arduino-classes

03. Ввод сигналов, ШИМ

Кнопка, потенциометр, фоторезистор. ШИМ (analogWrite)

Тема: Считывание сигналов с кнопки, потенциометра и фоторезистора. Цифровой и аналоговый вход. ШИМ и плавная регулировка яркости.
Цель: научить детей не только управлять выводами, но и принимать информацию из внешнего мира; ввести digitalRead, analogRead, analogWrite, понятия подтяжки, делителя напряжения и ШИМ; закрепить работу с макетной платой и константами #define.
Оборудование: Arduino UNO, USB-кабель, макетная плата, провода, светодиоды (красный, жёлтый, зелёный), резисторы 220 Ом, резистор 10 кОм, кнопка, потенциометр, фоторезистор.

---

Ход урока

1. Повторение (5 мин)

• Что мы уже умеем? Управлять внешними объектами: светодиодами и RGB-модулем.
• Вспомнить: #define, pinMode(..., OUTPUT), digitalWrite, HIGH, LOW, delay.
• Вопрос: а как Arduino узнаёт, что происходит вокруг неё? Как узнать, нажата ли кнопка, светло ли в комнате?

2. Выход и вход. Цифровой и аналоговый сигнал (7 мин)

• До сих пор выводы работали как выход (от англ. output — «выход»). Arduino подавала сигнал наружу.
• Теперь выводы будут работать как вход (от англ. input — «вход»). Arduino будет читать сигнал снаружи.
• Сигналы бывают двух видов:
  • Цифровой — только два состояния: HIGH (высокий, 5 В) или LOW (низкий, 0 В). Пример: кнопка нажата / не нажата.
  • Аналоговый — плавно меняется в диапазоне. Пример: яркость света, положение ручки потенциометра.
• Объяснение названий:
  • digital — от англ. digital — «цифровой». Работает с двумя значениями.
  • analog — от англ. analog — «аналоговый». Работает с плавно меняющимся значением.
  • read — от англ. read — «читать». Считывает значение с вывода.
  • write — от англ. write — «записывать». Подаёт значение на вывод.

3. Кнопка и digitalRead (10 мин)

• Кнопка (от фр. bouton — «пуговица») — простой переключатель. Нажата — контакт замкнут, отпущена — разомкнут.
• Подключаем: одну ножку кнопки → к пину Arduino, другую → к GND.
• Проблема: если пин ни к чему не подключён, он «висит в воздухе» и читает случайные значения. Такое состояние называют плавающим.
• Решение — подтяжка: слабый резистор внутри платы «подтягивает» пин к 5 В. В Arduino это делают одной строкой:

  pinMode(BTN, INPUT_PULLUP);
  

• Объяснение названий:
  • INPUT — от англ. input — «вход». Пин работает как вход.
  • PULL — от англ. pull — «тянуть». Резистор «тянет» пин к питанию.
  • UP — от англ. up — «вверх». Тянет к высокому уровню 5 В.
• Как читать: не нажата → HIGH, нажата → LOW (потому что кнопка замыкает пин на GND).
• Внимание: если вход имеет подтяжку, то HIGH и LOW читаются наоборот по сравнению с выходом. Это важно запомнить.

4. Практика 1: кнопка включает светодиод (8 мин)

Подключение:

• Красный светодиод через резистор 220 Ом → пин 3
• Кнопка: одна ножка → пин 2, другая → GND

#define LED_R 3
#define BTN 2

void setup() {
  pinMode(LED_R, OUTPUT);
  pinMode(BTN, INPUT_PULLUP);
}

void loop() {
  int state = digitalRead(BTN);

  if (state == LOW) {
    digitalWrite(LED_R, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(LED_R, LOW);
  }
}

Разбор нового:

• int state — переменная. int — от англ. integer — «целое число». Хранит целое значение.
• digitalRead(BTN) — читает сигнал с пина кнопки.
• if ... else — от англ. if — «если», else — «иначе». Условие: если кнопка нажата — включить, иначе — выключить.

Задание: добавить второй светодиод на другой пин и включать его по нажатию второй кнопки.

5. Потенциометр и analogRead (10 мин)

• Потенциометр (от лат. potentia — «сила, мощность» + греч. metron — «мера») — это переменный резистор. Крутишь ручку — меняется сопротивление, а значит и напряжение на среднем выводе.
• У потенциометра три вывода: крайние — к 5V и GND, средний — к аналоговому входу Arduino.
• Аналоговый вход — это пины A0…A5. Они читают напряжение и превращают его в число от 0 до 1023.
  • 0 В → 0
  • 5 В → 1023
  • 2,5 В → примерно 512
• Читаем командой analogRead(A0).
• Объяснение: почему 1023? Arduino использует 10-битный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). 2¹⁰ = 1024, значит значения от 0 до 1023.

6. ШИМ и analogWrite (7 мин)

• Чтобы плавно менять яркость, нельзя просто подать HIGH или LOW — нужен промежуточный уровень.
• Arduino умеет это делать через ШИМ — широтно-импульсная модуляция.
  Англ. PWM — Pulse Width Modulation: pulse — «импульс», width — «ширина», modulation — «модуляция». Пин очень быстро включается и выключается, а скважность задаёт среднюю яркость.
• Значения для analogWrite — от 0 до 255 (8 бит, 2⁸ = 256).
• Важно: analogWrite работает только на пинах с пометкой ~ (на UNO это 3, 5, 6, 9, 10, 11).
• Связь диапазонов:
  • analogRead → 0…1023
  • analogWrite → 0…255
  • Чтобы перевести одно в другое, значение делят на 4 (или используют функцию map).

7. Практика 2: потенциометр плавно регулирует яркость (10 мин)

Подключение:

• Красный светодиод через резистор 220 Ом → пин 3 (с пометкой ~)
• Потенциометр: крайние выводы → 5V и GND, средний → A0

#define LED_R 3
#define POT A0

void setup() {
  pinMode(LED_R, OUTPUT);
}

void loop() {
  int value = analogRead(POT);   // 0..1023
  int bright = value / 4;        // 0..255
  analogWrite(LED_R, bright);
}

Задание: сделать так, чтобы при повороте ручки менялся цвет RGB-модуля (например, R плавно растёт, B плавно падает).

8. Фоторезистор и делитель напряжения (8 мин)

• Фоторезистор — от греч. phos — «свет» + лат. resisto — «сопротивляюсь». Его сопротивление меняется от освещения: светло — сопротивление маленькое, темно — большое.
• Английское название — LDR (Light Dependent Resistor): light — «свет», dependent — «зависимый», resistor — «резистор».
• Чтобы Arduino могла прочитать его значение, собираем делитель напряжения: фоторезистор и обычный резистор 10 кОм последовательно. Средняя точка — к аналоговому входу.
• Чем больше света, тем меньше сопротивление фоторезистора и тем выше напряжение на входе.

9. Практика 3: ночник (10 мин)

Подключение:

• Красный светодиод через резистор 220 Ом → пин 3
• Фоторезистор + резистор 10 кОм (делитель) → средняя точка к A1

#define LED_R 3
#define LDR A1

void setup() {
  pinMode(LED_R, OUTPUT);
}

void loop() {
  int light = analogRead(LDR);

  if (light < 300) {
    digitalWrite(LED_R, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(LED_R, LOW);
  }
}

Задание: подобрать порог так, чтобы ночник включался именно в темноте. Заменить digitalWrite на analogWrite, чтобы яркость зависела от освещённости (чем темнее — тем ярче).

10. Практика 4: одновременная работа (5 мин)

• В одном скетче объединить:
  • кнопка → включает жёлтый светодиод;
  • потенциометр → регулирует яркость красного;
  • фоторезистор → включает зелёный в темноте.
• Проверить, что все три входа и три выхода работают независимо.

11. Вопросы для обсуждения (5 мин)

1. Чем вход отличается от выхода?
2. Чем цифровой сигнал отличается от аналогового?
3. Что такое плавающий пин и как от него избавиться?
4. Что означает INPUT_PULLUP? Почему при нажатии читается LOW, а не HIGH?
5. Какой диапазон значений у analogRead и analogWrite?
6. Почему analogWrite работает не на всех пинах?
7. Что такое делитель напряжения и зачем он нужен с фоторезистором?
8. Что делает if ... else?

12. Итог и рефлексия (5 мин)

• Что нового узнали о вводе сигналов?
• Что было самым интересным?
• Какие правила подключения запомнили?
• Домашнее задание: придумать, как использовать кнопку и потенциометр вместе, и описать идею проекта.

---

Ключевые слова для запоминания

Вход, выход, INPUT, INPUT_PULLUP, подтяжка, плавающий пин, digitalRead, analogRead, analogWrite, ШИМ, PWM, АЦП, диапазон 0…1023, диапазон 0…255, int, if, else, потенциометр, фоторезистор, LDR, делитель напряжения, кнопка, BTN, POT, LDR, LED_R.