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畔觉詹
5 years ago
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1 推動 CDIO 創新教學計算機程式語言 / 電子電路學 MATLAB for Arduino Support Package 範例

2 Arduino/ 電阻 / 麵包板 /LED/ 電壓量測簡介範例 1

3 Arduino 簡介 LazyTomato Arduino #1 - Arduino 到底是什麼? 2

4 電路板 ( 麵包板 ) LazyTomato Arduino #5 - 麵包板是什麼? 好吃嗎? 整行連通 ( 視為同一接點 ) 整列連通 ( 視為同一接點 ) 3

5 色環電阻 (Arduino 初學者套件搭配的電阻 ) https://www.digikey.

5 5 色環電阻 (Arduino 初學者套件搭配的電阻 ) 4

6 LED 簡介 LED 的啟動電壓各不同, 紅光約 2 點多伏特, 白光約 3 點多伏特電阻的功能是限制電流以保護 LED, 避免 LED 燒毀為什麼 LED 連接時一定要串接一顆電阻? LazyTomato Arduino #6 - LED 與電阻的必學之術! Arduino 小知識 : 為什麼 LED 需要串聯的電阻值是 220 ohm? 5

7 LED 電路這只是簡單的 LED 電路, 透過 Arduino 來供給電源, 正極接在 Arduino 的 5V 腳位, 負極接在 GND(ground) 腳位, 完成接線後 LED 就會亮起 220Ω(5 色環 ) 5mm 高亮 LED 白發藍光 6

8 電路中的電流值為何? V = I R 電壓 (V 伏特 ) 電流 (ma 毫安培 ) 電阻 (Ω 歐姆 ) 5?? 220 LED 壓降? 220Ω 電阻壓降? 220Ω 5V 可利用 Arduino 來量測 220Ω 電阻端點電壓值後, 計算電路中的電流與 LED 壓降 Arduino 小知識 : 為什麼 LED 需要串聯的電阻值是 220 ohm? 7

9 將 LED 負極連接至類比 A0 腳位, 使用 Arduino 讀取電阻兩端的壓降值 220Ω 量測 220Ω 電阻兩端壓降 8

10 LED - Arduino 接線線路開始來寫個簡單的程式吧! 9

開啟 MATLAB, 將 Arduino 連接至電腦 USB 連接埠命令視窗中 (Command Window) 會顯示 Arduino Uno detected 命令視窗中同時敘述,MATLAB 可使用 MATLAB Support Package for Arduino Hardware(MSPAH) 或是 Simulink Support

11 開啟 MATLAB, 將 Arduino 連接至電腦 USB 連接埠命令視窗中 (Command Window) 會顯示 Arduino Uno detected 命令視窗中同時敘述,MATLAB 可使用 MATLAB Support Package for Arduino Hardware(MSPAH) 或是 Simulink Support Package for Arduino Hardware(SSPAH) 支援 Arduino 硬體 MSPAH 是使用 Script file( 序列式程式 )/SSPAH 則是使用 Block( 圖形化程式 ) 與 Arduino 搭配使用點選 examples and other documentation 接至 MSPAH 的 Documentation 頁面 10

12 可從 Documentation 中提供的說明內容, 開始學習 MATLAB 與 Arduino 的結合應用點選 function, 查閱 MSPAH 中的函示指令與功能 11

13 點選任一指令, 查閱指令使用與設定方式, 可參閱指令說明中提供的範例程式再回到前一頁, 點選 examples 12

14 點選 examples, 進入範例程式頁面 13

15 選擇第一個範例資料夾 14

16 可以從這一個範例開始學習 MATLAB 與 Arduino 的應用 15

17 好, 現在回到量測電壓值的範例 16

18 首先, 因為是第一次使用 Arduino 板, 所以先在命令視窗中鍵入以下的指令, 連結 MATLAB 與 Arduino, 完成後會顯示 Arduino 的相關訊息諸如板的形號 / 連接埠 / 可用腳位 / 函式庫等資訊 >> a_board = arduino() 連接埠 : COM3 板型 : UNO 17

19 arduino(argument 引數 ) : Connect to Arduino hardware 以上指令的目的是在建構 MATLAB 與 Arduino 的連結 ( 溝通管道 ) 如果只接一個 Arduino 板, 使用 a_board = arduino(); 如果接一個以上 Arduino 板, 必須指定連接埠位置, 以區隔不同的 Arduino 板, 使用 a_board = arduino(port,board); 例如 : a_board = arduino('com3','uno'); 如果還要指定特定的函式庫 (Library), 則需使用 a_board = arduino(port,board,name,value); 例如 : a_board = arduino('com3','uno','libraries',{'servo','shiftregister'}; 18

20 a_board 是使用者自訂的變數名稱, 利用 a_board = arduino() 程式碼, 將 Arduino 板這個物件的內容指派給 a_board, 在程式碼中就可使用 a_board 代替 Arduino 板在這個範例中, 還需用到另一個指令 readvoltage() 用以讀取電路中的電壓值 readvoltage(argument 引數 ): Read Arduino analog pin voltage 讀取 Arduino 板上類比腳位 (analog pin) 的電壓值 V_measured = readvoltage(a_board, pin) 例如 : V_measured = readvoltage(a_board,'a0'); V_measured 是使用者自訂的變數名稱, 利用 a_board = readvoltage() 程式碼, 讀取連接至 Arduino 板上類比腳位 ( 在此為 A0) 電壓值 19

21 讀取 220Ω 電阻 (A0 腳位 ) 電壓值範例程式 clear; clc; a_board = arduino(); % 指派 Arduino 板代號為 a_board tic % 計時器起始終止為 toc while toc < 5 % 時間小於 5 秒時, 執行 while 迴圈 V_measured = readvoltage(a_board, 'A0'); disp([' 電阻壓降 = ', num2str(v_measured), ' V']); pause(0.1); end tic and toc functions work together to measure elapsed time tic : Start a stopwatch timer. toc : Read the stopwatch timer. 20

22 執行結果 21

23 220Ω 電阻壓降量測值約為 2.0 V 推測 LED 驅動電壓約為 V 根據歐姆定律 V = I R 電流 2.0/220 = A = 9 m 現在將上述資訊編寫為程式碼置入程式中 A. clear; clc; a_board = arduino(); % 指派 Arduino 板代號為 a_board tic % 計時器起始終止為 toc R = 220; % 電阻值 V = 5; % 電源供應電壓 while toc < 5 % 時間小於 5 秒時, 執行 while 迴圈 V_measured = readvoltage(a_board, 'A0'); disp([' 電阻壓降 = ', num2str(v_measured), ' V']); I = V_measured / R; % 電流值計算 disp([' 電路電流 = ', num2str(i), ' A']); V_Forward_LED = V - V_measured; %LED 驅動電壓 disp(['led 驅動電壓 = ', num2str(v_forward_led),' V']); pause(0.1); end 22

24 執行結果試看看電阻串 / 並聯, 觀察一下 LED 亮度變化. 23

25 繪出 220Ω 電阻壓降 vs. 時間圖 clear; clc; a_board = arduino(); % 指派 Arduino 板代號為 a_board tic % 計時器起始終止為 toc R = 220; % 電阻值 V = 5; % 電源供應電壓 t_no = 1; % 計數器 - 使用計數器建立 t(t_no)/v_measured(t_no)/i(t_no) 陣列 while toc < 5 % 時間小於 5 秒時, 執行 while 迴圈 t(t_no) = toc; % 記錄每一時取點時間 V_measured(t_no) = readvoltage(a_board, 'A0');% 每一取點時間 220Ω 壓降 disp([' 電阻壓降 = ', num2str(v_measured(t_no)),' V']); I(t_no) = V_measured(t_no) / R; % 每一取點時間電流 disp([' 電路電流 = ', num2str(i(t_no)),' A']); V_Forward_LED(t_no) = V - V_measured(t_no); % 每一取點時間驅動電壓 disp(['led 驅動電壓 = ', num2str(v_forward_led(t_no)),' V']); plot(t(1:t_no),v_measured(1:t_no),'-o',... 'MarkerSize',3,... 'MarkerEdgeColor','r',... 'MarkerFaceColor','g'); xlabel('t'); ylabel(' 電阻壓降 V') title('220\omega 電阻壓降 vs. time') pause(0.1); t_no = t_no + 1; % 計數器加 1 作為下一時取點的陣列引數 end 24

26 執行結果 25

27 圖利用 tic/toc 與 axis() 產生 x 軸動畫效果 clear; clc; a_board = arduino(); % 指派 Arduino 板代號為 a_board tic % 計時器起始終止為 toc R = 220; % 電阻值 V = 5; % 電源供應電壓 t_no = 1; % 計數器 - 作為陣列索引, 建立 t(t_no)/v_measured(t_no)/i(t_no) 陣列 while toc < 20 % 時間小於 20 秒時, 執行 while 迴圈 t(t_no) = toc; % 記錄每一時取點時間 V_measured(t_no) = readvoltage(a_board, 'A0');% 每一取點時間 220Ω 壓降 disp([' 電阻壓降 = ', num2str(v_measured(t_no)),' V']); I(t_no) = V_measured(t_no) / R; % 每一取點時間電流 disp([' 電路電流 = ', num2str(i(t_no)),' A']); V_Forward_LED(t_no) = V - V_measured(t_no); % 每一取點時間驅動電壓 disp(['led 驅動電壓 = ', num2str(v_forward_led(t_no)),' V']); plot(t(1:t_no),v_measured(1:t_no),'-o',... 'MarkerSize',3,... 'MarkerEdgeColor','r',... 'MarkerFaceColor','g'); xlabel('t');ylabel(' 電阻壓降 V') title('220\omega 電阻壓降 vs. time') axis([max(0,toc-1), toc+0.2, -inf,inf]);% 動態更改 x 軸繪圖範圍 - 時間軸動畫效果 pause(0.1); t_no = t_no + 1; % 計數器加 1 作為下一時取點的陣列引數 end 26

28 執行結果 27

29 LED 範例亮暗閃爍明亮度調整 28

30 前面的範例介紹給各位如何從 Arduino 板上的類比接腳 (Analog pin : A0~A5) 讀取量測電路中的資訊這通常可視為系統的輸入訊號 (Input), 使用者可依這輸入訊號來決定並調整輸出訊號 (Output) 以達成使用者設定的系統功能接下來要介紹給各位的是如何利用 Arduino 板上的數位接腳 (Digital pin :D0~D13) 傳輸訊號, 以達成元件控制的目的 29

31 LED 亮與暗 / 閃爍 / 明亮度變化調整範例在這個範例中, 可使用以下幾個指令來調控輸出的電壓值 writedigitalpin(argument 引數 ): Write to digital pin on Arduino hardware, 傳輸設定的訊號至 Arduino 板的數位接腳 writedigitalpin(a, pin, value) a : Arduino 板的程式碼代號 pin : 連接至電路中的數位接腳 Value : 輸入值為 0(false) or 1(true),0 代表低電位 / 1 代表高電位,Arduino 板的電壓值 0~5V, Value = 0 代表輸出 0V, Value = 1 代表輸出 5V 範例 : writedigitalpin(a_board,'d11',1); 表示在名為 a_board 的 Arduino 板上的 D11 腳位給予 5V 的電壓 1 可用 true / 0 可用 false 代替, 上述程式碼可改為 : writedigitalpin(a_board,'d11',true); 30

32 writedigitalpin() 指令只能給予 5V(Value = 1) 與 0V(Value = 0), 即開與關的選擇, 至於介於 0~5V 間的電壓輸出則需使用 writepwmdutycycle(), 脈衝寬度調變 (PWM) 的原理說明請參閱 : [Arduino] 脈衝寬度調變 (PWM) 與 Arduino 31

33 writepwmdutycycle(argument 引數 ): Set digital pin PWM duty cycle, 傳輸設定的訊號 (PWM:0~1) 至 Arduino 板的數位接腳 writepwmdutycycle(a, pin, dutycycle) a : Arduino 板的程式碼代號 pin : 連接至電路中的 PWM 數位接腳 dutycycle : 輸入值介於為 0 ~ 1, 同樣的 0 代表低電位 / 1 代表高電位,Arduino 板的電壓值 0~5V, dutycycle = 0 代表輸出 0V,dutyCycle= 1 代表輸出 5V, 如果 dutycycle = 0.5 表示其相對電壓輸出 = 5V 0.5 = 2.5V 範例 : writepwmdutycycle(a_board,'d11',0.5); 表示在名為 a_board 的 Arduino 板上的 D11 數位腳位 (PWM) 給予 5V 0.5=2.5V 的電壓 32

34 此外,MATLAB 亦提供 writepwmvoltage() 指令, 使用者可直接輸入 0~5V 電壓值 : writepwmvoltage(argument 引數 ): Write digital pin PWM voltage value, 傳輸設定的訊號 (0~5V 電壓值 ) 至 Arduino 板的數位接腳 writepwmvoltage(a, pin, voltage) a : Arduino 板的程式碼代號 pin : 連接至電路中的 PWM 數位接腳 voltage : 輸入值介於為 0 ~ 5V 範例 : writepwmvoltage(a_board,'d11',3.5); 表示在名為 a_board 的 Arduino 板上的 D11 數位腳位 (PWM) 給予 3.5V 的電壓再來寫幾個簡單的程式吧! 33

35 LED 亮與暗範例將 LED 正極接在 Arduino 的 D11 腳位, 負極接在 GND(ground) 腳位 220Ω 34

36 Arduino 接線線路 35

37 LED 亮 / 暗範例程式 clear; clc; a_board = arduino(); % 指派 Arduino 板代號為 a_board writedigitalpin(a_board,'d11',1); % 輸出 5V, 亮 pause(2); writedigitalpin(a_board,'d11',0); % 輸出 0V, 暗 pause(2); 也可將使用 writepwmvoltage() 達一樣效果 clear; clc; a_board = arduino(); % 指派 Arduino 板代號為 a_board writepwmvoltage(a_board,'d11',5); % 輸出 5V, 亮 pause(2); writepwmvoltage(a_board,'d11',0); % 輸出 0V, 暗 pause(2); 利用之前學過的 readvoltage() 讀取 LED 正極電位, 看看是? V 36

38 將 LED 正極連接至類比 A0 腳位, 使用 Arduino 讀取電阻兩端的壓降值 220Ω 量測兩端壓降 37

39 Arduino 接線線路 38

40 LED 亮 / 暗 + 讀取電壓值資訊範例程式 clear; clc; a_board = arduino(); % 指派 Arduino 板代號為 a_board writedigitalpin(a_board,'d11',1); % 輸出 5V, 亮 V_m = readvoltage(a_board,'a0'); %A0 腳位電壓 disp([' 電路電壓 = ', num2str(v_m), ' V']); pause(2); writedigitalpin(a_board,'d11',0); % 輸出 0V, 暗 V_m = readvoltage(a_board, 'A0'); %A0 腳位電壓 disp([' 電路電壓 = ', num2str(v_m), ' V']); pause(2); 39

41 執行結果以上程式碼只執行一次加上 While 迴圈後就變成 LED 閃爍的程式了 40

42 LED 閃爍範例程式 (while 迴圈 ) clear; clc; a_board = arduino(); % 指派 Arduino 板代號為 a_board tic % 計時器起始終止為 toc while toc < 20 % 時間小於 20 秒時, 執行 while 迴圈 writedigitalpin(a_board,'d11',1); % 輸出 5V, 亮 V_m = readvoltage(a_board,'a0'); %A0 腳位電壓 disp([' 電路電壓 = ', num2str(v_m), ' V']); pause(1); writedigitalpin(a_board,'d11',0); % 輸出 0V, 暗 V_m = readvoltage(a_board, 'A0'); %A0 腳位電壓 disp([' 電路電壓 = ', num2str(v_m), ' V']); pause(1); end 以上程式碼執行一次,LED 會亮 / 暗一次, 因有 2 次暫停 1 秒, 如果連續執行, 就變成 LED 每 2 秒會閃爍一次 41

43 執行結果 42

44 LED 明亮度變化調整範例接下來利用 writepwmdutycycle(a, pin, dutycycle) 與 writepwmvoltage(a, pin, voltage) 兩個指令進行 LED 明亮度變化調整 writepwmdutycycle(a, pin, dutycycle) 指令引數 dutycycle 的值介於 0~1(0 0V / 1 5V ), 我們可以利用 linspace() 指令將 0~1 區隔為數等份代表不同大小的輸入電壓, 再利用 for 迴圈依順序執行就可達到 LED 明亮度變化效果 no = 30; LED_br = linspace(1,0,no);%1~0 間取 no 點, 第 1 點 1, 最後一點 0 % 此 for 迴圈使 LED 由亮暗 for i = 1 : no % 輸出 LED_br(i) 電壓 writepwmdutycycle(a_board,'d11',led_br(i)); pause(0.1); end 43

45 若要使 LED 由亮暗後, 再由暗亮, 其程式碼編可寫如下 no = 30; LED_br = linspace(0,1,no);%1~0 間取 no 點, 第 1 點 1, 最後一點 0 % 此 for 迴圈使 LED 由亮暗 for i = 1 : no % 輸出 LED_br(i) 電壓 writepwmdutycycle(a_board,'d11',led_br(i)); pause(0.1); end % 此 for 迴圈使 LED 由暗亮 for i = 1 : no % 輸出 LED_br(i) 電壓 writepwmdutycycle(a_board,'d11',1-led_br(i)); pause(0.1); end 以上程式碼執加上 while 迴圈就完成了 44

46 LED 明亮度變化調整範例程式 writepwmdutycycle() clear; clc; a_board = arduino(); % 指派 Arduino 板代號為 a_board no = 30; LED_br = linspace(0,1,no);%1~0 間取 no 點, 第 1 點 1, 最後一點 0 tic % 計時器起始終止為 toc while toc < 30 % 時間小於 30 秒時, 執行 while 迴圈 % 此 for 迴圈使 LED 由亮暗 for i = 1 : no % 輸出 LED_br(i) 電壓 writepwmdutycycle(a_board,'d11',led_br(i)); pause(0.1); end % 此 for 迴圈使 LED 由暗亮 for i = 1 : no % 輸出 LED_br(i) 電壓 writepwmdutycycle(a_board,'d11',1-led_br(i)); pause(0.1); end end 45

47 執行結果 46

48 writepwmvoltage(a, pin, voltage) 指令引數 voltage 的值介於 0~5, 如同 writepwmdutycycle(), 可以利用 linspace() 指令將 0~5 區隔為數等份代表不同大小的輸入電壓, 再利用 for 迴圈依順序執行就可達到 LED 明亮度變化效果 no = 30; LED_br = linspace(5,0,no);%5~0 間取 no 點, 第 1 點 5, 最後一點 0 % 此 for 迴圈使 LED 由亮暗 for i = 1 : no % 輸出 LED_br(i) 電壓 writepwmvoltage(a_board,'d11',led_br(i)); pause(0.1); end 47

49 LED 明亮度變化調整範例程式 writepwmvoltage() clear; clc; a_board = arduino(); % 指派 Arduino 板代號為 a_board no = 30; LED_br = linspace(5,0,no);%5~0 間取 no 點, 第 1 點 5, 最後一點 0 tic % 計時器起始終止為 toc while toc < 30 % 時間小於 30 秒時, 執行 while 迴圈 % 此 for 迴圈使 LED 由亮暗 for i = 1 : no % 輸出 LED_br(i) 電壓 writepwmvoltage(a_board,'d11',led_br(i)); pause(0.1); end % 此 for 迴圈使 LED 由暗亮 for i = 1 : no % 輸出 LED_br(i) 電壓 writepwmvoltage(a_board,'d11',5-led_br(i)); pause(0.1); end end 48

50 以上為 LED 相關的程式範例, 先暖暖身, 之後再介紹光敏電阻 / 熱敏電阻以及馬達控制板 Motor shield v2( 搭配直流馬達 / 伺服馬達 / 步進馬達 ) 等應用範例 49

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PowerPoint 簡報推動 CDIO 創新教學計算機程式語言 / 電子電路學 MATLAB for Arduino Support Package Motor Shield V2 馬達驅動擴展板 1 Motor Shield V2 使用 2 個 TB6612 MOSFET 馬達驅動 IC 與 1 個 16 頻道 PWM 驅動晶片 (PCA9685) 與 I2C 介面連接, 可有效地驅動步進馬達 (Stepper motor)/