第3章 简单项目：输入和输出
本章涵盖的内容
- 着眼于模拟世界
-
读取一个模拟输入 -
使用扬声器发声 -
搭建一架五声音阶电子琴
在前一章中，我们了解了Arduino数字化的一面，循序渐进地搭建了一系列项目，展示了Arduino的输入、输出和中断等特性。在本章，我们将着眼于Arduino的另一面，看看它如何与我们周围的世界交流。
基本上，我们周边的世界可以分成两部分——模拟和数字——在这一章我们将研究与模拟世界的交互。让我们再从一个简单的元件开始，电位器，它可以为Arduino提供模拟量的输入。接下来，我们要尝试添加一个传感器——压电换能器，它既可以提供模拟输入，也可以进行模拟输出。我们接下来会再添加4个压电换能器和一个小型扬声器来制作一架五声音阶电子琴。
以下是完成本章所需的元件：
- 1片Arduino板卡
- 1块面包板和一些跳线
- 1个小型电位器（最好用微调型电位器，因为它很容易插进面包板）
- 5个稳压二极管，0.5 W 5.1 V（我们使用的是BZX55C5V）
- 5个带线的无外壳的压电换能器（敲击传感器）。
- 5个1 MΩ（100万欧姆）电阻。
- 1个1 kΩ电阻。
- 1个8Ω的小型扬声器。
下面让我们开始学习模拟电路的基础知识吧。
3.1 认识模拟电路
在前一章中，已尝试使用了可以闭合和断开的按键，但如果你想测定一个模拟量的输入，比如一张照片或者一个力敏电阻，那又该怎么办呢？如果Arduino是一个纯数字的设备，那你将无法测定这些量，这也就限定了你所能制作的作品的范围。幸运的是，Arduino也已经具备了与模拟世界交互的能力。
Arduino可以调节一个LED的亮度，却不改变施加在LED上的电压，这是利用了一种专门的技术，称为脉冲宽度调制（PWM），或者简称脉宽调制（后面会详细讲解）。除了可以利用脉宽调制进行模拟输出以外，Arduino还可以接受0～5 V的模拟输入。
标准的Arduino有6个模拟输入引脚，标注为ANALOG IN A0、A1、A2、A3、A4、A5；另外，还有6个模拟输出引脚。
在本章，我们将集中精力讲解analogRead函数，而analogWrite函数我们留到以后的章节再讲解。
让我们来了解一下数字设备和模拟设备有什么区别吧。
3.1.1 模拟和数字有什么区别
那模拟世界与数字世界的区别是什么呢？在数字世界中，所有的事物都只有两个状态，开关只能是开或关，LED只能是亮或灭，你要么是醒着的，要么是睡着的。这些状态可以用多种方式表示，0或1，开或关，高或低。Arduino的数字引脚也以与之相同的方式工作，当设置为输出时，它们要么输出0 V，要么输出5 V，0 V就是逻辑零，5 V就是逻辑一。在模拟世界中，事物都有很多种取值。音乐中的音符涵盖了很多个频率，汽车加速的过程达到了很多个速度，一束正弦波在最大最小值之间平滑过渡，温度在最大最小值之间连续变化。
我们时常想要探索模拟的世界，Arduino有6个模拟输入引脚可以帮我们完成这个愿望。但Arduino仍然是一个数字设备，所以你需要一种方法，将输入的信号转换为数字表示。这项工作是由模数转换器（analog-to-digital convertor，ADC）完成的。表3-1列出了Arduino和Arduino Mega中模拟输入和模拟输出引脚的分辨率、电压范围和引脚编号。
在下一节中，要用电位器来提供一个手动可调的模拟输入，你可以通过串口监视器的显示，即时地观察到这些改变带来的效果。
3.1.2 读取电位器
为了观察Arduino的模拟输入功能是如何工作的，使用一个电位器是最简单的方法。电位器有各种不同的形状和尺寸，如图3-1所示，它们广泛应用于我们身边的各种设备中。如果你拥有一套带有音量旋钮的立体声音响，那它的音量调节很可能就是基于对一个电位器的旋转实现的。其他的例子包括使用电位器控制灯光的亮度，控制电炉或其他电热炊具的温度等。无论电位器的形状和尺寸如何，都可以通过某种方法改变它的电阻，无论是以线性方式还是以对数方式。
大多数电位器有3个引脚，中间的那个通常称为滑片，它通过移动接触器在一个固定电阻上的位置来改变电阻。对于本章，你需要一个电阻线性可调的电位器，而且要方便插接到面包板上，微调型电位器通常是一个理想的选择。
图3-2给出了电位器的电路符号。中部的箭头，也就是滑片，叠加在标准的电阻符号之上，用来表示这个电阻是可变的。
下面让我们动手将一个电位器连接到Arduino上。
3.1.3 连接硬件
现在你已经知道要用哪一种电位器了，让我们将它安装好吧。电路图如图3-3所示，电位器标记为R1，连接在5 V和地（GND）之间，滑片连接到模拟输入引脚A0。当你顺时针或逆时针旋转电位器的时候，就会将A0的电压在0～5 V之间调节。
将电位器插接到面包板上。中间的引脚通常是滑片，也就是你要连接到模拟输入端A0的引脚。组装完成后的电路如图3-4所示。
图3-4所示的电位器没有旋转柄，但可以插入一个微调工具来转动。如果没有电位器微调工具，你可以使用一个小型的一字型螺丝刀代替。
电位器连接好后，就可以开始写程序来读取它的数值了。
3.1.4 读取电位器的程序
下列代码清单给出了用于读取A0模拟引脚上0～5 V模拟数值的程序。
代码清单3-1 读取电位器
你并不需要在初始化函数中将sensotPin配置为输入，因为所有的模拟输入引脚已经默认配置成了输入。变量sensorValue存储了由analogRead函数读取到的数值，这个数值在0～1 023（含）之间，0表示0 V，1 023表示5 V。
两次读取之间10 ms的延时使得Arduino的模数转换器有时间来稳定并捕获到一个准确的数值。在Serial.println(sensorValue, DEC);这一行中的DEC指示println以十进制方式输出数据。其他的选项还包括HEX（十六进制）、BIN（二进制）和OCT（八进制）。
3.1.5 烧写和测试
将程序输入IDE之后，校验使之通过编译，然后将Arduino连接到你的计算机并将程序写入其中。打开IDE中的串口监视器，然后从头到尾地顺时针和逆时针旋转电位器。你应该可以看到串口监视器输出的数值随电位器的旋转而改变。示例输出如图3-5所示。
你现在知道了如何将一个值读入一个模拟输入引脚。下一节中，你要将Arduino连接到一个压电换能器。为此，你需要一些额外的元件，因为压电换能器可以产生非常高的电压，这可能会损坏Arduino。
