Analoge Signale messen

Mit einem Analog Digital Wandler (ADC) können wir analoge Signale messen. Ein ADC wandelt eine analoge Spannung in einen digitalen Wert um, den wir in unserem Programm weiterverarbeiten können. Dies ist besonders nützlich, wenn wir Sensoren verwenden, die analoge Signale ausgeben, wie zum Beispiel ein Potentiometer oder analoger Distanzsensor.

Analog Digital Wandler

Zuerst müssen wir die Klasse ADC aus dem Modul machine importieren.

main.py

from machine import ADC

Der Konstruktor benötigt nur die Pin nummer.

main.py

from machine import ADC
adc = ADC(32)

Achtung

Nicht jeder beliebige Pin kann als ADC verwendet werden. Welche Pins als ADC genutzt werden können steht im Pinout oder im Datenblatt des entprechenden Microcontrollers.

Der ADC bietet uns zwei verschieden Methoden um den aktuellen Wert am Pin zu lesen.

Variante 1

main.py

  from machine import ADC
  adc = ADC(32)
  value = adc.read_u16()

read_u16() gibt einen Wert zwischen 0 und 65535 zurück, welcher die gemessene Spannung repräsentiert. 0 entspricht dabei 0V und 65535 entspricht der Referenzspannung (typischerweise 1,1V).

Variante 2 (ESP32 only)

Diese Variante funktioniert nur auf dem ESP32.

main.py

    from machine import ADC
    adc = ADC(32)
    microvolts = adc.read_uv()  # Wert in microvolts

read_uv() gibt den gemessenen Wert in Mikrovolt zurück. 1V entspricht also 1.000.000 Mikrovolt.

Achtung

Die interne ADC-Referenzspannung beträgt typischerweise 1,1 V und hat eine minimale Messspannung um 100mV, Spannungen kleiner als dieser Wert werden als 0V gelesen.

Gefahr

Die meisten ADCs haben eine maximale Eingangsspannung, die sie messen können. Das Überschreiten dieser Spannung kann den ADC beschädigen. Es ist wichtig, die Spezifikationen des ADCs zu überprüfen und sicherzustellen, dass die Eingangsspannung innerhalb der zulässigen Grenzen liegt.

Aufgabe: Poti als analoger Sensor

Ein Potentiometer wirkt wie ein verstellbarer Spannungsteiler, der die Spannung zwischen GND und VCC in Abhängigkeit von der Position des Schleifkontakts teilt. Durch Drehen des Potentiometers kann die Ausgangsspannung stufenlos verändert und an verschiedene Anforderungen angepasst werden

1. Bauen Sie folgende Schaltung auf. (R=220Ω) Hinweis: Aufbau in Wokwi oder Hardware möglich.

   Start Lab in Wokwi

2. Drehen Sie am Potentiometer und beobachten Sie die Werte welche über die serielle Konsole ausgegeben werden.

   • Alle Werte liegen zwischen 0 und 65535.

3. Verändern Sie das Program so, dass die LED über den Poti ein und aus geschaltet werden kann. Die Grenze soll genau in der Mitte des Wertebereichs liegen.

   • Scheint zu funktionieren.
   Mögliche Lösung

   main.py

   from machine import ADC, Pin
   
   poti = ADC(32)
   led = Pin(27, Pin.OUT)
   
   while True:
       value = poti.read_u16()
       # Hälfte von 2¹⁶ = 32768
       if value > 32768:
           led.on()
       else:
           led.off()

Messbereich ➜ Steuerungsbereich

Ein häufiges Problem im Zusammenhang mit dem Einlesen analoger Werte ist das Umrechnen dieser Werte in einen anderen Wertebereich. Als Beispiel soll mit einem Potentiometer eine LED gedimmt werden. Wir haben nun gesehen, dass wir Werte zwischen 0 und einlesen können. Zum Dimmen der LED benötigen wir nun einen Wertebereich zwischen 0 und 255.

Der gewünschte Wertebereich hat also 256 Schritte. Wir müssen nun also den ursprünglichen Bereich in 256 Schritte unterteilen.

Ursprungsbereich	Zielbereich
0 - 255	0
256 - 512	1
513 - 768	2
…	…
65024 - 65279	254
65280 - 65535	255

Foglende Formel kann für die Umrechnung genutzt werden:

Dabei ist der Ursprungsbereich und der Zielwertebereich. rehy

Schritt für Schritt Erklärung

1. Normalisierung auf den Bereich

   Hier wird der Eingabewert relativ zu seinem Ursprungsbereich skaliert.

2. Skalierung auf den Zielbereich:

   Das Ergebnis der Normalisierung wird mit der Größe des Zielbereichs multipliziert.

3. Verschiebung in den Zielbereich:

   Schließlich wird das Ergebnis an den Startpunkt (min_out) des Zielbereichs angepasst.

Implementierung der Funktion map

Folgende Implementierung der Funktion map setzt die oben beschriebene Formel um:

def map(value, min_in, max_in, min_out, max_out):
    if min_in == max_in:
        raise ValueError("Der Eingabebereich darf nicht null sein.")
    return (value - min_in)/(max_in - min_in) * (max_out - min_out) + min_out

Tipp

Diese Funktion gibt einen float-Wert zurück. Oft brauchen wir jedoch nur den ganzzahligen Anteil (int) zum weiterrechnen. Dies können Sie zum Beispiel durch eine Typumwandlung int(output) oder eine Integer Division output//1 erreichen.

• Habe die Implementierung der Funktion map ausprobiert.

Kontrollfragen

Teste dein Wissen:

1. Welchen maximalen Wert kann read_u16() zurückgeben?

1. 65535
2. 65536
3. 65537

Absenden

1. Welchen Wert gibt map(32768, 0, 65535, 0, 255) zurück?

1. 127
2. 127.5
3. 128

Absenden

1. Ein analoger Sensor liefert Werte zwischen 1V und 3V. Welcher minimale Wert wird von read_u16() zurückgegeben, wenn die Referenzspannung 3.3V beträgt?

1. 9930
2. 16384
3. 19805

Absenden

Ressources

Micropython Documentation zur ADC Klasse Offiziele Dokumentation zum Module machine.ADC

Micropython ESP32 Quickref Kurze Übersicht über die Verwendung des ADC auf dem ESP32