استفاده از مبدل آنالوگ به دیجیتال در رزبری پای Raspberry Pi

برد رزبری پای Raspberry Pi ارتباط با سنسورها را از طریق پایه های GPIO فراهم می‌کند. رزبری پای در حال حاضر فقط از سنسورهای دیجیتال پشتیبانی کرده و نمی‌توان به صورت مستقیم از سنسورهای آنالوگ دیتا گرفت و استفاده کرد. در این خصوص نیاز به مبدل آنالوگ به دیجیتال جهت برقرای ارتباط سنسورهای آنالوگ با میکروکنترلر رزبری پای خواهیم داشت. در ادامه با مرجع تخصصی رزبری پای Raspberry Pi، دیجی اسپارک همراه باشید.

رزبری پای از سخت افزار مبدل آنالوگ به دیجیتال استفاده نمی‌کند و به همین دلیل امکان اتصال مستقیم ورودی آنالوگ به رزبری پای وجود ندارد. در واقع برد رزبری پای فقط دارای پایه های دیجیتال است که می‌توانید خروجی ها را به ترتیب High و Low کرده و یا ورودی ها را به صورت High و Low بخوانید. جهت برطرف شدن این مشکل و ارتباط با دنیای آنالوگ ها نیاز به مبدل و کانورتر آنالوگ به دیجیتال Analog to Digital خواهیم داشت. با استفاده از مبدل آنالوگ به دیجیتال امکان خواندن مقادیر آنالوگ از وردی فراهم خواهد شد. مبدل های مختلفی بر اساس تعداد پایه ها و تراشه ی استفاده شده جهت تبدیل آنالوگ به دیجیتال تولید شده است.

مبدل آنالوگ به دیجیتال ADS1x15

ماژول مبدل آنالوگ به دیجیتال ADC مدل ADS1115 و ADS1015 در ابعاد بسیار کوچک و راحت برای تست و استفاده طراحی شده است. مبدل ADS1115 ازدقت بالایی بهره می‌برد و به همین دلیل در بسیاری از پروژه ها با اطمینان استفاده می‌شود. دقت اندازه گیری مبدل ۱۶ بیت در ۸۶۰ نمونه در هر ثانیه است که از طریق پروتکل I2C ارتباط برقرار می‌شود. ولتاژ مورد نیاز جهت راه اندازی ماژول بین ۲ تا ۵٫۵ ولت DC و جریان در کمترین زمان مصرف در حدود ۱۵۰ میکرو آمپر می‌باشد. نرخ دقت اندازه گیری مبدل بین  ۸SPS to 860SPS میباشد. همچنین دارای اسیلاتور و PGA یا همان تقویت کننده گین برنامه پذیر programmable-gain amplifier داخلی می‌باشد. دارای رابط I2C با ظرفیت ۷ بیتی با آدرس ۰X48 و ۰X4B است. مبدل ADS1115 دارای ۴ پایه آنالوگ جهت اتصال سنسورهای آنالوگ به مبدل است.  مبدل ADS1x15 4 کاناله است و می‌توانید ۴ سنسور آنالوگ را به آن متصل کرده و مقایر ولتاژ ADC را از هر کانال خوانده و با گین تنظیم کنید.

اتصال بین سنسور آنالوگ و مبدل با رزبری پای

سوال بسیاری از کاربران این است که اتصال سنسور آنالوگ با مبدل ADC و برد رزبری پای Raspberry Pi به چه صورت است؟ همانطور که در معرفی مبدل ADS1115 گفته شد، مبدل از پروتکل I2C جهت ارتباط با میکروکنترلر ها بهره می‌برد. پس جهت برقراری ارتباط و ارسال دیتا از پروتکل I2C استفاده خواهیم کرد. برد رزبری پای Raspberry Pi توسط  پایه های GPIO2 و GPIO3 از پروتکل I2C پشتیبانی کرده و این دو پایه در اخیتار ما قرار گرفته شده است. جهت اتصال سنسورهای آنالوگ به رزبری پای کافیست طبق مراحل زیر پیش روید:

• پایه V مبدل آنالوگ به دیچیتال ADS1115 را به پایه ۵ ولت رزبری پای اتصال دهید.
• پایه G مبدل آنالوگ به دیچیتال ADS1115 را به پایه GND رزبری پای اتصال دهید.
• پایه SCL مبدل آنالوگ به دیچیتال ADS1115 را به پایه GPIO3 رزبری پای اتصال دهید.
• پایه SDA مبدل آنالوگ به دیچیتال ADS1115 را به پایه GPIO2 رزبری پای اتصال دهید.
• پایه های تغذیه سنسور آنالوگ را به برد رزبری پای متصل کنید.
• سپس پایه آنالوگ سنسور را به یکی از پایه های آنالوگ مبدل ADS1115 اتصال دهید.

به همین سادگی ارتباط بین سنسور آنالوگ با برد رزبری پای برقرار شده است.

چه سنسورهایی نیاز به مبدل ADS1115 دارند؟

تمامی سنسورهایی که از رابط آنالوگ استفاده می‌کنند و مقادیر آنالوگ را از ورودی دریافت می‌کنند جهت ارتباط با رزبری پای Raspberry Pi نیاز به مبدل آنالوگ به دیجیتال دارند.

• پتانسیومتر
• ماژول جوی استیک
• سنسور رطوبت خاک
• سنسورهای تشخیص گاز
• سنسور تشخیص آب
• سنسور فتوسل
• سنسورهای شارپ
• و بسیاری دیگر از سنسورهای آنالوگ

نصب کتابخانه ADS1x15

جهت ارتباط با ماژول ADS1115، به کتابخانه Adfruit ADS1X15 نیاز داریم. همانند مراحل زیر کتابخانه را نصب کنید.

sudo apt-get update
sudo apt-get install build-essential python-dev python-smbus git
cd ~
git clone https://github.com/adafruit/Adafruit_Python_ADS1x15.git
cd Adafruit_Python_ADS1x15
sudo python setup.py install

در صورت نصب از طریق پکیج پایتون از کامندهای زیر استفاده کنید.

sudo apt-get update
sudo apt-get install build-essential python-dev python-smbus python-pip
sudo pip install adafruit-ads1x15

در مرحله بعد پس از نصب پکیج، کامند اجرای برنامه Example را وارد کنید:

cd ~/Adafruit_Python_ADS1x15/examples

در ادامه خط آبی رنگ، دستور زیر را وارد نمایید.

nano simpletest.py

با وارد کردن دستور simpletest در ترمینال Termianl پنجره زیر باز می‌شود.

در این تصویر، در صورتیکه از تراشه ADS1115 استفاده می‌کنید، خط  adc = Adafruit_ADS1X15.ADS1115 فاقد کامنت است. در صورتیکه از تراشه ADS1015 استفاده می‌کنید، خط adc = Adafruit_ADS1X15.ADS1015 را از کامنت خارج کرده و برنامه را ادامه دهید. جهت ذخیره تنظیمات ابتد ctrl+o و سپس Enter و در نهایت ctrl+x را تایپ کنید. در مرحله بعد دستور زیر را وارد نمایید تا مقادیر آنالوگ هر کانال نمایش داده شود.

sudo python simpletest.py

مبدل ADS1115، از عدد -۳۲۷۶۸ تا  ۳۲۷۶۷ با توجه به ۱۶ بیتی بودن تراشه مقادیر را دریافت و در این بازه تغییر می‌کند. این عدد برای تراشه ADS1015 بین -۲۰۴۸ تا ۲۰۴۷ می‌باشد. مقدار ۰ نمایشگر رسیدن سیگنال به سطح GND و یا همان صفر است و عدد ۳۲۷۶۷ و یا عدد ۲۰۴۷ برای ADS1015 نمایانگر  بالاترین مقادیر ولتاژ در سطح جریان گین می‌باشد. اعداد منفی در این بازه به معنی خارج شدن از بازه ولتاژ مرجع است. توسط گین Gain میتوانید سیگنال های مختلف ADC را خوانده و حتی ضعیف ترین سیگنال ها را به کمک گین بخوانید. همچنین توسط گین مقادیر دامنه ولتاژی را که از تراشه خوانده می‌شود،کنترل کنید.

• در گین ۱ ولتاژ برابر با  ۴٫۰۹۶ ولت است. این عدد به آن معنا است که تراشه می‌تواند مقادیر را در بازه -۴٫۰۹۶ تا +۴٫۰۹۶ بخواند.

در این صورت می‌توانید گین بالاتری جهت خواندن دقیق فرکانس های ضعیف انتخاب نمایید. انتخاب عدد گین بسیار مهم است و بر اساس ولتاژ مورد نیاز بایستی انتخاب شود.

اتصال پتانسیومتر به ADS1115

جهت خواندن مقادیر ADC از هر کانال می‌توانید از یک پتانسیومتر استفاده کنید. مبدل ADS1115 دارای ۴ کانال A0, A1, A2 و A3 است که با اتصال مقاومت متغیر به هر یک از پایه ها میتوانید مقادیر ولتاژ را در هر لجظه تغییر داده و بخوانید. در این آموزش از ماژول ولوم کشویی دو کاناله استفاده شده است.

• پایه سیگنال یا OTA  ماژول ولوم کشویی را به پایه A0 مبدل ADS1115 اتصال دهید.
• پایه VCC ماژول ولوم کشویی را به پایه ۵ ولت رزبری پای اتصال دهید.
• پایه GND ماژول ولوم کشویی را به پایه GND رزبری پای اتصال دهید.

حال ولوم را تغییر دهید. با توجه به اینکه ولوم به پایه A0 یا همان کانال ۰ متصل شده است، مقادیر ولتاژ ADC از -۳۲۶۷۶ تا + ۳۲۶۷۶ تغییر خواهد کرد. با تغییر اتصال ولوم به کانال های دیگر به ترتیب کانال های ۱, ۲ و ۳ تغییر خواهد کرد.

در آموزش بعدی سنسورهای آنالوگ را با رزبری پای بررسی و تست خواهیم کرد. آموزش را مطالعه و در صورت هر گونه سوال از طریق بخش دیدگاه ها در ارتباط باشید.