1.3 analog input

本章包含兩節：

analogRead()，即用Arduino讀取analog訊號，同時亦會介紹Serial library。
analog calibration，即初始化，用程式去初始化讀取的靈敏度。

1.3 analog inputanalogRead()效果電路圖程式碼說明analog calibration效果電路圖程式碼說明動動腦

analogRead()

效果

用Arduino讀取光敏電阻的電壓值，再在電腦列出來。上傳完畢請按下Ardunio IDE介面右上角像放大鏡的Serial監視器。

電路圖

程式碼


x
1
void setup(){
2
    Serial.begin(115200);
3
    pinMode(A0, INPUT);
4
}
5

6
void loop(){
7
    int voltage = analogRead(A0);
8
    //Or you can type pin 14 for A0, pin 15 for A1, etc.
9
    Serial.print("The voltage is:");
10
    Serial.println(voltage);
11
    delay(100);
12
}

說明

int voltage = analogRead(A0); : 用Arduino的A0腳位，讀取analog數值，儲存在變數voltage中。

Arduino微控制器是digital的，在微控制器的世界裡只有0(LOW)和1(HIGH)，不是0就是1，但現實世界的資訊都是analog的，例如聲音，光度，距離，溫度等等，要和現實世界互動，就需要把analog的訊號變成digital，這元件稱之為ADC(analog-digital-converter)。

Arduino內建了6隻腳位(A0 - A5)(或用pin 14- pin 19表示)，能讀取analog訊號。解柝度為10-bits，即可將5V分成1024級, 讀到0V，出來的數值是0；讀到5V, 就應該是1024。但由於最大只有1023，所以數值是1023。而讀到3.75V，就是：

\begin{matrix} (1) & \frac{3.75 V}{5 V} \times 1024 = 768 \end{matrix}

相反，如果是讀到512，那實際的電壓是：

\begin{matrix} (2) & \frac{512}{1024} \times 5 V = 2.5 V \end{matrix}

上圖中，橫軸的取樣時間稱為sample time，而取樣的密度就是sample rate，sample rate即每秒取樣多少次，數字越大即取樣越密，還原當然越好，但資訊量會大很多。而直軸的密度就叫resolution，解柝度，以bit為單位，上圖是4-bits，所以有0-15共16個級數(圖中只顯示0-9，但實際應該是0-15的)。

Arduino的內置ADC，resolution有10-bits, 即有1024個等級，而sample rate就視乎你寫的程式有否delay和程式的長度，但最好每次loop()預留10ms給Arduino作為資料傳輸。

Serial.begin(115200); : Serial是串行通訊的library，Arduino IDE本身已內置的library之一。Arduino通過USB線，與電腦通訊，通訊的單位是byte，與電腦通訊其間會佔用了pin 0 和pin 1，當然，上傳程式至Arduino時都會佔用到，所以，如無特別，留空Arduino的pin 0和pin 1以免程式不能上傳和影響通訊。

115200是通訊速度，即115200bps，常用的Serial傳輸速度，Serial需要透過雙方事先協定一樣的速度。如果開了Serial監視器，出了很多奇怪的文字，那確認一下Serial監視器右下角的通訊速度是否115200bps。


xxxxxxxxxx
2
1
Serial.print("The voltage is:");
2
Serial.println(voltage);

print跟println最大的分別是：print沒有隔行，而println在列印出時會順便按下enter，變成在下一行再列出新的數值。

analog calibration

效果

按下serial監視器後，首五秒鐘請盡量讓光敏電阻感受環境下的最光與最暗，讓Arduino記錄。五秒之後就會得出經調整的光度百分比。

電路圖

程式碼


xxxxxxxxxx
33
1
int sensorPin = A0; 
2

3
int sensorValue = 0;
4
int sensorMin = 1023; 
5
int sensorMax = 0;
6

7
void setup() {
8
    Serial.begin(115200);
9
    // turn on LED to signal the start of the calibration period:
10
    pinMode(13, OUTPUT);
11
    digitalWrite(13, HIGH);
12

13
    // calibrate during the first five seconds 
14
    while (millis() < 5000) {
15
        sensorValue = analogRead(sensorPin);
16
        if (sensorValue > sensorMax) {
17
            sensorMax = sensorValue;
18
        }
19
        if (sensorValue < sensorMin) {
20
            sensorMin = sensorValue;
21
        }
22
    }
23
    // signal the end of the calibration period
24
    digitalWrite(13, LOW);
25
}
26

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void loop() {
28
    sensorValue = analogRead(sensorPin);
29
    sensorValue = map(sensorValue, sensorMin, sensorMax, 0, 100);
30
    sensorValue = constrain(sensorValue, 0, 100);
31
    Serial.print(sensorValue);
32
    Serial.println("%");
33
}

說明


xxxxxxxxxx
3
1
int sensorValue = 0;
2
int sensorMin = 1023; 
3
int sensorMax = 0;

宣告三個變數：sensorValue用來紀錄A0腳讀到的數值；sensorMin用來紀錄最少值；sensorMax用來紀錄最大值。一開始時刻意將min設做1023，max設做0。(今次需要用int需不用byte，因數值大於255。)


xxxxxxxxxx
9
1
while (millis() < 5000) {
2
    sensorValue = analogRead(sensorPin);
3
    if (sensorValue > sensorMax) {
4
        sensorMax = sensorValue;
5
    }
6
    if (sensorValue < sensorMin) {
7
        sensorMin = sensorValue;
8
    }
9
}

首五秒，讀取sensor所在的腳位，如果大於max，則更新max值，如果少於min，則更新min值。只要在首五秒讓光敏電阻感受環境中的最光和最暗值，就能把兩個min, max的差異擴大。

sensorValue = map(sensorValue, sensorMin, sensorMax, 0, 100); : map是用來將sensorValue 跟據比例縮放，由原本最大最少值是sensorMax和sensorMin，變成0至100。詳見這裡。

sensorValue = constrain(sensorValue, 0, 100); : costrain則是用來限制sensorValue的上下限，保存在0-100之內，即使多於100, 最大值還是100。詳見這裡。

動動腦

UNO的analogRead解柝度是？
UNO內建多少analog腳位？分別標籤為？
計算：2.25V輸入UNO的A0腳，val = analogRead(A0); 中val是多少？
在例程一中，在Serial監視器顯示533，實際輸入A0的電壓是？
陣列 $10k\Omega$ $100k\Omega$ 。