Điều chỉnh độ sáng LED

Mục tiêu

Trong bài học trước, chúng ta đã tìm hiểu về đọc tín hiệu Analog từ cảm biến xoay. Ngoài ra, chúng ta cũng có thể xuất ra tín hiệu Analog thay vì chỉ xuất ra tín hiệu bật tắt bằng các trạng thái HIGH và LOW. Một số ví dụ: điều chỉnh độ sáng đèn LED, thay đổi tốc độ quay nhanh hay chậm của động cơ, cho âm thanh của loa to nhỏ theo ý muốn,…

Trong bài học này, chúng ta sẽ sử dụng tín hiệu Analog Output để tăng giảm độ sáng của đèn LED bằng giá trị của cảm biến xoay.

Kiến thức mới: PWM (Pulse Width Modulation)

Trên thực tế, chip điều khiển không thể xuất ra được tín hiệu Analog thật mà chỉ có thể xuất ra tín hiệu HIGH (bật) và LOW (tắt). PWM là một cách thức thông minh mà chip điều khiển dùng để xuất ra tín hiệu Analog. PWM hoạt động như sau:

• PWM chia thời gian thành các chu kỳ ngắn. Tần số (frequency, đơn vị là Hz) là số chu kỳ trong 1 giây.
  • Ví dụ: Giả sử ta chia ra mỗi chu kỳ kéo dài là 0,1 giây (100 mili giây). Khi đó, tần số sẽ bằng:

frequency = 1 / 0,1 = 10 (Hz)

• • Trong trường hợp này, tần số là 10 chu kỳ trong 1 giây (10Hz).
• PWM sẽ bật tắt liên tục trong mỗi chu kỳ này và lặp lại giống nhau ở tất cả các chu kỳ. Độ mạnh yếu của tín hiệu Analog được quyết định bởi tổng số thời gian bật trên tổng thời gian của chu kỳ (gọi là duty cycle).

Ví dụ sau sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn: Cho thời gian một chu kỳ là 100 mili giây, tần số 10Hz:

• Nếu ta muốn đèn LED chỉ sáng 25% so với mức tối đa (mức HIGH) thì PWM sẽ chỉ bật tín hiệu trong suốt 25% thời gian của chu kỳ (25 milli giây) và tắt trong 75% thời gian còn lại.
• Nếu ta muốn đèn LED chỉ sáng 50% thì PWM sẽ bật tín hiệu trong suốt 50% thời gian của chu kỳ (50 mili giây) và tắt trong 50% thời gian còn lại.

Sơ đồ Duty Cycle (thời gian đèn LED sáng)

Để đơn giản hóa, firmware MicroPython của xController cũng đã hỗ trợ sẵn hàm xuất ra giá trị analog ở các chân tín hiệu sử dụng PWM mà không cần quan tâm nhiều đến việc cấu hình các thông số phức tạp như giải thích ở trên. 

Tuy nhiên PWM là một khái niệm khá hay và quan trọng trong lập trình điện tử, các bạn có thể tham khảo thêm về cách làm việc với PWM trong MicroPython ở đây https://docs.micropython.org/en/latest/library/machine.PWM.html.

Thiết bị cần sử dụng

Kết nối phần cứng

Viết chương trình

• Mở phần mềm uPyCraft.
• Tạo một file chương trình mới (File > New) và lưu với tên lesson5.py bằng cách chọn menu File > Save….
• Copy đoạn code sau và chạy chương trình.

while True:
  sensor_value = pin41.read_analog()
  pwm_value = translate(sensor_value, 0, 4095, 0, 1023)
  pin11.write_analog(pwm_value)

Sau khi chạy chương trình, bạn xoay biến trở sẽ thấy sự thay đổi về độ sáng của đèn LED.

Giải thích chương trình

sensor_value = pin41.read_analog()

Đọc giá trị tín hiệu Analog của cảm biến xoay nối với ở chân IO của cổng số 4. và lưu vào biến sensor_value, trả về giá trị kiểu số nằm trong khoảng từ 0 đến 4095.

Tuy nhiên, do hàm xuất tín hiệu analog chỉ nhận giá trị truyền vào từ 0 đến 1023, trong khi cảm biến xoay có giá trị từ 0 đến 4095, nên ta cần sử dụng hàm quy đổi có sẵn trong firmware là translate() sau đây:

pwm_value = translate(sensor_value, 0, 4095, 0, 1023)

Giá trị quy đổi được lưu vào biến tên là pwm_value để sử dụng sau đó.

Hàm translate() có cấu trúc đầy đủ như sau:

translate(value, min_in, max_in, min_out, max_out)

Hàm translate sẽ quy đổi khoảng giá trị ban đầu thành khoảng giá trị khác mà chúng ta cần. Trong đó:

• value  là giá trị cần quy đổi.
• min_in là giá trị nhỏ nhất của khoảng giá trị đầu vào.
• max_in là giá trị lớn nhất của khoảng giá trị đầu vào.
• min_out là giá trị nhỏ nhất của khoảng giá trị đầu ra.
• max_out là giá trị lớn nhất của khoảng giá trị đầu ra.

pin11.write_analog(pwm_value)

Xuất giá trị analog cho chân tín hiệu ở cổng số 4 với giá trị cần xuất ra là kết quả vừa quy đổi ở trên chứa trong biến pwm_value. 

Hàm write_analog() có cú pháp như sau:

pinXY.write_analog(value)

• X Có giá trị từ 1 ~ 6 đại diện PORT 1 đến PORT 6 của xController.
• Y Có giá trị là 1 hoặc 2 tương ứng với 2 đường tín hiệu logic đối với mỗi PORT. Đối với một số module output thì mặc định là 1.
• value Nhận giá trị là 0 ~ 1023 tương ứng mức điện áp 0 ~ 3.3 volt