партии, одной закупки отличаться она может на 50% и более.

На заводе детали настраиваются на длину волны от красного до зелёного света. Большинство при этом «видит» и инфракрасное излучение. Особо точные детали могут улавливать даже ультрафиолет.

Достоинства и недостатки датчика

Основным недостатком фоторезисторов является чувствительность к спектру. В зависимости от типа падающего света сопротивление может меняется на несколько порядков. К минусам также относится низкая скорость реакции на изменение освещённости. Если свет мигает — датчик не успевает отреагировать. Если же частота изменения довольно велика — резистор вообще перестанет «видеть», что освещённость меняется.

К плюсам можно отнести простоту и доступность. Прямое изменение сопротивления в зависимости от попадающего на неё света позволяет упростить электрическую схему подключения. Сам фоторезистор очень дешев, входит в состав многочисленных наборов и конструкторов ардуино, поэтому доступен практически любому начинающему ардуинщику.

Подключение фоторезистора к ардуино

В проектах arduino фоторезистор используется как датчик освещения. Получая от него информацию, плата может включать или выключать реле, запускать двигатели, отсылать сообщения. Естественно, при этом мы должны правильно подключить датчик.

Схема подключения датчика освещенности к ардуино довольна проста. Если мы используем фоторезистор, то в схеме подключения датчик реализован как делитель напряжения. Одно плечо меняется от уровня освещённости, второе – подаёт напряжение на аналоговый вход. В микросхеме контроллера это напряжение преобразуется в цифровые данные через АЦП. Т.к. сопротивление датчика при попадании на него света уменьшается, то и значение падающего на нем напряжения будет уменьшаться.

В зависимости от того, в каком плече делителя мы поставили фоторезистор, на аналоговый вход будет подаваться или повышенное или уменьшенное напряжение. В том случае, если одна нога фоторезистора подключена к земле, то максимальное значение напряжения будет соответствовать темноте (сопротивление фоторезистора максимальное, почти все напряжение падает на нем), а минимальное – хорошему освещению (сопротивление близко к нулю, напряжение минимальное). Если мы подключим плечо фоторезистора к питанию, то поведение будет противоположным.

Сам монтаж платы не должен вызывать трудностей. Так как фоторезистор не имеет полярности, подключить можно любой стороной, к плате его можно припаять, подсоединить проводами с помощью монтажной платы или использовать обычные клипсы (крокодилы) для соединения. Источником питания в схеме является сам ардуино. Фоторезистор подсоединяется одной ногой к земле, другая подключается к АЦП платы (в нашем примере – АО). К этой же ноге подключаем резистор 10 кОм. Естественно, подключать фоторезистор можно не только на аналоговый пин A0, но и на любой другой.

Несколько слов относительно дополнительного резистора на 10 К. У него в нашей схеме две функции: ограничивать ток в цепи и формировать нужное напряжение в схеме с делителем. Ограничение тока нужно в ситуации, когда полностью освещенный фоторезистор резко уменьшает свое сопротивление. А формирование напряжения – для предсказуемых значений на аналоговом порту. На самом деле для нормальной работы с нашими фоторезисторами хватит и сопротивления 1К.

Меняя значение резистора мы можем “сдвигать” уровень чувствительности в “темную” и “светлую” сторону. Так, 10 К даст быстрое переключение наступления света. В случае 1К датчик света будет более точно определять высокий уровень освещенности.

Если вы используете готовый модуль датчика света, то подключение будет еще более простым. Соединяем выход модуля VCC с разъемом 5В на плате, GND – c землей. Оставшиеся выводы соединяем с разъемами ардуино.

Если на плате представлен цифровой выход, то отправляем его на цифровые пины. Если аналоговый – то на аналоговые. В первом случае мы получим сигнал срабатывания – превышения уровня освещенности (порог срабатывания может быть настроен с помощью резистора подстройки). С аналоговых же пинов мы сможем получать величину напряжения, пропорциональную реальному уровню освещенности.

Пример скетча датчика освещенности на фоторезисторе

Мы подключили схему с фоторезистором к ардуино, убедились, что все сделали правильно. Теперь осталось запрограммировать контроллер.

Написать скетч для датчика освещенности довольно просто. Нам нужно только снять текущее значение напряжения с того аналогового пина, к которому подключен датчик. Делается это с помощью известной нам всем функции analogRead(). Затем мы можем выполнять какие-то действия, в зависимости от уровня освещенности.

Давайте напишем скетч для датчика освещенности, включающего или выключающего светодиод, подключенный по следующей схеме.

Алгоритм работы таков:

• Определяем уровень сигнала с аналогового пина.
• Сравниваем уровень с пороговым значением. Максимально значение будет соответствовать темноте, минимальное – максимальной освещенности. Пороговое значение выберем равное 300.
• Если уровень меньше порогового – темно, нужно включать светодиод.
• Иначе – выключаем светодиод.

#define PIN_LED 13 #define PIN_PHOTO_SENSOR A0 void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(PIN_LED, OUTPUT); } void loop() { int val = analogRead(PIN_PHOTO_SENSOR); Serial.println(val); if (val < 300) { digitalWrite(PIN_LED, LOW); } else { digitalWrite(PIN_LED, HIGH); } }

Прикрывая фоторезистор (руками или светонепроницаемым предметом), можем наблюдать включение и выключение светодиода. Изменяя в коде пороговый параметр, можем заставлять включать/выключать лампочку при разном уровне освещения.

При монтаже постарайтесь расположить фоторезистор и светодиод максимально далеко друг от друга, чтобы на датчик освещенности попадало меньше света от яркого светодиода.

Датчик освещенности и плавное изменение яркости подсветки

Можно модифицировать проект так, чтобы в зависимости от уровня освещенности менялась яркость светодиода. В алгоритм мы добавим следующие изменения:

• Яркость лампочки будем менять через ШИМ, посылая с помощью analogWrite() на пин со светодиодом значения от 0 до 255.
• Для преобразования цифрового значения уровня освещения от датчика освещенности (от 0 до 1023) в диапазон ШИМ яркости светодиода (от 0 до 255) будем использовать функцию map().

Пример скетча:

#define PIN_LED 10 #define PIN_PHOTO_SENSOR A0 void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(PIN_LED, OUTPUT); } void loop() { int val = analogRead(PIN_PHOTO_SENSOR); Serial.println(val); int ledPower = map(val, 0, 1023, 0, 255); // Преобразуем полученное значение в уровень PWM-сигнала. Чем меньше значение освещенности, тем меньше мощности мы должны подавать на светодиод через ШИМ. analogWrite(PIN_LED, ledPower); // Меняем яркость }

В случае другого способа подключения, при котором сигнал с аналогового порта пропорционален степени освещенности, надо будет дополнительно «обратить» значение, вычитая его из максимального:

int val = 1023 – analogRead(PIN_PHOTO_RESISTOR);

Схема датчика освещения на фоторезисторе и реле

Примеры скетча для работы с реле приведены в статье, посвященной программированию реле в ардуино. В данном случае, нам не нужно делать сложных телодвижений: после определения «темноты» мы просто включаем реле, подавай на его пин соответствующее значение.

#define PIN_RELAY 10 #define PIN_PHOTO_SENSOR A0 void setup() { pinMode(PIN_RELAY, OUTPUT); digitalWrite(PIN_RELAY, HIGH); } void loop() { int val = analogRead(PIN_PHOTO_SENSOR); if (val < 300) { // Светло, выключаем реле digitalWrite(PIN_RELAY, HIGH); } else { // Темновато, включаем лампочку digitalWrite(PIN_RELAY, LOW); } }

Проекты с применением датчика освещенности на базе фоторезистора достаточно просты и эффектны. Вы можете реализовать множество интересных проектов, при этом стоимость оборудования будет не высока. Подключение фоторезистора осуществляется по схеме делителя напряжения с дополнительным сопротивлением. Датчик подключается к аналоговому порту для измерения различных значений уровня освещенности или к цифровому, если нам важен лишь факт наступления темноты. В скетче мы просто считываем данные с аналогового (или цифрового) порта и принимаем решение, как реагировать на изменения. Будем надеяться, что теперь в ваших проектах появятся и такие вот простейшие «глаза».

Arduino. Подключение простейших датчиков (часть 4)

Р/л технология

Главная Радиолюбителю Р/л технология

Рассмотренный в предыдущей части обзора встроенный АЦП микроконтроллера позволяет легко подключать к плате Arduino различные аналоговые датчики, которые преобразуют измеряемые физические параметры в электрическое напряжение.

Примером простейшего аналогового датчика может служить переменный резистор, подключённый к плате, как показано на рис. 1. Он может быть любого типа, например СП3-33-32 (рис. 2). Номинал резистора на схеме указан ориентировочно и может быть как меньше, так и больше. Однако следует помнить, что чем меньше сопротивление переменного резистора, тем больший ток он потребляет от источника питания микроконтроллера. А при сопротивлении источника сигнала (в данном случае переменного резистора) более 10 кОм АЦП микроконтроллера работает с большими ошибками. Учтите, что сопротивление переменного резистора как источника сигнала зависит от положения его движка. Оно равно нулю в его крайних положениях и максимально (равно четверти номинального сопротивления) в среднем положении.

Рис. 1. Схема подключения переменного резистора к плате

Рис. 2. СП3-33-32

Удобно использовать переменный резистор, когда требуется изменять параметр плавно, а не ступенями (дискретно). В качестве примера рассмотрим работу приведённой в табл. 1 программы, которая изменяет яркость свечения светодиода в зависимости от положения движка переменного резистора. Строка U = U/4 необходима в программе для того, чтобы преобразовать возвращаемое АЦП десятиразрядное двоичное число в восьмиразрядное, принимаемое в качестве второго операнда функцией analogWrite(). В рассматриваемом случае это делается делением исходного числа на четыре, что эквивалентно отбрасыванию двух младших двоичных разрядов.

Таблица 1.

Переменный резистор соответствующей конструкции может служить датчиком угла поворота или линейного перемещения. Аналогично ему можно подключать многие радиоэлементы: фоторезисторы, терморезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Одним словом, приборы, электрическое сопротивление которых зависит от тех или иных факторов окружающей среды.

На рис. 3 изображена схема подключения к Arduino фоторезистора. При изменении освещённости меняется его электрическое сопротивление и соответственно напряжение на аналоговом входе платы Arduino. Указанный на схеме фоторезистор ФСК-1 можно заменить любым другим, например СФ2-1.

Рис. 3. Схема подключения к Arduino фоторезистора

В табл. 2 приведена программа, превращающая плату Arduino с подключённым к ней фоторезистором в простейший измеритель освещённости. Работая, она периодически измеряет падение напряжения на резисторе, включённом последовательно с фоторезистором, и передаёт результат в условных единицах через последовательный порт на компьютер. На экране отладочного терминала Arduino они будут отображены, как показано на рис. 4. Как видим, в определённый момент измеренное напряжение резко уменьшилось. Это произошло, когда ярко освещённый фотодиод был затенён непрозрачным экраном.

Таблица 2.

Рис. 4. Изображение на экране отладочного терминала Arduino

Чтобы получать значения освещённости в люксах (стандартных единицах системы СИ), нужно умножать полученные результаты на поправочный коэффициент, но подобрать его придётся экспериментально, причём индивидуально для каждого фоторезистора. Для этого потребуется образцовый люксметр.

Фототранзистор или фотодиод (рис. 5) подключают к Arduino подобным образом. Используя несколько светочувствительных приборов, можно сконструировать простейшую систему зрения для робота . Можно и на новом техническом уровне реализовать многие известные широкому кругу радиолюбителей классические конструкции — кибернетическую модель ночной бабочки или модель танка, который движется на свет .

Рис. 5. Схема подключения фотодиода к Arduino

Аналогично фоторезистору подключают к Arduino терморезистор (рис. 6), который меняет своё электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Вместо указанного на схеме терморезистора ММТ-4, основное достоинство которого — герметичный корпус, можно использовать практически любой другой, например, ММТ-1 или импортный.

Рис. 6. Схема подключения терморезистора к Arduino

После соответствующей калибровки подобный прибор можно применять для измерения температуры во всевозможных домашних метеостанциях, термостатах и тому подобных конструкциях .

Известно, что почти все светодиоды могут служить не только источниками света, но и его приёмниками — фотодиодами. Дело в том, что кристалл светодиода находится в прозрачном корпусе и поэтому его p-n переход доступен для света от внешних источников. К тому же корпус светодиода, как правило, имеет форму линзы, которая фокусирует внешнее излучение на этом переходе. Под его влиянием изменяется, например, обратное сопротивление p-n перехода.

Подключив светодиод к плате Arduino по схеме, изображённой на рис. 7, можно использовать один и тот же светодиод и по прямому назначению, и как фотодатчик . Программа, иллюстрирующая такой режим, приведена в табл. 3. Её идея состоит в том, что сначала на p-n переход светодиода подают обратное напряжение, заряжая его ёмкость. Затем катод светодиода изолируют, конфигурируя как вход вывод Arduino, к которому он подключён. После этого программа измеряет зависящую от внешней освещённости продолжительность разрядки ёмкости p-n перехода светодиода его собственным обратным током до уровня логического нуля.

Рис. 7. Схема подключения светодиода к плате Arduino

Таблица 3

В приведённой программе переменная t описана как unsigned int — целое число без знака. Переменная такого типа, в отличие от обычной int, принимающей значения от -32768 до +32767, не использует свой старший двоичный разряд для хранения знака и может принимать значения от 0 до 65535.

Подсчёт времени разрядки программа выполняет в цикле while(digitalRead (K)!=0)t++. Этот цикл выполняется, всякий раз увеличивая значение t на единицу, пока истинно заключённое в скобки условие, т. е. пока напряжение на катоде светодиода не опустилось до низкого логического уровня.

Иногда требуется, чтобы робот не просто получал информацию об освещённости поверхности, по которой движется, но и мог определить её цвет. Реализуют датчик цвета подстилающей поверхности, освещая её поочерёдно светодиодами разного цвета свечения и сравнивая с помощью фотодиода уровни отражённых от неё при разном освещении сигналов . Схема соединения элементов датчика цвета с платой Arduino показана на рис. 8, а обслуживающая его программа — в табл. 4.

Рис. 8. Схема соединения элементов датчика цвета с платой Arduino

Таблица 4

Процедура измерения принимаемых фотодиодом при разном освещении поверхности сигналов повторяется многократно, а получаемые результаты накапливаются, чтобы исключить случайные ошибки. Затем программа выбирает наибольшее из накопленных значений. Это позволяет грубо судить о цвете поверхности. Для более точного определения цвета необходимо усложнить обработку результатов, учитывая не только наибольший из них, но и его соотношение с меньшими. Необходим также учёт реальной яркости светодиодов разного цвета свечения, а также спектральной характеристики применённого фотодиода.

Пример конструкции датчика цвета из четырёх светодиодов и фотодиода показан на рис. 9. Оптические оси светодиодов и фотодиода должны сходиться в одной точке на исследуемой поверхности, а сами приборы расположены максимально близко к ней, чтобы свести к минимуму влияние посторонней засветки.

Рис. 9. Пример конструкции датчика цвета из четырёх светодиодов и фотодиода

Собранный датчик требует тщательной индивидуальной калибровки на поверхностях разного цвета. Она сводится к подборке коэффициентов, на которые следует умножать перед сравнением результаты измерения, полученные при разном освещении. Оснащённый таким датчиком робот можно научить выполнять интересные алгоритмы движения. Например, он сможет передвигаться по рабочему полю одного цвета, не нарушая границ «запретных» зон, выкрашенных в другой цвет.

Рассмотренные в статье программы можно найти .

Литература

1. Холостов К. Огород на подоконнике. — Левша, 2014, № 11, с. 12-14.

2. Холостов К. Не удивляйтесь: робот — это просто. — Левша, 2012, № 11, с. 12-14.

3. Отряшенков Ю. М. Юный кибернетик. — М.: Детская литература, 1978.

4. Борисов В. Г. Юный радиолюбитель. — М.: Радио и связь, 1992.

5. Ревич Ю. Занимательная электроника. — СПБ.: БХВ-Петербург, 2007.

6. Холостов К. Регулируем температуру. — Левша, 2013, № 8, с. 12-14; № 9, с. 12-14.

7. Практическое программирование Arduino/CraftDuino — Сенсор на светодиоде. — URL: http://robocraft.ru/blog/arduino/70. html (22.06.16).

8. Самодельный датчик цвета. — URL: http://robocraft.ru/blog/sensor/395.html (22.06.16).

Д. Лекомцев, г. Орёл

Дата публикации: 05.11.2016

Рекомендуем к данному материалу …

• Операции цифрового ввода—вывода. Знакомство с Arduino. (часть 2) | Р/л технология
• Операции аналогового ввода—вывода, работа со звуком. Знакомство с Arduino. (часть 3) | Р/л технология

Мнения читателей

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАТЧИКА ХОЛЛА С ARDUINO

В этой статье мы рассмотрим, как использовать модуль датчик холла совместно с Arduino. Датчик холла — это датчик, который меняет свой выходной потенциал (напряжение) в зависимости от присутствии или отсутствии магнитного поля. Это означает, что выходной сигнал датчика Холла является функцией плотности магнитного поля вокруг него. Когда плотность магнитного потока вокруг него превышает некоторое заранее выставленное пороговое значение, датчик обнаруживает его и меняет напряжение тока выхода для того чтобы показать присутствие магнитного поля.

Датчики эти в последнее время стали очень популярны и нашли много различных применений. Одним из мест популярных использований датчиков холла — в автомобильных схемах, где они используются для определения положения, измерения расстояния и скорости. Они также установлены в смартфоны и компьютеры, в разных переключателях где присутсвие магнитного поля использовано для того чтобы включить или выключить цепь питания.

По виду они обычно выглядят как плата с 3 контактами: один контакт сигнал и другие 2 для питания датчика. Это существенно упрощает подключение модуля к любому микроконтроллеру или исполнительной схеме.

В сегодняшнем материале Elwo.ru покажет, как работает датчик холла, подключив его вместе со светодиодом к Arduino блоку. Arduino будет запрограммирован таким образом, что, когда магнит приближается к датчику холла — светодиод включается, а когда магнит удаляется — он гаснет.

3Скетч для определения скорости вращения диска

Для того чтобы определить скорость вращения, будем использовать сигнал с цифрового канала сенсора. Такая схема пригодится, например, для создания спидометра для велосипеда.

Для демонстрации соберём вот такую установку: разместим неподвижно датчик Холла (зажмём тисками), а на поверхности вращающегося диска закрепим постоянный магнит. В качестве вращающейся платформы у меня будет старый жёсткий диск, на котором скотчем (простите за неэстетичность) будет зафиксирован магнит.

Установка для определения скорости вращения на основании показаний датчика Холла

Вспомним формулу угловой скорости: ω = φ / tгде ω – угловая скорость, φ – угол поворота, t – время, за которое диск повернулся на этот угол. В нашем случае угол (1 оборот) будет равен 360° или 2π радиан. Всё, что нам остаётся – это подсчитать время, за которое происходит один оборот диска.

В скетче мы будем отлавливать переход сигнала с датчика от HIGH к LOW и вычислять разницу между двумя последовательными переходами.

Временная диаграмма цифрового сигнала с датчика Холла для вращающегося диска

Для определения промежутка времени используем встроенную функцию millis(), которая возвращает количество миллисекунд, прошедших с момента включения платы Arduino.

int digitalPin = 12; // с цифрового выхода датчика Холла unsigned long runTime; // время с запуска платы Arduino, мс int prevValue = 0; // предыдущее считанное значение void setup() { pinMode(digitalPin, INPUT); Serial.begin(9600); runTime = millis(); // запоминаем время запуска программы } void loop() { int digitalValue = digitalRead(digitalPin); // значение с цифрового канала delay(50); // небольшая задержка чтобы исключить дребезг контактов if ((prevValue == HIGH) && (digitalValue == LOW)) { // ловим переход HIGH->LOW сигнала unsigned long timeSpan = millis() — runTime; // время одного оборота, мс runTime = millis(); // запомним текущее время Serial.println(«Период оборота = » + (String)timeSpan + » мс»); double omega = 2 * PI / (timeSpan * 1.0E-3); Serial.println(«Угловая скорость = » + (String)omega + » рад/с»); } prevValue = digitalValue; // запомним предыдущее значение датчика Холла }

Загрузим скетч, и начнём вращать наш диск с магнитом. Период оборота и угловая скорость выводятся в окно консоли:

Скорость и период вращения диска выводятся в монитор последовательного порта

Кстати, если на небольшом расстоянии друг за другом на диске разместить два магнита, то можно будет определить не только скорость вращения, но и направление. Естественно, скетч придётся немного усложнить.

Возвращаясь к идее спидометра для велосипеда, нужно вспомнить ещё одну формулу – связь угловой и линейной скоростей: v = ω r

Здесь v – линейная скорость, ω – угловая скорость, r – радиус колеса велосипеда. Теперь несложно дописать наш последний скетч с учётом этой формулы.

4Значения с аналогового каналадатчика Холла 49E

Теперь разберёмся, что же показывают аналоговые значения с датчика Холла.

Датчик выдаёт напряжение, которое изменяется в зависимости от величины магнитного поля. Вектор индукции магнитного поля измеряется в Гауссах (Гс, GS по-английски). Согласно техническому описанию на детектор Холла, пределы измерения датчика Холла 49E ±1500 Гс с линейным участком от −1200 до &plus;1200 Гс., а чувствительность датчика примерно 2,9 мВ/Гс. Рассмотрим график зависимости напряжения на датчике Холла от величины магнитного поля:

График зависимости напряжения на датчике Холла от величины магнитного поля

Помните наш первый скетч? Показания, снятые с датчика, изменялись в районе 508..525 отчётов (левая шкала ординат на графике). Если перевести их в вольты, то это как раз около нуля шкалы отсчёта датчика, или 2,5 В (правая шкала). Если мы поднесём магнит одним полюсом к датчику Холла, показания будут меняться от нуля в одну сторону, если поднесём другим полюсом – в другую.

Таким образом, по показаниям аналогового канала датчика Холла можно судить о величине магнитного поля и о направлении магнитных силовых линий.

Скачать техническое описание (datasheet) на датчик Холла 49E

Digitrode

Аналоговый датчик температуры TMP36 компании Analog Devices позволит вам легко получать достаточно точные показания температуры в диапазоне от -40 до +150°C. К тому же его очень просто подключить к Arduino.

Этот датчик температуры является твердотельным, то есть для измерения температуры в нем не используется ртуть как в термометрах или термисторы (резисторы, чувствительные к температуре).

Вместо этого в нем используется тот факт, что при возрастании температуры напряжение на диоде возрастает в известной пропорции. Технически, на самом деле это падение напряжения между базой и эмиттером (Vbe) транзистора. После усиления такого изменения напряжения легко получить аналоговый сигнал, который будет прямо пропорционален температуре.

Поскольку эти датчики не имеют движущихся частей, они точны, никогда не изнашиваются, не нуждаются в калибровке и могут работать в жестких условиях окружающей среды. Кроме того, они очень дешевые и очень просты в использовании.

Выходной диапазон напряжения TMP36 составляет от 0.1В (-40°C) до 2.0В (150°C), но после 125°C точность измерения уменьшается. Подаваемое напряжение от 2.7В до 5.5В, потребление тока всего 0.05 мА.

Как измерять температуру

Использовать TMP36 для измерения температуры достаточно просто, нужно соединить его левый контакт с напряжением 2.7-5.5В, а правый с землей. Тогда на среднем выводе будет присутствовать напряжение, линейно пропорциональное температуре.

Чтобы перевести напряжение в температуру просто воспользуйтесь следующей формулой (Vout измеряется в милливольтах):

Температура в °C = / 10

Например, выходное напряжение составляет 1 В, это значит, что температура равна ((1000 мВ — 500) / 10) = 50 °C.

Если вы используете датчики температуры типа LM35 и ему подобные, то ориентируйтесь на линию ‘a’ графика, показанного выше. Формула тогда будет следующая:

Температура в °C = Vout / 10

Проблема при использовании нескольких датчиков

Если вы используете несколько датчиков температуры, то можете заметить, что показания температуры непостоянны. Это значит, что датчики влияют друг на друга, когда цепь считывания аналогового сигнала переключается с одного вывода на другой. Вы можете исправить это, организовав задержку между двумя считываниями.

Подключаем датчик температуры к Arduino

Подключение датчика довольно простое и показано на рисунке ниже.

В данном случае мы подключили датчик к напряжению 5 В, но также можно его подключать к 3.3 В. Не важно к какой линии питания вы его подключите, его выходное напряжение все равно не превысит 2 В. С учетом того, что АЦП в Arduino 10-и разрядный, то будет справедлива следующая формула:

Напряжение на выводе в мВ = (показания АЦП) * (5000/1024)

Эта формула преобразует число от 0 до 1023 с АЦП в 0-5000мВ (= 5В). При использовании питания 3.3 В формула будет следующая:

Напряжение на выводе в мВ = (показания АЦП) * (3300/1024)

Далее, чтобы перевести милливольты в температуру, нужно воспользоваться формулой:

Температура в цельсиях = / 10

Простой термометр на Arduino

Нижеприведенный пример кода показывает, насколько просто можно сделать термометр на Arduino. В данном случае в последовательный порт выводятся показания температуры в цельсиях и фаренгейтах.

int sensorPin = 0; //аналоговый ввод для выхода датчика TMP36 //разрешение 10 мВ / градус цельсия со смещением на 500 мВ //для отрицательной температуры void setup() { Serial.begin(9600); } void loop() { //считываем напряжение датчика int reading = analogRead(sensorPin); // преобразуем показания в напряжение, для 3.3v используйте значение 3.3 float voltage = reading * 5.0; voltage /= 1024.0; // выводим напряжение Serial.print(voltage); Serial.println(» volts»); // теперь выводим температуру float temperatureC = (voltage — 0.5) * 100 ; //исходя из 10 мВ на градус со смещением 500 мВ Serial.print(temperatureC); Serial.println(» degrees C»); // в фаренгейтах float temperatureF = (temperatureC * 9.0 / 5.0) + 32.0; Serial.print(temperatureF); Serial.println(» degrees F»); delay(1000); //ждем секунду }

Повышаем точность измерения температуры

Для получения более точного результата с меньшим уровнем шумов можно задействовать опорное напряжение 3.3V с ARef. На рисунке ниже показана схема соединения. Следует отметить, что TMP36 в этом случае подключен к аналоговому вводу A1. Также не следует забывать, что при использовании вывода 3.3v в качестве опорного в коде нужно прописывать analogReference(EXTERNAL).

#define aref_voltage 3.3 // подтягиваем 3.3V к ARef int tempPin = 1; // подсоединяем датчик теперь к аналоговому вводу 1 int tempReading; void setup(void) { Serial.begin(9600); analogReference(EXTERNAL); } void loop(void) { tempReading = analogRead(tempPin); Serial.print(«Temp reading = «); Serial.print(tempReading); // сырые данные // преобразуем эти данные в напряжение относительно опорного напряжения float voltage = tempReading * aref_voltage; voltage /= 1024.0; // выводим напряжение Serial.print(» — «); Serial.print(voltage); Serial.println(» volts»); // выводим температуру float temperatureC = (voltage — 0.5) * 100 ; Serial.print(temperatureC); Serial.println(» degrees C»); // в фаренгейтах float temperatureF = (temperatureC * 9.0 / 5.0) + 32.0; Serial.print(temperatureF); Serial.println(» degrees F»); delay(1000); }