Arduino управление одной кнопкой. Подключение кнопки к Arduino

27.01.2019

Вам понадобится

Arduino;
тактовая кнопка;
резистор 10 кОм;
макетная плата;
соединительные провода.

1 Виды кнопок

Кнопки бывают разные, но все они выполняют одну функцию - физически соединяют (или, наоборот, разрывают) между собой проводники для обеспечения электрического контакта. В простейшем случае - это соединение двух проводников, есть кнопки, которые соединяют большее количество проводников.

Некоторые кнопки после нажатия оставляют проводники соединёнными (фиксирующиеся кнопки ), другие - сразу же после отпускания размыкают цепь (нефиксирующиеся кнопки ).

Также кнопки делят на:

нормально разомкнутые ,
нормально замкнутые .

Первые при нажатии замыкают цепь, вторые - размыкают.

Сейчас нашёл широкое применение тип кнопок, которые называют «тактовые кнопки» . Тактовые - не от слова «такт», а от слова «тактильный», т.к. нажатие хорошо чувствуется пальцами. Но этот ошибочный термин устоялся, и теперь эти кнопки у нас повсеместно так называют. Это кнопки, которые при нажатии замыкают электрическую цепь, а при отпускании - размыкают, т.е. это нефиксирующиеся, нормально разомкнутые кнопки.

2 Дребезг контактов

Кнопка - очень простое и полезное изобретение, служащее для лучшего взаимодействия человека и техники. Но, как и всё в природе, она не идеальна. Проявляется это в том, что при нажатии на кнопку и при её отпускании возникает т.н. «дребезг» ("bounce" по-английски). Это многократное переключение состояния кнопки за короткий промежуток времени (порядка нескольких миллисекунд), прежде чем она примет установившееся состояние. Это нежелательное явление возникает в момент переключения кнопки из-за упругости материалов кнопки или из-за возникающих при электрическом контакте микроискр.

В следующей статье мы подробно рассмотрим способы борьбы с «дребезгом» при замыкании и размыкании контактов. А пока что рассмотрим варианты подключения кнопки к Arduino.

3 Некорректное подключение кнопки

Чтобы подключить нормально разомкнутую тактовую кнопку к Arduino, можно поступить самым простым способом: один свободный проводник кнопки соединить с питанием или землёй, другой - с цифровым выводом Arduino. Но, вообще говоря, это неправильно. Дело в том, что в моменты, когда кнопка не замкнута, на цифровом выводе Ардуино будут появляться электромагнитные наводки, и из-за этого возможны ложные срабатывания.

Чтобы избежать наводок, цифровой вывод обычно подключают через достаточно большой резистор (10 кОм) либо к земле, либо к питанию. В первом случае это называется «схема с подтягивающим резистором» , во втором - «схема со стягивающим резистором» . Давайте рассмотрим каждую из них.

4 Подключение кнопки по схеме с подтягивающим резистором

Сначала подключим к Arduino кнопку по схеме с подтягивающим резистором. Для этого один контакт кнопки соединим с землёй, второй - с цифровым выходом "2". Цифровой выход "2" также подключим через резистор номиналом 10 кОм к питанию +5 В.

Напишем вот такой скетч для обработки нажатий на кнопку и загрузим в Arduino.

// Задаём номера выводов: const int buttonPin = 2; const int ledPin = 13; void setup() { pinMode(ledPin, OUTPUT); pinMode(buttonPin, INPUT); } void loop() { int buttonState = digitalRead(buttonPin); // считываем состояние кнопки if (buttonState == HIGH) { digitalWrite(ledPin, HIGH); // зажигаем светодиод при нажатии кнопки } else { digitalWrite(ledPin, LOW); // гасим светодиод при отпускании кнопки } }

Встроенный светодиод на выводе "13" постоянно горит, пока не нажата кнопка. Т.е. на порте "2" Arduino всегда присутствует высокий логический уровень HIGH. Когда нажимаем кнопку, напряжение на "2" порте принимает состояние LOW, и светодиод гаснет.

5 Подключение кнопки по схеме со стягивающим резистором

Теперь соберём схему со стягивающим резистором. Один контакт кнопки соединим с питанием +5 В, второй - с цифровым выходом "2". Цифровой выход "2" подключим через резистор номиналом 10 кОм к земле. Скетч менять не будем.

При включении схемы на цифровом порте "2" Arduino низкий уровень LOW, и светодиод не горит. При нажатии на кнопку на порт "2" поступает высокий уровень HIGH, и светодиод загорается.

Это эксперимент по работе с кнопкой. Мы будем включать светодиод по нажатии кнопки и выключать по отпускании кнопки. Рассмотрим понятие дребезга и программные методы его устранения.

Необходимые компоненты:

В данном эксперименте мы будем использовать контакт D2 Arduino в качестве входа. Это позволяет подключить к нему кнопку для взаимодействия с проектом в режиме реального времени. При использовании Arduino в качестве входов используют pull-up- и pulldown-резисторы, чтобы вход Arduino не находился в «подвешенном» состоянии (в этом состоянии он будет собирать внешние наводки и принимать произвольные значения), а имел заранее известное состояние (0 или 1). Резисторы pull-up подтягивают вход к питанию +5 В, pull-down-резисторы подтягивают вход к GND. Кроме этого, pull-up- и pull-down-резисторы гарантируют, что кнопка не создаст короткого замыкания между +5 В и землей при нажатии. В нашем эксперименте для подключения кнопки мы будем использовать pulldown-резистор. Схема подключения представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема подключения кнопки и светодиода

Когда кнопка отключена, вход D2 будет подтянут к «земле» через резистор номиналом 10 кОм, который будет ограничивать поток тока, и на входном контакте будет установлено значение напряжения LOW. При нажатии на кнопку входной контакт напрямую связан с 5 В. Большая часть тока будет протекать по пути наименьшего сопротивления через замкнутую кнопку, и на входе генерируется уровень HIGH. При нажатии на кнопку включаем светодиод, при отпускании - гасим.
Код данного скетча приведен в листинге 2.1.

Const int LED=10; // вывод для подключения светодиода 10 (D10) void setup() { // Конфигурируем вывод подключения светодиода как выход (OUTPUT) pinMode(LED, OUTPUT); } void loop() { // включаем светодиод, подавая на вывод 1 (HIGH) digitalWrite(LED,HIGH); // пауза 1 сек (1000 мс) delay(1000); // выключаем светодиод, подавая на вывод 0 (LOW) digitalWrite(LED,LOW); // пауза 1 сек (1000 мс) delay(1000); }
Порядок подключения:

1. Длинную ножку светодиода (анод) подключаем к цифровому выводу D10 Arduino, другую (катод) - через резистор 220 Ом к выводу GND (см. рис. 2.1).
2. Один вход кнопки подключаем к +5 В, другой - через резистор 10 кОм к GND, выход кнопки подключаем к входу D2 Arduino (см. рис. 2.1).
3. Загружаем в плату Arduino скетч из листинга 2.1.
4. При нажатии на кнопку светодиод должен гореть, при отпускании - затухнуть.

Усложним задачу - будем переключать состояние светодиода (включен/выключен) при каждом нажатии кнопки. Загрузим на плату Arduino скетч из листинга 2.2.

При нажатии кнопки светодиод должен изменять свое состояние. Но это будет происходить не всегда. Виной тому - дребезг кнопок.
Кнопки представляют из себя механические устройства с системой пружинного контакта. Когда вы нажимаете на кнопку вниз, сигнал не просто меняется от низкого до высокого, он в течение нескольких миллисекунд меняет значение от одного до другого, прежде чем контакты плотно соприкоснутся и установится значение HIGH.
Микроконтроллер зафиксирует все эти нажатия, потому что дребезг неотличим от настоящего нажатия на кнопку. Устранить влияние дребезга можно программно. Алгоритм следующий:

1. Cохраняем предыдущее состояние кнопки и текущее состояние кнопки (при инициализации LOW).
2. Cчитываем текущее состояние кнопки.
3. Если текущее состояние кнопки отличается от предыдущего состояния кнопки, ждем 5 мс, потому что кнопка, возможно, изменила состояние.
4. После 5 мс считываем состояние кнопки и используем его в качестве текущего состояния кнопки.
5. Если предыдущее состояние кнопки было LOW, а текущее состояние кнопки HIGH, переключаем состояние светодиода.
6. Устанавливаем предыдущее состояние кнопки для текущего состояния кнопки.
7. Возврат к шагу 2. Добавляем к нашему скетчу подпрограмму устранения дребезга.
Получаем код, показанный в листинге 2.3.

Const int LED=10; // Контакт 10 для подключения светодиода const int BUTTON=2; // Контакт 2 для подключения кнопки int tekButton = LOW; // Переменная для сохранения текущего состояния кнопки int prevButton = LOW; // Переменная для сохранения предыдущего состояния // к нопки boolean ledOn = false; // Текущее состояние светодиода (включен/выключен) void setup() { // Сконфигурировать контакт светодиода как выход pinMode (LED, OUTPUT); // Сконфигурировать контакт кнопки как вход pinMode (BUTTON, INPUT); } // Функция сглаживания дребезга. Принимает в качестве // аргумента предыдущее состояние кнопки и выдает фактическое. boolean debounce(boolean last) { boolean current = digitalRead(BUTTON); // Считать состояние кнопки, if (last != current) // если изменилось... { d elay(5); // ж дем 5 м с current = digitalRead(BUTTON); // считываем состояние кнопки return current; // возвращаем состояние кнопки } } void loop() { tekButton = debounce(prevButton); if (prevButton == LOW && tekButton == HIGH) // если нажатие... { ledOn = !ledOn; // инвертировать значение состояния светодиода } prevButton = tekButton; digitalWrite(LED, ledOn); // изменить статус состояния светодиода }

Загружаем скетч в плату Arduino и проверяем работу. Теперь все работает нормально, каждое нажатие кнопки приводит к изменению состояния светодиода.

Листинги программ

Первая программа должна управлять светодиодом с помощью кнопки:

при нажатой кнопке светодиод светится;
при отжатой кнопке светодиод не светится.

Подключение кнопки и светодиода к плате Ардуино.

Для связи с внешними элементами в контроллере Arduino UNO существуют 14 цифровых выводов. Каждый вывод может быть определен программой как вход или выход.

У цифрового выхода есть только два состояния высокое и низкое. Высокое состояние соответствует напряжению на выходе порядка 5 В, низкое состояние – 0 В. Выход допускает подключение нагрузки с током до 40 мА.

Когда вывод определен как вход, считав его состояние, можно определить уровень напряжения на входе. При напряжении близком к 5 В (реально более 3 В) будет считано высокое состояние, соответствующее константе HIGH. При напряжении близком к 0 (менее 1,5 В) будет считано низкое состояние, или константа LOW.

Светодиод мы должны подключить к выводу, определив его как выход, а кнопка подключается к выводу с режимом вход.

Светодиод подключается через резистор, ограничивающий ток. Вот типичная схема.

Резистор рассчитывается по формуле I = Uвыхода – Uпадения на светодиоде / R.

Uвыхода = 5 В, Uпадения на светодиоде можно принять равным 1,5 В (более точно указывается в справочнике). Получается, то в нашей схеме ток через светодиод задан на уровне 10 мА.

Можете выбрать любой вывод, но я предлагаю для простоты соединений использовать светодиод, установленный на плате. Тот самый, который мигал в первом тестовом примере. Он подключен к цифровому выводу 13. В этом случае дополнительный светодиод к плате подключать не надо.

Кнопку подключаем к любому другому выводу, например, 12. Аппаратная часть схемы подключения кнопки должна обеспечивать уровни напряжений 0 В при нажатой кнопке и 5 В при свободной. Это можно сделать простой схемой.

При отжатой кнопке резистор формирует на выводе 5 В, а при нажатой – вход замыкается на землю. Рекомендации по выбору резистора я напишу в заключительном уроке про кнопки. Сейчас предложу другой вариант. Все выводы платы имеют внутри контроллера резисторы, подключенные к 5 В. Их можно программно включать или отключать от выводов. Сопротивление этих резисторов порядка 20-50 кОм. Слишком много для реальных схем, но для нашей программы и кнопки, установленной вблизи контроллера, вполне допустимо.

В итоге схема подключения будет выглядеть так.

Кнопку можно припаять на проводах к разъему. Я установил ее на макетную плату без пайки. Купил специально для демонстрации уроков.

Функции управления вводом/выводом.

Для работы с цифровыми выводами в системе Ардуино есть 3 встроенные функции. Они позволяют установить режим вывода, считать или установить вывод в определенное состояние. Для определения состояния выводов в этих функциях используются константы HIGH и LOW, которые соответствуют высокому и низкому уровню сигнала.

pinMode(pin, mode)

Устанавливает режим вывода (вход или выход).

Аргументы: pin и mode.

pin – номер вывода;
mode – режим вывода.

Функция не возвращает ничего.

digitalWrite(pin, value)

Устанавливает состояние выхода (высокое или низкое).

Аргументы pin и value:

pin – номер вывода;
value – состояние выхода.

Функция не возвращает ничего.

digitalRead(pin)

Считывает состояние входа.

Аргументы: pin - номер вывода.

Возвращает состояние входа:

digitalRead(pin) = LOW	низкий уровень на входе
digitalRead(pin) = HIGH	высокий уровень на входе

Программа управления светодиодом.

С учетом предыдущего урока теперь у нас есть вся необходимая информация для написания программы. Программа в Ардуино состоит из двух функций setup() и loop. В setup() мы устанавливаем режимы выводов, а в loop() считываем состояние кнопки в переменную buttonState и передаем его на светодиод. По пути инвертируем, т.к. при нажатой кнопке низкое состояние сигнала, а светодиод светится при высоком.

/* Программа scetch_5_1 урока 5
*/

boolean buttonState; // создаем глобальную переменную buttonState

void setup() {
pinMode(13, OUTPUT); //

}

// бесконечный цикл
void loop() {

}

Для хранения промежуточного значения состояния кнопки создаем переменную buttonState с типом boolean. Это логический тип данных. Переменная может принимать одно из двух значений: true (истинно) или false (ложно). В нашем случае - светодиод светится и не светится.

Скопируйте или перепишите код программы в окно Arduino IDE. Загрузите в контроллер и проверьте.

Для сохранения проектов Ардуино я создал папку d:\Arduino Projects\Lessons\Lesson5. В каждом уроке программы называю scetch_5_1, scetch_5_2, … Вы можете поступать также или ввести свою систему сохранения файлов.

Блок программы:

buttonState = digitalRead(12); // считываем состояние 12 входа (кнопки) и записываем в buttonState
buttonState = ! buttonState; // инверсия переменной buttonState
digitalWrite(13, buttonState); // записываем состояние из buttonState на выход 13 (светодиод)

можно записать без использования промежуточной переменной buttonState.

digitalWrite(13, ! digitalRead(12));

В качестве аргумента для функции digitalWrite() выступает функция digitalRead(). Хороший стиль это именно такой вариант. Не требуются дополнительные переменные, меньше текст.

Т.е. функцию можно использовать как аргумент другой функции. Функции можно вызывать из функций.

Другой вариант этой же программы, использующий условный оператор if.

/* Программа scetch_5_2 урока 5
Зажигает светодиод (вывод 13) при нажатии кнопки (вывод 12) */

void setup() {
pinMode(13, OUTPUT); // определяем вывод 13 (светодиод) как выход
pinMode(12, INPUT_PULLUP); // определяем вывод 12 (кнопка) как вход
}

// бесконечный цикл
void loop() {
if (digitalRead(12) == LOW) digitalWrite(13, HIGH);
else digitalWrite(13, LOW);
}

В бесконечном цикле проверяется состояние вывода 12 (кнопка), и если оно низкое (LOW), то на выводе 13 (светодиод) формируется высокое состояние (HIGH). В противном случае состояние светодиода низкое (LOW).

Директива #define.

Во всех примерах для функций ввода/вывода мы указывали аргумент pin, определяющий номер вывода, в виде конкретного числа - константы. Мы помнили, что константа 12 это номер вывода кнопки, а 13 – номер вывода светодиода. Гораздо удобнее работать с символьными именами. Для этого в языке C существует директива, связывающая идентификаторы с константами, выражениями.

Директива #define определяет идентификатор и последовательность символов, которая подставляется вместо идентификатора, каждый раз, когда он встречается в тексте программы.

В общем виде она выглядит так:

#define имя последовательность_символов

Если в наших программах мы напишем:

#define LED_PIN 13 //

то каждый раз, когда в программе встретится имя LED_PIN, при трансляции вместо него будет подставлены символы 13. Функция включения светодиода выглядит так:

digitalWrite(LED_PIN, HIGH);

Окончательный вариант программы с использованием #define.

/* Программа урока 5
Зажигает светодиод (вывод 13) при нажатии кнопки (вывод 12) */

#define LED_PIN 13 // номер вывода светодиода равен 13
#define BUTTON_PIN 12 // номер вывода кнопки равен 12

void setup() {
pinMode(LED_PIN, OUTPUT); // определяем вывод 13 (светодиод) как выход
pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP); // определяем вывод 12 (кнопка) как вход
}

// бесконечный цикл
void loop() {
digitalWrite(LED_PIN, ! digitalRead(BUTTON_PIN));
}

Обратите внимание, что после директивы #define точка с запятой не ставится, потому что это псевдо оператор. Он не совершает никаких действий. Директива задает константы, поэтому принято имена для нее писать в верхнем регистре с разделителем – нижнее подчеркивание.

В следующем уроке будем бороться с дребезгом кнопки, разобьем программу на блоки и создадим интерфейс связи между блоками.

В этом примеры мы рассмотрим подключение кнопки к контроллеру Arduino. При нажатие кнопки мы будем зажигать встроенный светодиод. Большинство плат Arduino имеют встроенный SMT светодиод, подключенный к выходу 13 (pin 13).

Необходимые компоненты

контроллер Arduino
тактовая кнопка
10кОм резистор
контактная макетная плата
соединительные провода

Подключение

Подключаем выход питания (5V) и землю (Gnd), красным и черным проводом соответственно к макетной плате. Обычно на макетных платах для питания и земли используют крайние ряды контактов, как показано на рисунке. Третьим синим проводом мы соединяем цифровой пин 2 контроллера Arduino к контакту тактовой кнопки. К этому же контакту, либо к контакту, постоянно соединенному с ней в 4х штырковом исполнении, подключаем подтягивающий резистор 10 кОм, который в свою очередь соединяем с землей. Другой выход кнопки соединяем с питанием 5 В.

Когда тактовая кнопка не нажата, выход 2 подключен только к земле через подтягивающий резистор и на этом входе будет считываться LOW . А когда кнопка нажата появляется контакт между входом 2 и питанием 5В, и считываться будет .

Замечание: Чаще всего тактовые кнопки имеют по два контакта с каждой стороны так, как это показано на рисунке подключение. При этом по форме кнопка почти квадратная. ВАЖНО не перепутать при подключении какие контакты соединены, а какие замыкаются при нажатие. Лучше всего прозвонить кнопку если не уверены.