推動CDIO創新教學計算機程式語言 / 電子電路學

MATLAB for Arduino

Support Package 範例

1

Arduino/電阻/麵包板/LED/電壓量測簡介範例

Arduino 簡介

【LazyTomato】Arduino #1 - Arduino 到底是什麼？

2

電路板(麵包板)

【LazyTomato】Arduino #5 - 麵包板是什麼？好吃嗎？

3http://www.codedata.com.tw/java/java-embedded-6-raspberry-pi-gpio/

整行連通(視為同一接點)

整列連通(視為同一接點)

5 色環電阻(Arduino初學者套件搭配的電阻)

4

https://www.digikey.tw/zh/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-resistor-color-code-5-band

LED簡介

LED的啟動電壓各不同，紅光約2點多伏特，白光約3點多伏特。

電阻的功能是限制電流以保護LED，避免 LED 燒毀。

為什麼LED連接時一定要串接一顆電阻？

【LazyTomato】Arduino #6 - LED 與電阻的必學之術！

Arduino小知識：為什麼LED需要串聯的電阻值是220 ohm？

5

LED 電路

這只是簡單的 LED 電路，透過Arduino 來供給電源，正極接在Arduino 的5V腳位，負極接在GND(ground)腳位，完成接線後 LED 就會亮起

6

220Ω(5色環)

5mm高亮LED

白發藍光

電路中的電流值為何 ?

LED 壓降 ?

220Ω電阻壓降 ?

7

V = I R

電壓(V伏特) 電流(mA毫安培) 電阻(Ω歐姆)

5 ?? 220

5V

220Ω

Arduino小知識：為什麼LED需要串聯的電阻值是220 ohm？

可利用Arduino來量測220Ω電阻端點電壓值後，計算電路中的電流與LED壓降

將LED負極連接至類比A0腳位，使用Arduino讀取電阻兩端的壓降值

8

220Ω

量測220Ω電阻兩端壓降

LED - Arduino接線線路

9

開始來寫個簡單的程式吧!

開啟MATLAB，將Arduino連接至電腦USB連接埠

命令視窗中(Command Window)會顯示Arduino Uno detected

命令視窗中同時敘述，MATLAB可使用MATLAB Support

Package for Arduino Hardware(MSPAH)或是Simulink Support

Package for Arduino Hardware(SSPAH)支援Arduino硬體

MSPAH是使用Script file(序列式程式)/SSPAH則是使用Block(圖形化程式)與Arduino搭配使用

點選 examples and other documentation接至MSPAH的Documentation頁面

10

可從Documentation中提供的說明內容，開始學習MATLAB

與Arduino的結合應用

點選 function，查閱MSPAH中的函示指令與功能

11

點選任一指令，查閱指令使用與設定方式，可參閱指令說明中提供的範例程式

再回到前一頁，點選examples

12

點選examples，進入範例程式頁面

13

選擇第一個範例資料夾

14

可以從這一個範例開始學習MATLAB與Arduino的應用

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好，現在回到量測電壓值的範例

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首先，因為是第一次使用Arduino板，所以先在命令視窗中鍵入以下的指令，連結MATLAB與Arduino ，完成後會顯示Arduino的相關訊息諸如板的形號/連接埠/

可用腳位/函式庫等資訊

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>> a_board = arduino()

連接埠: COM3

板型: UNO

arduino(argument引數) : Connect to Arduino hardware

以上指令的目的是在建構MATLAB與Arduino的連結(溝通管道)

如果只接一個Arduino板，使用

如果接一個以上Arduino板，必須指定連接埠位置，以區隔不同的Arduino板，使用

如果還要指定特定的函式庫(Library)，則需使用

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a_board = arduino();

a_board = arduino(port,board);

a_board = arduino(port,board,Name,Value);

例如: a_board =

arduino('COM3','Uno','Libraries',{'Servo','ShiftRegister'};

例如: a_board = arduino('COM3','Uno');

a_board是使用者自訂的變數名稱，利用a_board = arduino()程式碼，將Arduino板這個物件的內容“指派”給a_board ，在程式碼中就可使用a_board代替Arduino板

readVoltage(argument引數): Read Arduino analog pin voltage

讀取Arduino板上類比腳位(analog pin)的電壓值

V_measured = readVoltage(a_board, pin)

V_measured是使用者自訂的變數名稱，利用a_board = readVoltage()程式碼，讀取連接至Arduino板上類比腳位(在此為A0)電壓值

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例如: V_measured = readVoltage(a_board,'A0');

在這個範例中，還需用到另一個指令 readVoltage()用以讀取電路中的電壓值

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讀取220Ω電阻(A0腳位)電壓值範例程式

clear; clc;

a_board = arduino(); %指派Arduino板代號為a_board

tic % 計時器起始 終止為toc

while toc < 5 %時間小於5秒時,執行while迴圈V_measured = readVoltage(a_board, 'A0');

disp(['電阻壓降 = ', num2str(V_measured), ' V']);

pause(0.1);

end

tic and toc functions work together to measure elapsed timetic : Start a stopwatch timer.toc : Read the stopwatch timer.

執行結果

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220Ω電阻壓降量測值約為 2.0 V

推測LED 驅動電壓約為 5 - 2 3 V

根據歐姆定律 V = IR 電流 2.0/220 = 0.009 A = 9 m

A

22

現在將上述資訊編寫為程式碼置入程式中.

clear; clc;

a_board = arduino(); %指派Arduino板代號為a_board

tic % 計時器起始 終止為toc

R = 220; %電阻值V = 5; %電源供應電壓while toc < 5 %時間小於5秒時,執行while迴圈

V_measured = readVoltage(a_board, 'A0');

disp(['電阻壓降 = ', num2str(V_measured), ' V']);

I = V_measured / R; %電流值計算disp(['電路電流 = ', num2str(I), ' A']);

V_Forward_LED = V - V_measured; %LED驅動電壓disp(['LED驅動電壓= ', num2str(V_Forward_LED),' V']);

pause(0.1);

end

執行結果

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試看看電阻串/並聯，觀察一下LED亮度變化.

繪出220Ω電阻壓降 vs. 時間圖

24

clear; clc;

a_board = arduino(); %指派Arduino板代號為a_board

tic % 計時器起始 終止為toc

R = 220; %電阻值V = 5; %電源供應電壓t_no = 1; % 計數器-使用計數器建立 t(t_no)/V_measured(t_no)/I(t_no)陣列while toc < 5 %時間小於5秒時,執行while迴圈

t(t_no) = toc; %記錄每一時取點時間V_measured(t_no) = readVoltage(a_board, 'A0');%每一取點時間220Ω壓降disp(['電阻壓降 = ', num2str(V_measured(t_no)),' V']);

I(t_no) = V_measured(t_no) / R; %每一取點時間電流disp(['電路電流 = ', num2str(I(t_no)),' A']);

V_Forward_LED(t_no) = V - V_measured(t_no); %每一取點時間驅動電壓disp(['LED驅動電壓= ', num2str(V_Forward_LED(t_no)),' V']);

plot(t(1:t_no),V_measured(1:t_no),'-o',...

'MarkerSize',3,...

'MarkerEdgeColor','r',...

'MarkerFaceColor','g');

xlabel('t');

ylabel('電阻壓降 V')

title('220\Omega電阻壓降 vs. time')

pause(0.1);

t_no = t_no + 1; %計數器加1作為下一時取點的陣列引數end

執行結果

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圖利用tic/toc 與axis()產生 x軸動畫效果

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clear; clc;

a_board = arduino(); %指派Arduino板代號為a_board

tic % 計時器起始 終止為toc

R = 220; %電阻值V = 5; %電源供應電壓t_no = 1; % 計數器-作為陣列索引,建立t(t_no)/V_measured(t_no)/I(t_no)陣列while toc < 20 %時間小於20秒時,執行while迴圈

t(t_no) = toc; %記錄每一時取點時間V_measured(t_no) = readVoltage(a_board, 'A0');%每一取點時間220Ω壓降disp(['電阻壓降 = ', num2str(V_measured(t_no)),' V']);

I(t_no) = V_measured(t_no) / R; %每一取點時間電流disp(['電路電流 = ', num2str(I(t_no)),' A']);

V_Forward_LED(t_no) = V - V_measured(t_no); %每一取點時間驅動電壓disp(['LED驅動電壓= ', num2str(V_Forward_LED(t_no)),' V']);

plot(t(1:t_no),V_measured(1:t_no),'-o',...

'MarkerSize',3,...

'MarkerEdgeColor','r',...

'MarkerFaceColor','g');

xlabel('t');ylabel('電阻壓降 V')

title('220\Omega電阻壓降 vs. time')

axis([max(0,toc-1), toc+0.2, -inf,inf]);%動態更改x軸繪圖範圍-時間軸動畫效果

pause(0.1);

t_no = t_no + 1; %計數器加1作為下一時取點的陣列引數end

執行結果

27

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LED 範例

亮暗

閃爍

明亮度調整

前面的範例介紹給各位如何從Arduino板上的類比接腳(Analog pin : A0~A5)讀取量測電路中的資訊 –這通常可視為系統的輸入訊號(Input)，使用者可依這輸入訊號來決定並調整輸出訊號(Output)以達成使用者設定的系統功能

接下來要介紹給各位的是如何利用Arduino板上的數位接腳(Digital pin :D0~D13) 傳輸訊號，以達成元件控制的目的

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LED 亮與暗 / 閃爍 / 明亮度變化調整範例

在這個範例中，可使用以下幾個指令來調控輸出的電壓值

writeDigitalPin(argument引數): Write to digital pin on Arduino hardware，傳輸設定的訊號至Arduino板的數位接腳

writeDigitalPin(a, pin, value)

a : Arduino板的程式碼代號

pin : 連接至電路中的數位接腳

Value : 輸入值為 0(false) or 1(true)，0代表低電位/ 1代表高電位，Arduino板的電壓值0~5V ， Value = 0代表輸出0V，Value = 1代表輸出5V

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範例:

writeDigitalPin(a_board,'D11',1);

表示在名為a_board的Arduino板上的D11腳位給予5V的電壓

1可用true / 0可用false代替，上述程式碼可改為:

writeDigitalPin(a_board,'D11',true);

writeDigitalPin()指令只能給予5V(Value = 1)與0V(Value

= 0)，即開與關的選擇，至於介於0~5V間的電壓輸出則需使用writePWMDutyCycle()，脈衝寬度調變 (PWM)

的原理說明請參閱:

[Arduino] 脈衝寬度調變 (PWM) 與Arduino

31

writePWMDutyCycle(argument引數): Set digital pin PWM duty cycle，傳輸設定的訊號(PWM:0~1)至Arduino板的數位接腳

writePWMDutyCycle(a, pin, dutyCycle)

a : Arduino板的程式碼代號

pin : 連接至電路中的PWM數位接腳

dutyCycle : 輸入值介於為 0 ~ 1，同樣的0代表低電位/ 1代表高電位，Arduino板的電壓值0~5V ， dutyCycle = 0代表輸出0V，dutyCycle= 1代表輸出5V，如果dutyCycle = 0.5表示其相對電壓輸出= 5V0.5 = 2.5V

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範例:

writePWMDutyCycle(a_board,'D11',0.5);

表示在名為a_board的Arduino板上的D11數位腳位(PWM)給予5V0.5=2.5V的電壓

此外，MATLAB亦提供writePWMVoltage()指令，使用者可直接輸入0~5V電壓值:

writePWMVoltage(argument引數): Write digital pin PWM voltage value，傳輸設定的訊號(0~5V電壓值)至Arduino板的數位接腳

writePWMVoltage(a, pin, voltage)

a : Arduino板的程式碼代號

pin : 連接至電路中的PWM數位接腳

voltage : 輸入值介於為 0 ~ 5V

33

範例:

writePWMVoltage(a_board,'D11',3.5);

表示在名為a_board的Arduino板上的D11數位腳位(PWM)給予3.5V的電壓

再來寫幾個簡單的程式吧!

LED 亮與暗範例

將 LED 正極接在Arduino 的D11腳位，負極接在GND(ground)腳位

34

220Ω

Arduino接線線路

35

LED 亮/暗範例程式

也可將使用writePWMVoltage()達一樣效果

36

clear; clc;

a_board = arduino(); %指派Arduino板代號為a_board

writeDigitalPin(a_board,'D11',1); %輸出5V,亮pause(2);

writeDigitalPin(a_board,'D11',0); %輸出0V,暗pause(2);

利用之前學過的readVoltage()讀取LED正極電位，看看是 ? V

clear; clc;

a_board = arduino(); %指派Arduino板代號為a_board

writePWMVoltage(a_board,'D11',5); %輸出5V,亮pause(2);

writePWMVoltage(a_board,'D11',0); %輸出0V,暗pause(2);

將LED正極連接至類比A0腳位，使用Arduino讀取電阻兩端的壓降值

37

220Ω

量測兩端壓降

Arduino接線線路

38

LED 亮/暗 + 讀取電壓值資訊範例程式

39

clear; clc;

a_board = arduino(); %指派Arduino板代號為a_board

writeDigitalPin(a_board,'D11',1); %輸出5V,亮V_m = readVoltage(a_board,'A0'); %A0腳位電壓disp(['電路電壓 = ', num2str(V_m), ' V']);

pause(2);

writeDigitalPin(a_board,'D11',0); %輸出0V,暗V_m = readVoltage(a_board, 'A0'); %A0腳位電壓disp(['電路電壓 = ', num2str(V_m), ' V']);

pause(2);

執行結果

40

以上程式碼只執行一次加上While 迴圈後就變成LED閃爍的程式了

LED 閃爍範例程式(while 迴圈)

41

clear; clc;

a_board = arduino(); %指派Arduino板代號為a_board

tic % 計時器起始 終止為toc

while toc < 20 %時間小於20秒時,執行while迴圈writeDigitalPin(a_board,'D11',1); %輸出5V,亮V_m = readVoltage(a_board,'A0'); %A0腳位電壓disp(['電路電壓 = ', num2str(V_m), ' V']);

pause(1);

writeDigitalPin(a_board,'D11',0); %輸出0V,暗V_m = readVoltage(a_board, 'A0'); %A0腳位電壓disp(['電路電壓 = ', num2str(V_m), ' V']);

pause(1);

end

以上程式碼執行一次，LED會亮/暗一次，因有2次暫停1秒，如果連續執行，就變成LED每2秒會閃爍一次

執行結果

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LED 明亮度變化調整範例

接下來利用writePWMDutyCycle(a, pin, dutyCycle) 與writePWMVoltage(a, pin, voltage)兩個指令進行LED明亮度變化調整

writePWMDutyCycle(a, pin, dutyCycle)指令引數dutyCycle的值介於0~1(0→0V / 1→5V )，我們可以利用linspace()指令將0~1區隔為數等份代表不同大小的輸入電壓，再利用for迴圈依順序執行就可達到LED明亮度變化效果

43

no = 30;

LED_br = linspace(1,0,no);%1~0間取no點,第1點1,最後一點0

%此for迴圈使LED由亮暗for i = 1 : no

%輸出LED_br(i)電壓writePWMDutyCycle(a_board,'D11',LED_br(i));

pause(0.1);

end

若要使LED由亮→暗後，再由暗→亮，其程式碼編可寫如下

44

no = 30;

LED_br = linspace(0,1,no);%1~0間取no點,第1點1,最後一點0

%此for迴圈使LED由亮→暗for i = 1 : no

%輸出LED_br(i)電壓writePWMDutyCycle(a_board,'D11',LED_br(i));

pause(0.1);

end

%此for迴圈使LED由暗→亮for i = 1 : no

%輸出LED_br(i)電壓writePWMDutyCycle(a_board,'D11',1-LED_br(i));

pause(0.1);

end

以上程式碼執加上while迴圈就完成了

LED明亮度變化調整範例程式writePWMDutyCycle()

45

clear; clc;

a_board = arduino(); %指派Arduino板代號為a_board

no = 30;

LED_br = linspace(0,1,no);%1~0間取no點,第1點1,最後一點0

tic % 計時器起始 終止為toc

while toc < 30 %時間小於30秒時,執行while迴圈%此for迴圈使LED由亮→暗for i = 1 : no

%輸出LED_br(i)電壓writePWMDutyCycle(a_board,'D11',LED_br(i));

pause(0.1);

end

%此for迴圈使LED由暗→亮for i = 1 : no

%輸出LED_br(i)電壓writePWMDutyCycle(a_board,'D11',1-LED_br(i));

pause(0.1);

end

end

執行結果

46

writePWMVoltage(a, pin, voltage)指令引數voltage的值介

於0~5，如同writePWMDutyCycle()，可以利用linspace()指令將0~5區隔為數等份代表不同大小的輸入電壓，再利用for迴圈依順序執行就可達到LED明亮度變化效果

47

no = 30;

LED_br = linspace(5,0,no);%5~0間取no點,第1點5,最後一點0

%此for迴圈使LED由亮暗for i = 1 : no

%輸出LED_br(i)電壓writePWMVoltage(a_board,'D11',LED_br(i));

pause(0.1);

end

LED明亮度變化調整範例程式writePWMVoltage()

48

clear; clc;

a_board = arduino(); %指派Arduino板代號為a_board

no = 30;

LED_br = linspace(5,0,no);%5~0間取no點,第1點5,最後一點0

tic % 計時器起始 終止為toc

while toc < 30 %時間小於30秒時,執行while迴圈%此for迴圈使LED由亮→暗for i = 1 : no

%輸出LED_br(i)電壓writePWMVoltage(a_board,'D11',LED_br(i));

pause(0.1);

end

%此for迴圈使LED由暗→亮for i = 1 : no

%輸出LED_br(i)電壓writePWMVoltage(a_board,'D11',5-LED_br(i));

pause(0.1);

end

end

以上為LED相關的程式範例，先暖暖身，之後再介紹光敏電阻/熱敏電阻以及馬達控制板Motor shield v2(搭配直流馬達/伺服馬達/步進馬達)等應用範例

49