Подключение кнопок к материнской плате — советы и подсказки. Подключение кнопок к материнской плате — советы и подсказки Скетч для подключения кнопки к Ардуино

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 .

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 подробно описаны основные 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.

И Arduino здесь не является исключением, после того, как помигает светодиодом пробует подключать кнопку и управлять с ее помощью миганием этого самого светодиода. Особенно сложного здесь ничего нет, но есть один нюанс, называемый «дребезг контактов». О том как правильно подключать кнопку к Arduino , что такое «дребезг контактов», как этот эффект проявляется и методах борьбы с ним и пойдет сегодня речь.

Простейшая схема подключения кнопки к микроконтроллеру выглядит следующим образом:

Если ключ S 1 разомкнут (кнопка отпущена), то на цифровом входе D in микроконтроллера мы будем иметь напряжение 5В, соответствующее логической единице. При нажатой кнопке вход D in подключается к земле, что соответствует уровню логического нуля и все напряжение у нас упадет на резисторе R 1 , величину которого выбирают исходя из того, чтобы при нажатой кнопке через него протекал не слишком большой ток (обычно порядка 10÷100 кОм).

Если же просто подключить кнопку между цифровым входом и землей (без резистора R 1 , подключенного к +5В) или между входом и +5В, то в положении, когда кнопка не нажата на цифровом входе микроконтроллера будет присутствовать неопределенное напряжение (может соответствовать уровню 0, а может и 1) и мы бы считывали случайные состояния. Поэтому используется резистор R 1 , который, как говорят, «подтягивает» вход к +5В при отпущенной кнопке.

Считывая состояние цифрового входа микроконтроллера, мы сможем определить нажата кнопка (состояние логического 0) или же нет (будем получать на входе логическую единицу).

Подключение кнопки к Arduino

Микроконтроллеры Atmel AVR ATmega (на базе которых и строится Arduino ) имеют встроенные программно подключаемые нагрузочные резисторы R н величиной 20 кОм и мы можем воспользоваться ими, упростив схему подключения.

Подключается внутренний нагрузочный резистор путем записи логической единицы в требуемый бит порта.

Пример скетча Arduino , который включает и выключает встроенный светодиод на 13 пине, в зависимости от того, нажата или отпущена кнопка, подключенная ко второму пину, используя внутренний нагрузочный резистор:

void setup() { pinMode(13, OUTPUT); //светодиод на 13 пине pinMode(2, INPUT); //2 пин - в режиме входа. Кнопка подключена к земле. digitalWrite(2, HIGH); //подключаем подтягивающий резистор } void loop() { digitalWrite(13, !digitalRead(2)); // считываем состояние кнопки и переключаем светодиод }

Здесь мы инвертируем значение, считанное с входного порта, путем использование логического НЕ , обозначаемого восклицательным знаком перед функцией digitalRead , так как при нажатой кнопке мы считываем 0, а для включения светодиода в порт нам нужно отправить 1.

Дребезг контактов

Все бы ничего, если бы мы жили в идеальном мире с идеальными кнопками. Реальные механические контакты, которые присутствуют в кнопках никогда не замыкаются и не размыкаются мгновенно. В течении непродолжительного промежутка времени происходит многократное замыкание и размыкание контактов ключа (кнопки) в результате чего на вход микроконтроллера поступает не единичный перепад напряжения, а целая пачка импульсов. Это явление носит название «дребезг контактов».

В примере выше, когда при помощи кнопки мы просто включали и выключали светодиод мы не заметили это, так как включение/выключение светодиода в момент «дребезга» происходило очень быстро и мы просто не увидели это глазом.

Эта библиотека включает следующие методы:

• Bounce () — инициализация объекта Bounce
• void interval (unsigned long interval) — устанавливает время антидребезга в миллисекундах
• void attach (int pin) — устанавливает пин, к которому подключена кнопка и подключает на этом выводе встроенный подтягивающий резистор
• int update () — поскольку Bounce не использует , вы «обновляете» объект до того, как считываете его состояние и это нужно делать постоянно (например, внутри loop ). Метод update обновляет объект и возвращает TRUE (1), если состояние пина изменилось (кнопка была нажата или же, наоборот, отпущена) и FALSE (0) в противном случае. Вызов метода update внутри loop необходимо производить только один раз.
• int read () — возвращает обновленное состояние пина

По умолчанию, библиотека Bounce использует интервал стабилизации (stable interval ) для реализации антидребезга. Это проще для понимания и позволяет не знать длительность дребезга.

Параметр stable interval библиотеки Bounce

Определив

#define BOUNCE_LOCK-OUT

в файле Bounce.h можно включить альтернативный метод борьбы с дребезгом. Этот метод позволяет быстрее реагировать на изменение состояния кнопки, однако, требует установить продолжительность дребезга, а эта величина, как я отметил выше увеличивается с течением времени, а значит, потребуется вносить изменения в код, либо установить заведомо большее значение.

Приведу пример использования этой библиотеки:

#include Bounce bouncer = Bounce(); void setup() { pinMode(2 ,INPUT); // кнопка на пине 2 digitalWrite(2 ,HIGH); bouncer .attach(2); // устанавливаем кнопку bouncer .interval(5); Serial.begin(9600); //установка Serial-порта на скорость 9600 бит/сек } void loop() { if (bouncer.update()) { //если произошло событие if (bouncer.read()==0) { //если кнопка нажата Serial.println("pressed"); //вывод сообщения о нажатии } else Serial.println("released"); //вывод сообщения об отпускании } }

И еще один небольшой практически полезный пример. Пусть у нас есть кнопка, при длительности нажатии которой меньше 2 секунд происходит изменение переменной current_mode , в которой хранится текущий режим работы некоторого устройства. В этом примере режим будет изменяться от 0 до 5. Один раз нажали — режим имеет номер 1. Еще раз нажали — 2. И так до пяти. После пяти при очередном нажатии текущий режим становится первым и опять по кругу. Если же удерживать кнопку в нажатом состоянии более 2 секунд переменной current_mode присваивается значение 0.

#include #define pressed_long 2000 // долговременное нажатие = 2 секунды #define num_modes 5 // максимальный номер режима short int max_mode = num_modes + 1; // вспомогательная переменная Bounce bouncer = Bounce(); //создаем экземпляр класса Bounce unsigned long pressed_moment; // момент нажатия кнопки int current_mode = 0; // текущий режим void setup() { pinMode(2 ,INPUT); // кнопка на пине 2 digitalWrite(2 ,HIGH); // подключаем встроенный подтягивающий резистор bouncer .attach(2); // устанавливаем кнопку bouncer .interval(5); // устанавливаем параметр stable interval = 5 мс Serial.begin(9600); //установка Serial-порта на скорость 9600 бит/сек } void loop() { if (bouncer.update()) { //если произошло событие if (bouncer.read()==0) { //если кнопка нажата pressed_moment = millis(); // запоминаем время нажатия } else { // кнопка отпущена if((millis() - pressed_moment) < pressed_long) { // если кнопка была нажата кратковременно current_mode++; // увеличиваем счетчик текушего режима current_mode %= max_mode; // остаток от целочисленного деления if (current_mode == 0) current_mode = 1; // режим меняется от 1 до num_modes } else { // кнопка удерживалась долго current_mode = 0; pressed_moment = 0; // обнуляем момент нажатия } Serial.println("Current mode:"); Serial.println(current_mode); // выводим сообщение о текущем режиме } } }

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:

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.

Самостоятельная сборка своего персонального компьютера иногда может затянуться на весьма длительное время. Если с подключением основных устройств к ПК все достаточно просто и понятно, то и кнопок или индикации может показаться весьма сложным процессом. Ниже мы рассмотрим все основные нюансы подключения данного узла к материнской плате.

Подготовка к подключению

Надписи, которые присутствуют на основной плате и коннекторах, помогут Вам сориентироваться при поиске нужных элементов. Например, возле порта, отвечающего за клавиши включения и перезагрузки, будет написано либо «F_PANEL», либо «PANEL1».

Подключение интерфейса передней панели

Индикатор, отображающий работу HDD, имеет разъем с подписью «HDDLED». Его необходимо воткнуть в штепсель «HDLED –».

Если Вы случайно перепутаете полярность индикаторов, то никаких фатальных последствий не произойдет. Чтобы решить эту проблему, Вам понадобится подключить коннектор другой стороной.

Особенности подключения на платах Asus и Gigabyte (видео)

При разработке устройств часто требуется использовать кнопку, подключённую к плате Arduino. В качестве кнопки обычно используются тактовые кнопки, которые замыкают цепь при нажатии и не пропускают ток в не нажатом состоянии. Но недостаточно просто подключить кнопку к цифровому входу микроконтроллера. В статье показаны нюансы подключения и приведены примеры.

Для примера будем использовать тактовую кнопку. Кнопка имеет 4 вывода. Но на самом деле 4 вывода нужны только для прочного монтажа кнопки на плате. Внутри у неё всего 2 контакта по бокам, каждый из которых выступает за границы корпуса слева и справа. Это хорошо видно на фотографиях кнопки в разборе:

Кнопка без верхней крышки. Разными цветами выделены контакты, соединённые с разными выводами. Рядом с разобранной кнопкой видна металлическая круглая деталь, которая замыкает центральный и боковые контакты при нажатии.

Кнопка в разрезе. Видно, что крайние контакты физически соединены с одним выводом, выходящим с двух сторон. Центральный вывод устроен аналогично.

Важно не перепутать, какие контакты соединены (то есть являются единым целом), а какие должны замыкаться при нажатии. Кнопка подключается одним из контактов к любому цифровому пину Arduino, другим контактом к положительному полюсу питания. Далее нужно настроить пин Arduino, как вход, функцией pinMode() и можно считывать значение с вывода с помощью функции digitalRead() . При нажатии кнопки с вывода будет считываться значение HIGH. На этом можно было бы и закончить, если бы не одно но: в разомкнутом состоянии на ввод будут случайным образом подаваться сигналы LOW и HIGH, потому что такой вывод ни к чему не подключён и «висит в воздухе». Для правильного подключения нужно вывод, к которому подключена кнопка, «подтянуть» к одному из значений. В нашем случае при не нажатой кнопке с пина должно считываться значение LOW, поэтому подтягивать будем к земле.

Для этого необходимо подключать параллельно с кнопкой к выбранному выводу большого номинала (10 КОм и больше), через который будет протекать совсем небольшой ток. Тогда при не нажатой кнопке на пине будет чёткое значение LOW, а при нажатии кнопки наш подтягивающий резистор никак не помешает считать HIGH. Потому что через подтягивающий резистор утечёт совсем немного тока по сравнения с током короткого замыкания пина контроллера на положительный полюс питания.

После сборки схемы загрузите в плату следующую программу:

/* Переключаем светодиод при нажатии на кнопку Схема устройства: * Светодиод подключён к 13 пину (встроенный светодиод) * Тактовая кнопка подключена ко 2му пину * Резистор 10кОм используется для подтяжки 2го пина к земле */ //Задаём константы // set pin numbers: const int buttonPin = 2;// Номер пина, к которому подключена кнопка const int ledPin = 13; // Номер пина, к которому подключен светодиод //Объявляем переменные int buttonState = 0; // Переменная для хранения статуса кнопки void setup() { // Настраиваем вывод, к которому подключён светодиод, как выход pinMode(ledPin, OUTPUT); // Настраиваем вывод, к которому подключена кнопка, как вход pinMode(buttonPin, INPUT); } void loop(){ // Считываем состояние кнопки buttonState = digitalRead(buttonPin); // Проверяем, нажата ли кнопка // Если нажата, на пин с кнопкой поступит значение HIGH if (buttonState == HIGH) { // Включаем светодиод digitalWrite(ledPin, HIGH); } else { // Выключаем светодиод digitalWrite(ledPin, LOW); } }