Tutorial | Arduino Nano PWM richtig benutzen

9. Januar 2018Arduino, Tutorials

spannungsverlauf einer 2,5V Effektivspannung

In diesem Arduino Nano PWM Tutorial beziehen sich die Beispiel sich auf das genannte Board. Im Prinzip kann man den Beitrag auch auf andere Boards der Arduino Familie erweitern. Allerding können hier die angegebenen Werte für Spannung und Strom abweichen (vgl. Datenblätter).

Der auf den Boards verbauter Mikrokontroller kann an Ausgängen grundsätzlich nur die Spannung LOW und HIGH anlegen. LOW entspricht der Ground Spannung (0V) und HIGH der Eingangsspannung (in der Regel 5V). Doch der Arduino kann einen Trick anwenden. Er schaltet einen Ausgang mit hoher Frequenz abwechselnd auf HIGH oder LOW und kann so ein analoges Signal simulieren. Dieses Verfahren nennt man “Pulse Width Modulation” oder kurz “PWM”.

Grundlagen der Pulse Width Modulation (PWM)

Zum Verstehen der Pulse Width Modulation ist es notwendig den Unterschied zwischen der aktuell anliegenden Spannung und dem Effektivwert der Spannung zu kennen. Der Effektivwert ist die im Durchschnitt anliegende Spannung.

Wenn der Arduino einen Ausgang auf HIGH schaltet, liege an diesem konstante 5V an. Dies bedeutet, dass der Effektivwert der Spannung auch 5V beträgt. Wenn der Ausgang des Arduinos (hier ist es egal, ob es sich um einen Uno, Nano oder Leonardo handelt) nun das Signal abwechselnd auf HIGH oder LOW setzt, verändert sich der Effektivwert der Spannung.

Effektivwert = durchschnittliche Spannung pro Zeit

Mit dieses Wissen hat man die Grundlage erlangt, um die PWM-Ausgänge der Arduinos richtig zu verwenden.

Analoge Spannungen mit dem Arduino ausgeben

Die AnalogWrite(Pin, AnteilmaxSpannung) Befehl können die Arduinos beliebige Effektivspannungen an ihre PWM-Ausgänge legen. Der Anteil der Maximalen Spannung muss ein Wert zwischen 0 – 255 sein (8 Bit). Der Wert 0 entspricht einer Effektivspannung von 0V und der Wert 255 entspricht 5V Effektivspannung.

Um eine beliebe Spannung an die Pins zu legen muss der Anteil der maximalen Spannung richtig errechnet werden. Dies geschieht folgendermaßen:

Als kleines Beispiel legen wollen wir 2,8V an einen PWM-Pin eines Arduino Nanos, der via USB mit Strom versorgt wird, legen. Dies bedeutet, dass die maximale Spannung 5V ist und die gwünschte 2,8V.

Der Befehlt, um eine Spannung von 2,8V zu erzeugen, lautet damit:

analogWrite(3,143); // an Pin 3 werden 2,8V angelegt

1	analogWrite(3,143); // an Pin 3 werden 2,8V angelegt

Bei der Realisierung von Projekten ist es wichtig, die Vorgaben für die Ströme zu beachten. Zu hohe Ströme können zu einer Beschädigung des Arduino Boards führen. In der folgenden Tabelle habe ich die Werte, unter anderen für den Nano, Uno Leonardo zusammengefasst.

Maximale Belastung der PWM-Pins

Modell	Maximaler Strom Vin	Max Strom PWM-Pin	PWM-Pins
Uno	200 mA (2x 200 mA)	40 mA	3, 5, 6, 9, 10, 11
Mega	800 mA (4x 200 mA)	40 mA	2 -13, 45, 46
Nano	200 mA (2x 200 mA)	40 mA	3, 5, 6, 9, 10, 11

Beispiel – LED-Dimmen mit der PWM Funktion

In diesem Beispiel wollen wir eine LED mithilfe zweier Buttons dimmen. Dazu brauchen wir:

1 x Arduino (egal welcher, auch Clones)
2 x Button
1 x 220 Ohm Widerstand
1 x LED
ein paar Kabel

Wir schließen die Buttons, die LED und den Widerstand folgendermaßen an den Arduino an:

Im Sketch führen wir Variablen für die Helligkeit, die Empfindlichkeit und zur Definition der Ein- und Ausgänge ein. Der Empfindlichkeit geben wir den Wert 7 und der Helligkeit einen Anfangswert von 127.

Im Setup()-Bereich aktivieren wir die Eingebauten Pullup-Widerstände (so sparen wir uns Widerstände in der Schaltung) und schalten die LED an.

In der Loop()-Funktion überprüfen wir ob der Heller- oder Dunkler-Button gedrückt wird. Sollte dies der Fall sein, erhöhen bzw senken wir den Wert für Helligkeit um 1 und dimmen die Lampe via PWM.

Außerdem, fügen wir ein Delay() hinzu um die Empfindlichkeit des Dimmers zu steuern

// Erhöhe den Wert um die Empfindlichkeit zu senken
int empfindlichkeit = 7;

// Wir definieren die ein und Ausgänge
int pinDunkler = 2;
int pinHeller = 3;
int ledPin = 5;

//Wir setzen eine mittlere Starthelligkeit
int helligkeit = 127;

void setup() {

  // Wir aktivieren die internen Pullup-Widerstände
  pinMode(pinDunkler, INPUT_PULLUP);
  pinMode(pinHeller, INPUT_PULLUP);

  // Wir schalten die LED an
  analogWrite(ledPin, helligkeit);
}

void loop() {

  // Wir überprüfen, ob der Dunkler Button gedrückt wurde und ob der minimale Wert nicht erreich ist

  if (digitalRead(pinDunkler) == LOW && helligkeit != 0)
  {
    helligkeit = helligkeit - 1;  //Wir senken die gewünschte Helligkeit
    analogWrite(ledPin, helligkeit); //Wir dimmen die LED
  }

  // Wir überprüfen, ob der Heller Button gedrückt wurde und ob der maximale Wert nicht erreicht ist
  if (digitalRead(pinHeller) == LOW && helligkeit != 255)
  {
    helligkeit = helligkeit + 1; //Wir erhöhen die gewünschte Helligkeit
    analogWrite(ledPin, helligkeit); //Wir dimmen die LED
  }
  //Wir warten eine gewissen Zeit ab, um einen Einfluss auf die Empfindlichkeit zu haben
  delay(empfindlichkeit);
}

// Erhöhe den Wert um die Empfindlichkeit zu senken

int empfindlichkeit = 7;

// Wir definieren die ein und Ausgänge

int pinDunkler = 2;

int pinHeller = 3;

int ledPin = 5;

//Wir setzen eine mittlere Starthelligkeit

int helligkeit = 127;

void setup() {

// Wir aktivieren die internen Pullup-Widerstände

pinMode(pinDunkler, INPUT_PULLUP);

pinMode(pinHeller, INPUT_PULLUP);

// Wir schalten die LED an

analogWrite(ledPin, helligkeit);

}

void loop() {

// Wir überprüfen, ob der Dunkler Button gedrückt wurde und ob der minimale Wert nicht erreich ist

if (digitalRead(pinDunkler) == LOW && helligkeit != 0)

{

helligkeit = helligkeit - 1; //Wir senken die gewünschte Helligkeit

analogWrite(ledPin, helligkeit); //Wir dimmen die LED

}

// Wir überprüfen, ob der Heller Button gedrückt wurde und ob der maximale Wert nicht erreicht ist

if (digitalRead(pinHeller) == LOW && helligkeit != 255)

{

helligkeit = helligkeit + 1; //Wir erhöhen die gewünschte Helligkeit

analogWrite(ledPin, helligkeit); //Wir dimmen die LED

}

//Wir warten eine gewissen Zeit ab, um einen Einfluss auf die Empfindlichkeit zu haben

delay(empfindlichkeit);

}

Interessante Links und Credits

Es hat mir sehr viel Spaß gemacht dieses Tutorial zu verfassen. Wenn es euch gefallen hat oder es zu mindestens nützlich fandet, würde ich mich über einen Kommentar sehr freuen.

Nützliche Links

https://playground.arduino.cc/Main/ArduinoPinCurrentLimitations

https://www.mymakerstuff.de/2016/03/22/arduino-tutorium-kapitel-6-einen-taster-ohne-widerst%C3%A4nde-benutzen/

Tutorial | Arduino Nano PWM richtig benutzen

Grundlagen der Pulse Width Modulation (PWM)

Analoge Spannungen mit dem Arduino ausgeben

Maximale Belastung der PWM-Pins

Beispiel – LED-Dimmen mit der PWM Funktion

Interessante Links und Credits

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