القراءة التماثلية

6.1 من جهد إلى عدد – ממיר A/D (Analog to Digital)

البرنامج لا يفهم إلا الأعداد. لذلك يوجد داخل المتحكّم مُحوّل يقيس الجهد على الطرف ويضع النتيجة في مسجّل، ومن هناك يقرؤها البرنامج.

العدد الناتج صحيح دائما، ولذلك لا يرى المحوّل كل الجهود: يقسّم المجال إلى خطوات متساوية، وكل جهد داخل الخطوة نفسها يعطي العدد نفسه. الرسم التالي يبيّن ذلك لمحوّل صغير من 3 بتّات، له 8 خطوات فقط. الخط المتقطّع هو الجواب الذي نتمنّاه، والدرج هو ما نحصل عليه. والفرق بينهما اسمه خطأ التكميم (שגיאת קוונטיזציה).

6.2 التمييز وجهد المرجع وزمن التحويل – רזולוציה, מתח ייחוס וזמן המרה (Resolution, Reference, Conversion Time)

ثلاثة مقادير تصف أي محوّل:

• عدد البتّات n: يحدّد عدد الخطوات، 2ⁿ.
• جهد المرجع (מתח ייחוס) V_ref: أعلى جهد يستطيع المحوّل تمييزه.
• زمن التحويل (זמן המרה): كم يستغرق المحوّل ليعطي عددا واحدا.

والآن نقطة مهمّة في مايكروبايثون. المحوّل من 12 بتّا، لكن الأمر read_u16() يعطي دائما عددا بين 0 و65535، أي على مجال 16 بتّا، في كل اللوحات. هكذا يبقى البرنامج صحيحا إذا انتقل إلى لوحة بمحوّل مختلف. ثمن ذلك أن العدد يقفز بخطوات حجم كل منها نحو 16، وليس 1:

import board
import time

pot = board.analog_in(board.POT)

for i in range(6):
    print(pot.read_u16())
    time.sleep(1)

19861
19861
19877
19877
19893
19893

6.3 ماذا نجد على كل لوحة؟ – מה יש בכל לוח

6.4 البرنامج الأول: قراءة مقياس جهد – קריאת פוטנציומטר

مقياس الجهد (פוטנציומטר) هو أبسط حسّاس: نوصل طرفيه الخارجيين بـ3V3 وبـGND، والطرف الأوسط يعطي جهدا حسب موضع المقبض.

from machine import ADC, Pin
import time

pot = ADC(Pin(34), atten=ADC.ATTN_11DB)

while True:
    raw = pot.read_u16()
    print(raw)
    time.sleep(1)

0
16388
32776
49147
65535
...

نقرأ البرنامج سطرا سطرا:

from machine import ADC, Pin
import time

pot = ADC(Pin(26))

while True:
    raw = pot.read_u16()
    print(raw)
    time.sleep(1)

0
16388
32776
49147
65535
...

لو نقلنا برنامج ESP32 كما هو إلى Pico W لتوقف عند السطر الأول، لأن الطرف 34 غير موجود هناك. والخطأ في الاتجاه المعاكس أخبث، فهو لا يوقف البرنامج:

from machine import ADC, Pin
import time

pot = ADC(Pin(34))

while True:
    print(pot.read_u16())
    time.sleep(1)

32776
65535
65535
65535
65535
...

انتبهوا إلى العمود الثاني: حتى بأكبر مجال، القراءة موثوقة بين 0.15 V و2.45 V فقط. خارج ذلك تقرأ اللوحة الحقيقية أقل من الجهد الفعلي. والمُحاكاة في هذا الكتاب مثالية ولا تُظهر هذا. ولقياس دقيق نستعمل read_uv()، وهو خاص بـESP32 ويطبّق معايرة الشريحة.

6.5 برنامج واحد لكل اللوحات – תוכנית אחת לכל הלוחות

عرفنا في الفصل 3 الملف board.py، وفيه كل ما يخص اللوحة. والفرق الذي رأيناه الآن مكانه هناك: الدالة analog_in تخفي ضبط المجال، والبرنامج لا يذكر أرقاما بل أسماء فقط.

# board.py - ESP32 DevKit
from machine import ADC, I2C, PWM, SPI, UART, Pin, Timer

POT = 34
LDR = 35


def analog_in(pin):
    # 11 dB attenuation: the input range reaches the 3.3 V supply.
    return ADC(Pin(pin), atten=ADC.ATTN_11DB)

# board.py - Raspberry Pi Pico W / Pico 2 W
from machine import ADC, I2C, PWM, SPI, UART, Pin, Timer

POT = 26
LDR = 27


def analog_in(pin):
    # The range of the Pico is fixed at 0 to 3.3 V: nothing to configure.
    return ADC(Pin(pin))

ونضيف مكتبة صغيرة ثانية، analog.py، فيها حسابات لا تتعلق باللوحة:

# analog.py - helpers for analog readings, the same on every board.
# (c) 2026 Fahed Ghanem - MIT License - fahed-lab.com

VREF = 3.3


def to_volts(raw):
    return raw * VREF / 65535


def scale(x, in_min, in_max, out_min, out_max):
    return (x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min


def average(adc, n=16):
    total = 0
    for _ in range(n):
        total += adc.read_u16()
    return total // n

import board
import time
from analog import to_volts, scale

pot = board.analog_in(board.POT)

while True:
    raw = pot.read_u16()
    volts = to_volts(raw)
    percent = scale(raw, 0, 65535, 0, 100)
    print("raw = %5d   V = %.3f   %3.0f%%" % (raw, volts, percent))
    time.sleep(1)

raw =     0   V = 0.000     0%
raw = 16388   V = 0.825    25%
raw = 32776   V = 1.650    50%
raw = 49147   V = 2.475    75%
raw = 65535   V = 3.300   100%
...

الدالة scale تنقل عددا من مجال إلى مجال، وهي تعطي النسبة المئوية هنا. وسنحتاج إليها مرارا.

6.6 حسّاس حقيقي: المقاومة الضوئية – נגד תלוי אור (LDR)

المقاومة الضوئية (נגד תלוי אור) لا تعطي جهدا، بل تتغيّر مقاومتها: كلما زاد الضوء قلّت. لذلك نضعها مع مقاومة ثابتة R_F في مجزّئ جهد، والمحوّل يقرأ الجهد بينهما.

import board
import time
from analog import to_volts

R_FIXED = 10000

ldr = board.analog_in(board.LDR)

while True:
    v = to_volts(ldr.read_u16())
    if v < 0.05:
        print("V = %.2f   too dark to measure" % v)
    else:
        r = R_FIXED * (3.3 / v - 1)
        print("V = %.2f   R = %6.0f ohm" % (v, r))
    time.sleep(1)

V = 3.00   R =    999 ohm
V = 2.20   R =   5000 ohm
V = 1.10   R =  20000 ohm
V = 0.40   R =  72559 ohm
V = 0.00   too dark to measure
...

6.7 الضجيج: لماذا ترتجف الأعداد؟ – רעש ומיצוע (Noise)

اتركوا مقياس الجهد ساكنا واقرؤوا: ستجدون الأعداد ترتجف. هذا الضجيج طبيعي، مصدره الدائرة نفسها. وعلاجه الأبسط أن نأخذ عدة قراءات ونحسب متوسّطها، فالارتفاعات تلغي الانخفاضات.

import board
from analog import average

pot = board.analog_in(board.POT)


def single():
    return pot.read_u16()


def smooth():
    return average(pot, 16)


def spread(read):
    low = high = read()
    for _ in range(49):
        x = read()
        low = min(low, x)
        high = max(high, x)
    return high - low


print("single reads, spread  :", spread(single))
print("average of 16, spread :", spread(smooth))

single reads, spread  : 785
average of 16, spread : 266

ثمن المتوسّط هو الزمن: 16 قراءة تستغرق 16 ضعفا. في بطء مثل الحرارة لا يهم ذلك، أما في إشارة سريعة فالمتوسّط يطمس ما نريد قياسه.

6.8 من قراءة إلى قرار: تحكّم بحالتين – בקרה דו-מצבית (On/Off Control)

نريد مصباحا يضيء عند العتمة. البرنامج البسيط يقارن بعتبة واحدة، لكن قرب العتبة يكفي الضجيج ليشعل المصباح ويطفئه مرارا. الحل هو عتبتان متباعدتان: نشعل تحت الأولى ونطفئ فوق الثانية، وبينهما لا نغيّر شيئا. هذا هو التخلّف (היסטרזיס).

import board
import time
from machine import Pin
from analog import to_volts

DARK = 1.0
BRIGHT = 1.4

led = Pin(board.LED, Pin.OUT)
ldr = board.analog_in(board.LDR)

while True:
    v = to_volts(ldr.read_u16())
    if v < DARK:
        led.on()
    elif v > BRIGHT:
        led.off()
    print("V = %.2f   LED = %d" % (v, led.value()))
    time.sleep(1)

V = 1.60   LED = 0
V = 1.20   LED = 0
V = 0.95   LED = 1
V = 1.05   LED = 1
V = 0.95   LED = 1
V = 1.20   LED = 1
V = 1.30   LED = 1
V = 1.50   LED = 0
...

لاحظوا سطر الطرف: Pin(board.LED, Pin.OUT). على ESP32 قيمته 2 وعلى Pico W هو الاسم "LED"، لأن مصباح اللوحة هناك موصول بشريحة اللاسلكي. والبرنامج لا يحتاج إلى معرفة ذلك.

6.9 محوّل خارجي: ADS1115 – ממיר חיצוני (External ADC)

حين لا يكفي المحوّل الداخلي، أو لا يوجد أصلا، نوصل شريحة محوّل خارجية. ADS1115 شريحة شائعة ورخيصة، لها 4 مداخل ودقة 16 بتّا، وتتحدّث بناقل I2C الذي نتعلمه في الفصل 9. وهنا نستعملها جاهزة.

أول ما نفعله مع أي شريحة I2C هو مسح الناقل، حتى نتأكد من التوصيل والعنوان:

import board

i2c = board.i2c()
print([hex(a) for a in i2c.scan()])

['0x48']

والآن المكتبة. كتبناها بأنفسنا لأنها قصيرة، ولأن قراءتها تعلّمنا كيف نكلّم شريحة:

# ads1115.py - driver for the ADS1115 16-bit converter.
# ESP32 and Pico: pass a machine.I2C. Raspberry Pi 4/5: pass a pi_i2c.PiI2C.
# (c) 2026 Fahed Ghanem - MIT License - fahed-lab.com
import time

REG_CONV = 0
REG_CONFIG = 1
START = 0x8000
SINGLE_ENDED = 4
RANGE_4V = 0x0200
ONE_SHOT = 0x0100
RATE_128 = 0x0080
NO_COMPARATOR = 0x0003
LSB = 4.096 / 32768


class ADS1115:
    def __init__(self, i2c, addr=0x48):
        self.i2c = i2c
        self.addr = addr

    def _write(self, reg, value):
        self.i2c.writeto(self.addr, bytes([reg, value >> 8, value & 0xFF]))

    def _read(self, reg):
        self.i2c.writeto(self.addr, bytes([reg]))
        data = self.i2c.readfrom(self.addr, 2)
        return (data[0] << 8) | data[1]

    def read_raw(self, channel):
        mux = (SINGLE_ENDED + channel) << 12
        config = START | mux | RANGE_4V | ONE_SHOT | RATE_128 | NO_COMPARATOR
        self._write(REG_CONFIG, config)
        while not self._read(REG_CONFIG) & START:
            time.sleep(0.001)
        value = self._read(REG_CONV)
        return value - 65536 if value & 0x8000 else value

    def read_volts(self, channel):
        return self.read_raw(channel) * LSB

أصغر بنحو 6 مرات من خطوة المحوّل الداخلي، لكن كل قراءة تستغرق بضع ميلي ثوانٍ. لا يوجد محوّل أفضل في كل شيء.

import board
import time
from ads1115 import ADS1115

adc = ADS1115(board.i2c())

while True:
    print("A0 = %.4f V" % adc.read_volts(0))
    time.sleep(1)

A0 = 0.5000 V
A0 = 1.2500 V
A0 = 2.5000 V
...

6.10 على Raspberry Pi 4/5

لا يوجد في Raspberry Pi 4/5 محوّل تماثلي رقمي، ولا يعمل عليه machine: هو حاسوب عليه لينكس، ونكتب له بايثون العادي. لكننا نستطيع استعمال المكتبة نفسها ads1115.py. كل ما تطلبه من الناقل أمران: writeto وreadfrom، فنكتب ملفا صغيرا يعطي الناقل هذين الأمرين بواسطة المكتبة smbus2.

# pi_i2c.py - gives the Pi 4/5 I2C bus the two methods of machine.I2C
# that the book's drivers use, so the same driver runs on all boards.
# Needs: pip install smbus2, and I2C enabled in raspi-config.
# (c) 2026 Fahed Ghanem - MIT License - fahed-lab.com
from smbus2 import SMBus, i2c_msg


class PiI2C:
    def __init__(self, bus=1):
        self.bus = SMBus(bus)

    def writeto(self, addr, data):
        self.bus.i2c_rdwr(i2c_msg.write(addr, data))

    def readfrom(self, addr, n):
        msg = i2c_msg.read(addr, n)
        self.bus.i2c_rdwr(msg)
        return bytes(msg)

التحضير لمرة واحدة، في نافذة الأوامر: نفعّل I2C من sudo raspi-config (قسم Interface Options)، ثم نثبّت المكتبة في بيئة خاصة:

python3 -m venv ~/lab
~/lab/bin/pip install smbus2
~/lab/bin/python ads_read_pi.py

import time
from ads1115 import ADS1115
from pi_i2c import PiI2C

adc = ADS1115(PiI2C())

while True:
    print("A0 = %.4f V" % adc.read_volts(0))
    time.sleep(1)

A0 = 0.5000 V
A0 = 1.2500 V
A0 = 2.5000 V
...

أهمّ أفكار الفصل:

• البرنامج يرى خطوات وليس جهدا مستمرا، وحجم الخطوة هو التمييز.
• read_u16() يعطي 0–65535 في كل اللوحات، أيًّا كان عدد بتّات المحوّل.
• على ESP32 لا ننسى atten، ومع WiFi نختار الأطراف 32–39.
• نجمع ما يخص اللوحة في board.py، فيبقى البرنامج واحدا.
• المتوسّط يخفّف الضجيج على حساب الزمن، وعتبتان تمنعان الارتجاف قرب القرار.
• على Raspberry Pi 4/5 القراءة التماثلية تمر بمحوّل خارجي، بالمكتبة نفسها.

ملخّص قوانين الفصل:

أوامر الفصل:

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

أسئلة للتمرين:

import board
import time
from analog import scale

pot = board.analog_in(board.POT)

while True:
    level = scale(pot.read_u16(), 0, 65535, 0, 10)
    print("#" * int(level))
    time.sleep(1)

import board
import time
from analog import to_volts

sensor = board.analog_in(board.POT)

while True:
    v = to_volts(sensor.read_u16())
    print("T = %.1f C" % (v * 100))
    time.sleep(1)