Stduino零基础入门课程（七）实验五：模拟信号输入输出

Astilbe001

Hello！大家好！相信大家在学习过之前的几个试验后呢，对Stduino的工作方式有了基本认识：接收来自外部的信息，我们称作输入；或者向外部发出信息，我们称作输出。而这些都是通过设置管脚的模式来完成的。

我们仔细观察可以发现，这些信号（不管是输入的还是输出的）都是以电压的形式表现。信号有两种状态，LOW表示低电压（也可以用0代替），HIGH表示高电压（也可以用1代替）。利用0和1就可以组合成非常复杂的信息，像这样的信息我们称它为数字（digital）信号。

但是新的问题来啦。自然状态并不总是0和1，可能有0.5、0.6、0.7，也可能有0.1666666等等，等等。总之，自然的信息可能是连续变化的，那么我们的Stduino UNO该怎么去处理这些连续变化的信号呢？

在这之前，我们先介绍一种可以提供连续变化信号的电子元件——电位器。

我们先来看看一个电位器长什么模样：

就像你现在看到的一样，一个电位器有三个引脚。同时上面还有一个可以转动的转轴，通过转动转轴就可以输出变化的电压信号了，我们来看看原理是怎么样的。

这是电位器的内部原理图。它上下两个引脚中间其实接了一个弧形的电阻：

中间的引脚与旋轴连接在一起，而旋轴本身带有一个金属，搭在弧形电阻上。那么，当旋转旋轴的时候，金属也跟着旋转。

接下来，让我们看看这些引脚怎么和Stduino UNO连接。

首先，我们需要把上下两部分分别接上Stduino UNO的5V和GND引脚。之前已经分析过，GND到电阻一端的电路都是同样的电位，即0V。同时5V到电阻一端的电路都是同样的电位，即5V。电位在经过电阻的时候由5V降到0V。

其实，电阻上一段的电压也不是从5V突然跳转到0V，电位是均匀的降低的，因此，电阻上的电位是这样分布的：

我们来看看与中间引脚连接的金属。当旋轴旋转的时候，那么金属与弧形电阻不同的位置相接触，这也意味着，中间的引脚会捕获到不同的电压信号。其实，中间引脚就相当于一个电压检测器，用来获得不同的电压值。我们把中间的引脚接上Stduino UNO，就可以捕捉到此时电位器的电压了。

那么我们该与Stduino UNO上的哪一个管脚相连呢？

之前我们利用编号D开头的管脚检测电压，只能检测高低电平两种状态。实际上D对应的单词就是digital——数字，这些管脚只能检测数字信号。对于连续变化的电压信号，需要用A开头的管脚。A对应的单词为Analog——模拟。这些管脚能够检测连续变化的电压信号。因此，我们这些模拟量管脚来充当电位器中间引脚的检测装置。（这里我们以A1作为检测管脚）

接下里，我们利用串口通信来打印我们接收到的信息吧。

首先第一步，我们需要读取A1管脚，获得来自电位器引脚的电压信号，第二步把这个值利用串口打印出来。

在之前的教程中，我们都是利用digitalRead(pin)这个方法来获取管脚的信号。但是这个方法只能读取数字信号。因此，为了获得模拟信号，我们利用analogRead(pin)方法来获取。

代码如下：

1. #include <Arduino.h>
   
2. int sensor=A1;//电位器接入A1管脚
   
3. int value=0;//储存读取到的模拟信号
   
4. 
   
5. void setup(){
   
6.     pinMode(sensor,INPUT);//将电压检测管脚设置为输入模式
   
7.     Serial.begin(9600);
   
8. }
   
9. 
   
10. void loop()
    
11. {
    
12.     value=analogRead(sensor);//读取电压检测管脚值，并储存到value变量中
    
13.     Serial.print("当前读取值为： ");
    
14.     Serial.println(value);
    
15.     delay(100);
    
16. }

复制代码

将代码下载到Stduino UNO，我们现在打开串口监视器，看看输出了什么？

你会发现，当我们旋转电位器旋轴的时候，串口监视器打印的数字也跟着发生变化，有没有？现在你就学会了捕捉模拟信号了。

电压信号应该是在0~5V之间，但是，如果你再看看，你会发现这些值并不是0到5，最小是0，但是最大却到了一千多！我们看看，最大其实可以到1023。实际上呢，电压信号0到5V被装换成了0~1023以共1024个数。

如果你学过比例的算法，我们可以很容易的得到：

0V：0

1.25V：256

2.5V：512

3.75V：768

5V：1023

……

如果你想直接得到管脚检测到的实际电压值呢，我们只需要自己计算就可以：

1. float volt=0.00;
   
2. volt= (float)value/1024.00*5.00;

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我们想要得到电压值，最好可以保留到小数点后两位，因此我们需要一个float类型的变量。如果利用整数进行除法，那么得到的结果会舍去小数部分。例如

1. int x = 3;
   
2. int y = 5;
   
3. int z = x / y;//结果为0.6，但z是整数型变量，只保留小数点前的整数
   
4. 
   
5. int x = 3;
   
6. int y = 5;
   
7. float z =(float) x / 2.0;//结果为0.6

复制代码

这样，我们就学会了捕获模拟信号。同样，我们也可以输出模拟信号。

如果有一个LED灯，我们只要把电位器传进来的电压值传给这个LED，就可以利用电位器去控制LED两端的电压，从而控制LED的亮度了！这个被输出的电压信号，同样是连续变化的值，因此我们需要利用特定的引脚来输出这种模拟信号。

我们已经介绍过A和D开头的管脚，同学们如果注意观察，你会发现Stduino UNO上面有的管脚编号带有波浪线——“~”。只有这些带有波浪线的管脚才能够输出连续变化的电压值。例如，我们选择D3，利用D3来输出模拟信号。

1. analogWrite(D3,value);

复制代码

那我们很容易的就能把LED接进电路：

但是我们现在还不可以把接收到电位器传来的值直接通过D3输出，这是因为A1把0到5V划分成了1024份（0~1023共1024个阶级），而D3把输出的0到5V划分成了256份（即0~255共256个阶级）。

我们可以利用一个映射方法来转换数据

1. newData = map( value, 0, 1023, 0, 255);

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利用map方法，可以把一个0~1023范围内的整数转化成为0~255范围内的整数。这样，我们就把从电位器读到的模拟量（0~1023）转换为了输出给LED的模拟量（0~255）。

那么我们最后的代码就是这样的：

1. #include <Arduino.h>
   
2. int sensor=A1;//电位器接入A1管脚
   
3. int LED = D3;//LED灯接入D3
   
4. int value=0;//读取电位器的模拟信号
   
5. int newData=0;//输出给LED的模拟信号
   
6. 
   
7. void setup(){
   
8.     pinMode(sensor,INPUT);//将电压检测管脚设置为输入模式
   
9.     pinMode(LED,OUTPUT);//将LED连接的管脚设置为输出模式
   
10.     Serial.begin(9600);
    
11. }
    
12. 
    
13. void loop()
    
14. {
    
15.     value=analogRead(sensor);//读取电压检测管脚值，并储存到value变量中
    
16.     //float volt=0.00;
    
17.     //volt= (float)value/1024.00*5.00;
    
18.     Serial.print("当前读取值为： ");
    
19.     Serial.println(value);
    
20.    
    
21.     newData = map(value,0,1023,0,255);//转换
    
22.     analogWrite(LED,newData);//输出给LED
    
23.     delay(100);
    
24. }

复制代码

下载到Stduino UNO上，看看，是不是现在你可以通过电位器来调整LED的亮度了？

我们用5节实验课的时间，就把Stduino的最关键的内容讲完了。随后的内容即使再复杂，也不过是对这些内容的加强版。

上完这几节课，我们其实可以发现，Stduino UNO其实就是一个处理器，接收外部的模拟信号或者数字信号，并对信号做出一定的处理；或者对信号做出一定处理，并将这些模拟信号或者数字信号传输出去。

学过这些课程，你虽然只接触到控制LED或者电位器、按键等等，可能你觉得Stduino 好像有点过于简单。但是那些显得高级的传感器或者电子元件，也不过是利用Stduino UNO的信号输入输出加以控制与处理。

那么在接下来的课程中，我们将利用Stduino UNO的输入输出功能做更多有趣的事情，不如接着看看，我们可以用这些东西做什么好玩的？