Lettura di un segnale analogico (lezione 4)

Introduzione

I fenomeni  fisici, in natura,  hanno quasi sempre un comportamento analogico, se noi consideriamo, per esempio, le variazioni della temperatura terrestre, la pressione atmosferica, la velocità del vento  e così via, lascio a voi altri esempi, queste grandezze variano in modo continuo e per essere trattate, elaborate,  da un dispositivo, come un microcontrollore, è necessario che esse siano convertite in forma digitale.

Il processo di conversione  di un segnale analogico in forma digitale  richiede l’utilizzo di un  dispositivo ADC (Analog to Digital Converter). 

Nella stragrande maggioranza  dei casi, i microcontrollori,  internamente, sono dotati di almeno un ADC, nel nostro caso, il microcontrollore di Arduino Uno, ATMEGA328, è equipaggiato con ben sei  ADC, vista l’importanza di questo tipo di periferica, Microchip, azienda produttrice del suddetto microcontrollore, non ha lesinato con il numero di periferiche.

Nell’articolo che seguirà, approfondiremo i seguenti argomenti:

• Come gestire con Arduino la conversione e la lettura di un segnale analogico
• Come gestire, attivare e leggere la porta seriale di Arduino

Approfondimenti   ADC (Analog to Digital Converter)

La decodifica  di un segnale analogico nella forma digitale avviene tramite dei livelli di quantizzazione, cioè, l’intervallo di tensione  su cui deve operare il nostro dispositivo, è suddiviso in intervalli costanti e  in questo caso  parliamo di quantizzazione uniforme (sarà discussione di un altro articolo l’approfondimento di altre tipologie di quantizzazione).

Il processo di conversione da  analogico a digitale  implica  un errore di  approssimazione, infatti, se il valore di tensione che deve essere convertito cade tra due livelli di quantizzazione, bisogna decidere  a quale livello deve essere associato e la differenza tra il livello di quantizzazione associato e valore vero, corrisponde all’errore di approssimazione del sistema.

L’errore massimo si ottiene quando il valore da  convertire cade proprio a metà tra i due livelli di quantizzazione.

Facciamo un esempio per chiarire il concetto del processo di quantizzazione, l’ADC del microcontrollore ATmega328, ha una risoluzione di 10 bit, questo equivale a dire che abbiamo 2¹⁰ = 1024 combinazioni decifrabili, pertanto, se dobbiamo campionare un segnale analogico  compreso nell’intervallo di tensione 0-5V, poiché, la tensione può assumere qualsiasi valore, in questo intervallo, ci sono infinite possibili combinazioni,  ma il nostro ADC ha la possibilità di decodificare “solo” 1024 combinazioni.

La quantizzazione uniforme prevede la suddivisione, dell’intervallo di tensione, per il numero di combinazioni che l’ADC può discriminare:

5/1023= 4,88 10^-3 V

Abbiamo diviso per 1023, poiche’ bisogna discriminare anche il valore zero.

L’intervallo di tensione dei livelli di quantizzazione è di  4,88 mV, nella Figura 1, è riportato un grafico sul processo di quantizzazione uniforme, ad ogni intervallo di tensione d’ingresso all’ADC, è associato un livello di decodifica, che per semplicita’ abbiamo inserito solo 8 livelli.

Con Vcon indica la tensione d’ingresso che deve essere convertita compresa tra due livelli di codifica (100 e 101), pertanto il sistema deve effettuare una approssimazione per difetto o eccesso.

Gli ingressi,  in cui sono stati associati gli ADC sono contrassegnati sulla serigrafia della scheda con i simboli da A0 a A5 , come possiamo osservare dalla seguente Figura 2:

Leggere la tensione ai capi di un potenziometro

A titolo d’esempio, in questo articolo didattico, leggeremo la tensione ai capi di un potenziometro, tramite l’ADC  integrato nel microcontrollore ATmega328, montato sulla scheda di Arduino Uno.

Il potenziometro ha tre terminali, e deve essere collegato come nella Figura 3.

A differenza del resistore che ha un valore di  resistenza costante,  il  potenziometro, grazie ad una manopola o vite, presente al centro  del dispositivo (vedi Figura 4), il valore di resistenza presente tra  uno dei due terminali laterali e quello centrale può essere variato.

Se applichiamo una  tensione ai due terminali esterni, al variare  della rotazione della manopola,  sia ha una variazione della tensione d’uscita sul terminale centrale.

Con  il sistema appena descritto, possiamo variare la tensione all’ingresso dell’ADC e stampare, sul terminale del PC, il valore  di tensione analogico letto.

// Sketch per la lettura dell'uscita di un potenziometro 

const int POT=0; // Ingresso del potenziometro A0
int val = 0; Variabile dove e' memorizzato la lettura del segnale analogico
int Vpot = 0; Variabile  dove e' memorizzatala conversione in tensione del valore digitale
void setup()
{
    Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
    val = analogRead(POT);
    Serial.println(val);
    delay(500);
    Vpot = (5/1023) * val
    Serial.println(Vpot);
    delay(500);
}

Per leggere e convertire il segnale analogico usiamo la funzione analogRead(), tra le parentesi deve essere inserito il numero del pin , in cui è presente l’ADC ed è collegata l’uscita del potenziometro.

 Analizziamo nel dettaglio il codice, svolge due principali azioni:

• Legge il segnale analogico
• Stampa sul terminale il valore analogico letto

Nel setup()  la funzione Serial.begin() configura la seriale e tra le parentesi deve essere inserito il valore del Baud  Rate (velocità di trasmissione dei dati) che non può essere scelto a piacere, ma deve essere  selezionato tra i valori indicati nella tabella:

• val = analogRead(POT);

Legge il valore  di tensione convertito e lo inserisce nella variabile “val”

• Serial.println(val);

Stampa sul  terminale il valore della variabile “val”

• delay(500);

Ad ogni lettura ho inserito un ritardo di 500 ms per evitare letture troppo rapide.

I valori letti da Arduino sono compresi tra 0 e 1023, come abbiamo descritto in precedenza. Se ad ogni codice digitale letto volessimo associare un valore  analogico di tensione, possiamo usare la seguente equazione:

• V_pot = (5/1023) * val;