本篇介紹Arduino模擬輸入功能，通過讀取電位器輸入的電壓值來控制LED燈的亮度。另外補(bǔ)充通過純軟件編程的方式再做同樣的操作，旨在提高讀者對(duì)AnalogRead和AanlogWrite函數(shù)這兩個(gè)函數(shù)的理解，并了解使用電位器調(diào)光的原理。
實(shí)驗(yàn)要求
3.1 Arduino 模數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù) AnalogRead的用法
（在哪些引腳上可用，給出一個(gè)以可變電阻分壓為輸入，從串口輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)值的例程）
3.2 用電位器實(shí)現(xiàn)調(diào)光LED燈（使用AanlogWrite函數(shù)，即項(xiàng)目2中的2.2方式）
（Fritzing繪制的電路圖、工作原理的說明，包含完整注釋的源代碼）
3.3 用電位器實(shí)現(xiàn)調(diào)光LED燈（使用軟件編程的方法，即項(xiàng)目2中的2.1方式）
（工作原理的說明，包含完整注釋的源代碼，與2.1代碼的比較）
實(shí)驗(yàn)的基本原理
- 模擬輸入引腳是帶有ADC（Analog-to-Digital Converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器）功能的引腳。它可以將外部輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為芯片運(yùn)算時(shí)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)讀入模擬值的功能。
- Arduino 模擬輸入功能有10位精度，即可以將0～5V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～1023的整數(shù)形式表示。
- 我們通過使用analogRead() 函數(shù)讀取電位器輸入的電壓值，然后通過analogWrite()函數(shù)來控制LED燈亮度。
- 最后使用純軟件編程的方法（使用delay函數(shù)控制占空比和時(shí)間）實(shí)現(xiàn)電位器調(diào)光，突破了模擬輸入端口個(gè)數(shù)的限制，走向了更普遍化的引腳。
（一）模數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù) AnalogRead的用法與電位器的工作原理介紹
函數(shù)介紹
-
AnalogRead：模擬引腳（ IO口）讀取函數(shù)
1.說明：用于從Arduino的輸入引腳讀取數(shù)值。Arduino 模擬輸入功能有10位數(shù)模轉(zhuǎn)換通道，意味著可以將0～5V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～1023的整數(shù)形式表示。
注意：在模擬輸入引腳沒有任何連接的情況下，用analogRead指令讀取該引腳，這時(shí)獲得的返回值為不固定的數(shù)值。這個(gè)數(shù)值可能受多種因素的影響，如將手靠近引腳也可能會(huì)引起返回值的變化。
2.語法：AnalogRead（pin)
3.參數(shù)：1個(gè) 。例如AnalogRead（pin)，pin表示被讀取的模擬引腳號(hào)，也就是A0~A5引腳，因?yàn)槟茌斎肽M信號(hào)的只有這6個(gè)引腳，所以不用指定第二個(gè)參數(shù)。
4.返回值：0~1023之間的整數(shù)
元器件介紹——電位器
電位器是一個(gè)可調(diào)的電阻，具有三個(gè)引出端、阻值可按某種變化規(guī)律調(diào)節(jié)的電阻元件。電位器通常由電阻體和可移動(dòng)的電刷組成。當(dāng)電刷沿電阻體移動(dòng)時(shí)，在輸出端即獲得與位移量成一定關(guān)系的電阻值或電壓。
電位器既可作三端元件使用也可作二端元件使用。后者可視作一可變電阻器，由于它在電路中的作用是獲得與輸入電壓(外加電壓)成一定關(guān)系的輸出電壓，因此稱之為電位器。
其原理如下圖所示：
通過旋轉(zhuǎn)旋鈕改變2號(hào)腳位置，從而改變2號(hào)腳到兩端的阻值。實(shí)驗(yàn)中將1腳和3腳分別接到開發(fā)板的5V和GND，再通過模擬輸入引腳A0（A0~A5都可以）來讀取電位器2號(hào)腳分得的電壓，其范圍在0V和5V之間。
示例程序
在本示例中，我們將電位器的3個(gè)引腳分別接在5V、A0引腳和GND，通過調(diào)節(jié)電位器，A0模擬引腳的輸入電壓在0-5V之間，在Arduino內(nèi)置的模擬數(shù)字功能轉(zhuǎn)化下，將該輸入電壓映射到數(shù)值0~1023。這一數(shù)值將通過串口監(jiān)視器顯示。至于串口監(jiān)視器，你現(xiàn)在只需要知道它是Arduino板與其他設(shè)備相互通信的方式就可以了，如果你感興趣的話，http://www.itdecent.cn/p/a102ebeb1f1f里有詳細(xì)的關(guān)于串口監(jiān)視器的介紹。
下面是實(shí)物連接圖：
由于沒有直接可觀察的輸出，所以我們調(diào)節(jié)電位器并不能知道Arduino內(nèi)部的工作機(jī)制，所以下一步就是通過寫代碼，利用軟件的方式解決我們的疑惑，正所謂軟硬兼施嘛?。ùa可直接復(fù)制使用）
int pin=A0;//定義變量pin,為模擬輸入接口
int val=0;//暫存來自電位器的變量數(shù)值
void setup() {
//Arduino串口通訊初始化
Serial.begin(9600);//設(shè)置波特率為9600
}
void loop() {
//讀取引腳A0輸入信號(hào)
val = analogRead(pin);//讀取傳感器的模擬值并賦值給val，也就是將A0輸入的值轉(zhuǎn)化為0~1023之間的數(shù)值
Serial.println(val);//通過串口顯示變量val的值
}
下一步就是在我們的編譯環(huán)境中運(yùn)行代碼，首先確保你的硬件連接已經(jīng)準(zhǔn)確無誤的完成（如示例連接圖），然后點(diǎn)擊上傳。
上傳成功后，旋轉(zhuǎn)你的電位器，咦？怎么沒什么變化？因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在沒有接任何輸出設(shè)備，當(dāng)然是看不到外在的變化的。不過我們可以通過Arduino IDE的串口監(jiān)視器查看旋轉(zhuǎn)電位器之后究竟發(fā)生了什么。
好了，現(xiàn)在你可以打開你的串口監(jiān)視器了，也就是右上角的搜索放大鏡，打開后旋轉(zhuǎn)電位器你就會(huì)發(fā)現(xiàn)一串從小到大（或從大到?。┑臄?shù)字飛速從你的眼前流過，從0到1023。如下圖：
如果你能看到的話，那么恭喜你已經(jīng)成功完成串口輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換并掌握了analogRead函數(shù)的用法！
（二）使用AanlogWrite函數(shù)和電位器實(shí)現(xiàn)調(diào)光LED
我們已經(jīng)學(xué)會(huì)了用電位器調(diào)節(jié)輸出0~5V的電壓，下一步就是用LED燈將最終的結(jié)果顯示出來。
實(shí)驗(yàn)材料：
- Arduino Nano開發(fā)板
- 配套USB數(shù)據(jù)線
- 面包板及配套連接線
- 1個(gè)LED燈
- 1個(gè)470Ω限流電阻
- 1個(gè)電位器
搭建電路圖：
Arduino板5v和GND分別用跳線連接到面包板的上下兩排對(duì)應(yīng)的位置。直插LED燈正極連接限流電阻，電阻另一端連接開發(fā)板第10引腳，LED燈負(fù)極接開發(fā)板GND（也就是藍(lán)色排）。電位器1號(hào)腳和3號(hào)腳分別連接開發(fā)板5V（紅排）和GND（藍(lán)排），2號(hào)腳連接開發(fā)板A0（模擬輸入）引腳。
Fritzing繪制連接圖：
實(shí)物連接圖如下：
編寫代碼：
下一步就是通過代碼將程序上傳到你的Arduino開發(fā)板上，你可以復(fù)制下面的代碼到IDE中，連接你的開發(fā)板，選擇好端口，保存并上傳。
int potpin = 0; //定義模擬輸入接口0
int ledPin = 10;//定義數(shù)字輸出接口10
int val = 0; //暫存來自電位器的變量數(shù)值
void setup() {
pinMode(ledPin, OUTPUT);//定義數(shù)字接口10為輸出
Serial.begin(9600);//設(shè)置波特率為9600，可以省略
//注意：模擬接口自動(dòng)設(shè)置為輸入
}
void loop() {
val = analogRead(potpin);//讀取傳感器的模擬值并賦值給val
Serial.println(val);//顯示變量val的值，可以省略
analogWrite(ledPin, val/4); //打開LED并設(shè)置亮度（PWM 輸出最大255）
}
（注意：為什么這里定義的端口要用potpin?）
因?yàn)殡娢黄鞯挠⑽拿?strong>Potentiometer，這里取自它的前幾個(gè)字母，以便與其他引腳區(qū)分開。
實(shí)際操作圖：
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
通過旋轉(zhuǎn)電位器旋鈕，LED燈亮度改變。如果用串口監(jiān)視的話，就會(huì)在監(jiān)視器顯示相應(yīng)的數(shù)值。
函數(shù)介紹
-
AnalogWrite
1.說明：將一個(gè)模擬數(shù)值寫進(jìn)Arduino引腳。這個(gè)操作可以用來控制LED的亮度，或者控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。Arduino每一次對(duì)引腳執(zhí)行AnalogWrite命令，都會(huì)給該引腳一個(gè)固定頻率的PWM信號(hào)。
AnalogWrite()函數(shù)支持以下引腳：3,5,6,9,10,11。
在調(diào)用AnalogWrite函數(shù)前，您無需使用pinMode()函數(shù)來設(shè)置該引腳。
2.語法：analogWrite(pin,value)
3.參數(shù)：
pin：被讀取的模擬引腳號(hào)碼
value：0到255之間的PWM頻率值，0對(duì)應(yīng)off，255對(duì)應(yīng)on
4.返回值：無
程序分析
程序中通過analogRead()函數(shù)來讀取模擬輸入值，這個(gè)輸入值的范圍是0到1023之間，然后通過analogWrite()函數(shù)來改變LED燈占空比，范圍是0到255之間，從而改變亮度。
*占空比
所謂占空比就是調(diào)整led通過電流和不通過電流的時(shí)間比來控制的，由于人眼有視覺暫留特性，所以只要頻率比較高是看不出來閃爍的，當(dāng)然通過電流比不通過電流的時(shí)間比例越大，led做的功就越多，這樣也就越亮，需要注意的是led芯片的溫升和最大電流值不要超標(biāo)，不然會(huì)影響其壽命。
低占空比意味著輸出的能量低，因?yàn)樵谝粋€(gè)周期內(nèi)大部分時(shí)間信號(hào)處于關(guān)閉狀態(tài),如果pwm控制的負(fù)載為led,則具體表現(xiàn)例如led燈很暗。
高占空比意味著輸出的能量高，在一個(gè)周期內(nèi),大部分時(shí)間信號(hào)處于on狀態(tài),具體表現(xiàn)為Led比較亮。
當(dāng)占空比為100%時(shí)，表示 fully on，也就是在一個(gè)周期內(nèi)，信號(hào)都處于on狀態(tài),具體表現(xiàn)為led亮度到達(dá)100%。
為0%時(shí)則表示 totally off，在一個(gè)周期內(nèi)，一直處于off狀態(tài)，具體表現(xiàn)為led熄滅。
現(xiàn)在一切都已明了：脈沖寬度調(diào)制，這個(gè)寬，不是物體的寬度，而是高電平信號(hào)在一個(gè)調(diào)制周期中持續(xù)時(shí)間長短，它可以用占空比去衡量，占空比越大，脈沖寬度越寬。
（三）使用純軟件編程和電位器實(shí)現(xiàn)調(diào)光LED（不使用analogwrite函數(shù)，引腳更通用）
基本原理
通過調(diào)整PWM的占空比，來調(diào)節(jié)通過LED燈的電流時(shí)間長度，改變LED燈的做功大小，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光LED燈的亮度。
在此代碼中，手動(dòng)設(shè)置一個(gè)PWM信號(hào)，其信號(hào)中高低電壓的時(shí)間長短是根據(jù)輸入端口的值 val 來改變的。val的值是運(yùn)用analogRead()函數(shù)讀取的模擬輸入端口的值，范圍為0~1023，當(dāng)我們調(diào)節(jié)電位器時(shí)，val就會(huì)發(fā)生改變，這時(shí)LED燈的亮度就會(huì)隨val的值變化。
電路連接
電路圖與3.2相同，只將輸出端口改為13號(hào)。由于我們使用的是13號(hào)引腳，在arduino開發(fā)板上直接連接者一個(gè)LED燈，所以我們可以單獨(dú)使用一個(gè)LED燈，也可以直接用開發(fā)板上的。具體如圖所示：
使用單獨(dú)的LED燈：
不使用單獨(dú)的LED燈：
Fritzing繪制連接圖：
編寫代碼
int ledpin = 13; //定義端口13
int potpin=0; //定義端口0
int val=0; //定義變量val，初始值為0
void setup() {
pinMode(ledpin, OUTPUT); //定義端口13為輸出
Serial.begin(9600); //設(shè)置波特率為9600
}
void loop(){
val=analogRead(potpin); //讀取傳感器的模擬值并賦值給val
Serial.println(val); //顯示變量val的值
digitalWrite(ledpin, HIGH); //設(shè)置輸出端口輸入高電壓
delayMicroseconds(val); //延遲val長度的時(shí)間
digitalWrite(ledpin, LOW); //設(shè)置輸出端口為低電壓
delayMicroseconds(1000 - val); //延遲1000-val長度的時(shí)間
}
所用函數(shù)
analogRead () 函數(shù)
1.說明：從指定的模擬引腳讀取值。
2.語法：?analogRead(pin)
3.參數(shù)：
pin：要讀取的模擬輸入引腳的名稱（大多數(shù)板上的A0到A5，
Mini和Nano上的A0到A7）。
4.返回值：? 引腳上的模擬讀數(shù)（int）。
digitalWrite () 函數(shù)
1.說明：將數(shù)字HIGH或LOW值寫入數(shù)字引腳。
2.句法：
digitalWrite(pin, value)
3.參數(shù)：
pin：引腳號(hào)
value：HIGH或LOW
4.返回值：無
delayMicroseconds () 函數(shù)
1.說明：暫停程序指定為參數(shù)的時(shí)間量（以微秒為單位）。
2句法：
delayMicroseconds(us)
3.參數(shù)：
us：暫停的微秒數(shù)（unsigned int）
4.返回值:無
（四）比較兩種方式的區(qū)別與聯(lián)系
（五）實(shí)踐過程中遇到的問題
1. 找不到哪個(gè)是電位器？
由于剛剛接觸arduino，所以很多小零件都沒見過，就只認(rèn)識(shí)個(gè)LED燈和Nano開發(fā)板，而且很多部件都標(biāo)著英文，也看不懂。所以對(duì)于這個(gè)陌生的名詞，只好猜吧，看看憑感覺哪個(gè)像，亦或者問問老師。
但是這種方法是行不通的，既耗時(shí)又耗力，還不利于個(gè)人自主學(xué)習(xí)與探究。經(jīng)過反思，后來我們的解決辦法是：先到網(wǎng)上搜集有關(guān)電位器的信息，從百度百科上看到電位器的圖片和基本介紹，對(duì)照著信息，我們終于在一堆亂七八糟的零件中找到了它！
2. 不知道純軟件編程的含義是啥？
聽起來覺得可能很高大上，讓人難懂，但是說得通俗點(diǎn)就是不使用analogwrite函數(shù)，而是使用更通用的方式（digitalwrite與delay函數(shù)結(jié)合），使得引腳更通用更靈活的一種方法。通過手動(dòng)控制占空比，利用電位器可以使LED燈實(shí)現(xiàn)調(diào)光。
經(jīng)過在網(wǎng)上搜集資料并研究，我們終于還是實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)調(diào)光，并且比較了二者的區(qū)別與聯(lián)系。
3.編譯時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤
在進(jìn)行純軟件編程的時(shí)候，在代碼編譯時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，提示缺少定義輸出端口的代碼：
我們翻譯了一下錯(cuò)誤消息，然后找到紅色提示的一行，發(fā)現(xiàn)缺少定義的變量，往上找代碼，原因是在復(fù)制代碼的時(shí)候漏了一行，導(dǎo)致在編譯時(shí)找不到ledpin這個(gè)變量。所以在以后一定要注意仔細(xì)檢查代碼是否完整，學(xué)會(huì)看各種提示錯(cuò)誤，不斷積累經(jīng)驗(yàn)。
4.恍然大悟——手動(dòng)調(diào)光原來還可以這樣
在使用純軟件編程的時(shí)候，我們只是單純地將引腳由10號(hào)改成13號(hào)，然后旋轉(zhuǎn)電位器調(diào)光。但是細(xì)心的小園同學(xué)發(fā)現(xiàn)arduino開發(fā)板上的另一個(gè)紅燈亮了，之前是不亮的。所以我們恍然大悟，原來13號(hào)引腳就直接連著一個(gè)LED燈，我們可以不用再外接一個(gè)LED燈了（但是電阻還是要接的）。不過有追求完美可觀的同學(xué)可以外接一個(gè)，更容易觀察。
5.還有一個(gè)未解之疑：手動(dòng)調(diào)光LED燈為什么不能完全熄滅？
我們?cè)谶M(jìn)行純軟件編程的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)無論如何旋轉(zhuǎn)電位器，都不能使LED燈完全熄滅，總是會(huì)帶有一點(diǎn)紅光：
截至目前為止，我們已經(jīng)使用了很多方法，比如修改代碼（delay函數(shù)的參數(shù)）、檢查電路、更換電阻等等。但是由于知識(shí)有限，還不能解決這一問題，哪位大佬可以幫忙解答一下啊~
（六）總結(jié)與體會(huì)
經(jīng)過本次有關(guān)Arduino項(xiàng)目的實(shí)踐，我們對(duì)Arduino開發(fā)板、各種元件以及函數(shù)的使用又有了更深刻的認(rèn)識(shí)，使得知識(shí)不僅僅停留在書面上，更多是表現(xiàn)在外面的技能以及思維的活躍方面。
主要包括：1.Arduino軟件安裝以及與電腦連通方式；2.程序編譯、上傳等基本方式；3.面包板的使用方式，F(xiàn)ritzing的使用；4.學(xué)會(huì)了控制LED的亮滅；5.區(qū)分?jǐn)?shù)字端口中的模擬端口并學(xué)會(huì)使用；6.完成電位器調(diào)光LED燈等等。在后續(xù)的學(xué)習(xí)中也在不斷積累有關(guān)Arduino更深入的知識(shí)，不斷提高能力。
通過小組的合作學(xué)習(xí)，使得我們?cè)趯W(xué)習(xí)上總會(huì)產(chǎn)生思維的碰撞，大家相互爭論，相互幫助，共同完成項(xiàng)目。盡管在完成的過程中遇到了各種問題，當(dāng)時(shí)確實(shí)是很頭疼，但是通過各種途徑解決之后，再回過頭來看就發(fā)現(xiàn)每個(gè)人真的成長了很多。
只有想不到的，沒有做不到的。創(chuàng)意的思維總是千奇百怪，各有不同，因此也就顯得特別珍貴，所以對(duì)于每個(gè)人的創(chuàng)新思維，都值得我們?nèi)ケＷo(hù)。未來的人工智能領(lǐng)域是如此，教育亦是如此，創(chuàng)新和實(shí)踐總是貫穿其中，總讓人不由自主的接近和了解它。
現(xiàn)在，讓我們積極思維與實(shí)踐，一起打開Arduino世界的大門！
