项目3.用电位器实现调光LED灯

本篇介绍Arduino模拟输入功能，通过读取电位器输入的电压值来控制LED灯的亮度。另外补充通过纯软件编程的方式再做同样的操作。

3.1 Arduino 模数转换函数 AnalogRead的用法
（在哪些引脚上可用，给出一个以可变电阻分压为输入，从串口输出模数转换数值的例程）
3.2 用电位器实现调光LED灯（使用AanlogWrite函数，即项目2中的2.2方式）
（Fritzing绘制的电路图、工作原理的说明，包含完整注释的源代码）
3.3 用电位器实现调光LED灯（使用软件编程的方法，即项目2中的2.1方式）
（工作原理的说明，包含完整注释的源代码，与2.1代码的比较）

基本原理

• 模拟输入引脚是带有ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）功能的引脚。它可以将外部输入的模拟信号转换为芯片运算时可以识别的数字信号，从而实现读入模拟值的功能。
• Arduino 模拟输入功能有10位精度，即可以将0～5V的电压信号转换为0～1023的整数形式表示。
• 我们通过使用analogRead() 函数读取电位器输入的电压值，然后通过analogWrite()函数来控制LED灯亮度。

函数介绍

• AnalogRead：模拟引脚（ IO口）读取函数
  1.说明：用于从Arduino的输入引脚读取数值。Arduino 模拟输入功能有10位数模转换通道，意味着可以将0～5V的电压信号转换为0～1023的整数形式表示。
  注意：在模拟输入引脚没有任何连接的情况下，用analogRead指令读取该引脚，这时获得的返回值为不固定的数值。这个数值可能受多种因素的影响，如将手靠近引脚也可能会引起返回值的变化。
  2.语法：AnalogRead（pin)
  3.参数：1个 。例如AnalogRead（pin)，pin表示被读取的模拟引脚号，也就是A0~A5引脚，因为能输入模拟信号的只有这6个引脚，所以不用指定第二个参数。
  4.返回值：0~1023之间的整数

元器件介绍——电位器

电位器是一个可调的电阻，其原理如下图所示：

电位器原理图

通过旋转旋钮改变2号脚位置，从而改变2号脚到两端的阻值。实验中将1脚和3脚分别接到开发板的5V和GND，再通过模拟输入引脚A0（A0~A5都可以）来读取电位器2号脚分得的电压，其范围在0V和5V之间。

示例程序

在本示例中，我们将电位器的3个引脚分别接在5V、A0引脚和GND，通过调节电位器，A0模拟引脚的输入电压在0-5V之间，在Arduino内置的模拟数字功能转化下，将该输入电压映射到数值0~1023。这一数值将通过串口监视器显示。

示例连接图
由于没有直接可观察的输出，所以我们调节电位器并不能知道Arduino内部的工作机制，所以下一步就是通过写代码，利用软件的方式解决我们的疑惑，正所谓软硬兼施嘛！（代码可直接复制使用）

int pin=A0;//定义变量pin,为模拟输入接口
int val=0;//暂存来自电位器的变量数值

void setup() {   
  //Arduino串口通讯初始化
  Serial.begin(9600);//设置波特率为9600
}

void loop() {
  //读取引脚A0输入信号
  val = analogRead(pin);//读取传感器的模拟值并赋值给val，也就是将A0输入的值转化为0~1023之间的数值   
  Serial.println(val);//通过串口显示变量val的值
}

下一步就是在我们的编译环境中运行代码，首先确保你的硬件连接已经准确无误的完成（如示例连接图），然后点击上传。

实际效果图

上传成功后，旋转你的电位器，咦？怎么没什么变化？因为我们现在没有接任何输出设备，当然是看不到外在的变化的。不过我们可以通过Arduino IDE的串口监视器查看旋转电位器之后究竟发生了什么。至于串口监视器，你现在只需要知道它是Arduino板与其他设备相互通信的方式就可以了，如果你感兴趣的话，https://www.jianshu.com/p/a102ebeb1f1f里有详细的关于串口监视器的介绍。
好了，现在你可以打开你的串口监视器了，也就是右上角的搜索放大镜，打开后旋转电位器你就会发现一串从小到大（或从大到小）的数字飞速从你的眼前流过，从0到1023。如下图：

串口监视器

如果你能看到的话，那么恭喜你已经成功完成串口输出模数转换并掌握了analogRead函数的用法！

用电位器实现调光LED

我们已经学会了用电位器调节输出0~5V的电压，下一步就是用LED灯将最终的结果显示出来。

实验材料：

• Arduino Nano开发板
• 配套USB数据线
• 面包板及配套连接线
• 1个LED灯
• 1个470Ω限流电阻
• 1个电位器

电路连接图：
根据原理图搭建电路。
Arduino板5v和GND分别用跳线连接到面包板的上下两排对应的位置。直插LED灯正极连接限流电阻，电阻另一端连接开发板第10引脚，LED灯负极接开发板GND（也就是蓝色排）。电位器1号脚和3号脚分别连接开发板5V（红排）和GND（蓝排），2号脚连接开发板A0（模拟输入）引脚。

电路连接图

实物连接图如下：

实物连接图

编写代码：
下一步就是通过代码将程序上传到你的Arduino开发板上，你可以复制下面的代码到IDE中，连接你的开发板，选择好端口，保存并上传。

int ledPin = 10;//定义数字接口10
int val = 0;  //暂存来自电位器的变量数值
void setup() {
pinMode(ledPin, OUTPUT);//定义数字接口10为输出
Serial.begin(9600);//设置波特率为9600，可以省略
//注意：模拟接口自动设置为输入
}
void loop() {
  val = analogRead(potpin);//读取传感器的模拟值并赋值给val   
  Serial.println(val);//显示变量val的值，可以省略
  analogWrite(ledPin, val/4); //打开LED并设置亮度（PWM 输出最大255）
  delay(10);
}

下面是实际操作图：

实际操作图

实验现象

通过旋转电位器旋钮，LED灯亮度改变。如果用串口监视的话，就会在监视器显示相应的数值。

函数介绍

• AnalogWrite
  1.说明：将一个模拟数值写进Arduino引脚。这个操作可以用来控制LED的亮度，或者控制电机的转速。Arduino每一次对引脚执行AnalogWrite命令，都会给该引脚一个固定频率的PWM信号。
  AnalogWrite()函数支持以下引脚：3,5,6,9,10,11。
  在调用AnalogWrite函数前，您无需使用pinMode()函数来设置该引脚。
  2.语法：analogWrite(pin,value)
  3.参数：
  pin：被读取的模拟引脚号码
  value：0到255之间的PWM频率值，0对应off，255对应on
  4.返回值：无

程序分析

程序中通过analogRead()函数来读取模拟输入值，这个输入值的范围是0到1023之间，然后通过analogWrite()函数来改变LED灯占空比，范围是0到255之间，从而改变亮度。
*占空比
所谓占空比就是调整led通过电流和不通过电流的时间比来控制的，由于人眼有视觉暂留特性，所以只要频率比较高是看不出来闪烁的，当然通过电流比不通过电流的时间比例越大，led做的功就越多，这样也就越亮，需要注意的是led芯片的温升和最大电流值不要超标，不然会影响其寿命。

不使用analogwrite函数调节LED亮度

电路连接

电路图同2.1相同，只将输出端口改为13号。

编写代码

int potpin=0;    //定义端口0
int val=0;       //定义变量val，初始值为0
void setup() {
   pinMode(ledpin, OUTPUT);   //定义端口13为输出 
   Serial.begin(9600);      //设置波特率为9600
}
void loop(){
   val=analogRead(potpin);     //读取传感器的模拟值并赋值给val
   Serial.println(val);           //显示变量val的值
   digitalWrite(ledpin, HIGH);    //设置输出端口输入高电压
   delayMicroseconds(val);      //延迟val长度的时间 
   digitalWrite(ledpin, LOW);      //设置输出端口为低电压
   delayMicroseconds(1000 - val);   //延迟1000-val长度的时间
}

基本原理

通过调整PWM的占空比，来调节通过LED灯的电流时间长度，改变LED灯的做功大小，从而实现调光LED灯的亮度。
在此代码中，手动设置一个PWM信号，其信号中高低电压的时间长短是根据输入端口的值 val 来改变的。val的值是运用analogRead()函数读取的模拟输入端口的值，范围为0~1023，当我们调节电位器时，val就会发生改变，这时LED灯的亮度就会随val的值变化。

所用函数

analogRead () 函数

digitalWrite () 函数
1.说明：将数字HIGH或LOW值写入数字引脚。
2.句法：
digitalWrite(pin, value)
3.参数：
pin：引脚号
value：HIGH或LOW
4.返回值：无

delayMicroseconds () 函数
1.说明：暂停程序指定为参数的时间量（以微秒为单位）。
2句法：
delayMicroseconds(us)
3.参数：
us：暂停的微秒数（unsigned int）
4.返回值:无

二者的区别

1. 适用端口不同
第一种运用analogWrite () 函数,仅适用于以下引脚：3,5,6,9,10,11；
而此代码适用于所有输出端口。

2. 所用函数的区别
第一种使用analogWrite()函数可以写入模拟数值，取值为0~255，通过pwm引脚调节LED灯亮度；
而digitalWrite()函数只能写入数字信号high和low。

3. analogWrite()函数与digitalWrite()函数的联系
因为LOW在库内部定义为0，HIGH定义为1.因此digitalWrite(led,LOW)等效于analogWrite(led,0)；digitalWrite(led,HIGH)等效于analogWrite(led,1)。