Кнопки для одежды. Какие они бывают

Подключение датчика кнопки к ардуино требует определенных знаний и навыков. В этой статье мы поговорим о том, что такое тактовая кнопка, что такое дребезг кнопки, как правильно подключать кнопку с подтягивающим и стягивающим резистором, как можно управлять с помощью кнопки светодиодами и другими устройствами.

Кнопка ардуино

Кнопка (или кнопочный переключатель) – самый простой и доступный из всех видов датчиков. Нажав на нее, вы подаете контроллеру сигнал, который затем приводит к каким-то действиям: включаются светодиоды, издаются звуки, запускаются моторы. В своей жизни мы часто встречаемся с разными выключателями и хорошо знакомы с этим устройством.

Тактовые кнопки и кнопки-переключатели

Как обычно, начинаем раздел с простых вещей, интересных только начинающим. Если вы владеете азами  и хотите узнать о различных вариантах подключения кнопки к ардуино – можете пропустить этот параграф.

Что такое кнопка? По сути, это достаточно простое устройство, замыкающее и размыкающее электрическую сеть. Выполнять это замыкание/размыкание можно в разных режимах, при этому  фиксировать или не фиксировать свое положение. Соответственно, все кнопки можно поделить на две большие группы:

• Кнопки переключатели с фиксацией. Они возвращаются в исходное состояние после того, как их отпустили. При в зависимости от начального состояния разделяют на нормально-замкнутые и нормально-разомкнутые кнопки.
• Кнопки без фиксации (тактовые кнопки). Они фиксируются и остаются в том положении, в котором их оставили.

Вариантов различных кнопок великое множество, это действительно один из самых распространенных видов электронных компонентов.

Кнопки ардуино для простых проектов

В наших проектах мы будем работать с очень простыми тактовыми кнопками с 4 ножками, которые идут практически в любом наборе ардуино. Кнопка представляет собой переключатель с двумя парами контактов. Контакты в одной паре соединены между собой, поэтому больше одного выключателя в схеме реализовать не удастся, но вы можете одновременно управлять двумя параллельными сегментами, это бывает полезно.

В зависимости от ситуации, вы можете создавать как схемы с нормально замкнутыми, так и с нормально разомкнутыми контактами – для этого нужно будет только соответствующим образом выполнить соединение в схеме.

Для удобства работы в комплекте с тактовой кнопкой обычно идет пластмассовый колпачок какого-то цвета, он достаточно очевидно надевается на кнопку и придает проекту менее хакерский вид.

Подключение кнопки Ардуино

Включение и выключение светодиода с помощью кнопки

Давайте начнем с самого простого способа подключения тактовой кнопки. Рассмотрим схему с Arduino в качестве источника питания,  светодиода, ограничительного резистора номиналом 220 Ом и кнопки, которая будет замыкать и размыкать цепь.

При подключении кнопки с двумя парами ножек важно правильно выбрать размыкающие контакты. Посмотрите на изображение внимательно: пары ножек расположены по бокам кнопки. Сама кнопка квадратная, но расстояния между парами контактов визуально заметны: можно сразу выделить два на одной стороне и два а другой. Так вот, именно между одной «парой» на стороне и будет реализован выключатель. Для включения в схему мы соединяемся с одним и с другим контактом, между которыми минимальное расстояние. Вторая пара контактов просто дублирует первую.

Если у вас переключатель другого типа, то можете смело выбрать контакты с противоположных углов (на некоторых кнопка делается специальный знак в  виде выемки, по которому можно определить, с какой стороны расположены спаренные контакты). Самый надежный способ определить правильные ножки – это прозвонить контакты тестером.

Сама схема с кнопкой, светодиодом и контроллером Arduino не нуждается в особых пояснениях. Кнопка разрывает цепь, светодиод не горит. При нажатии цепь замыкается, светодиод включается. Если вы перепутаете контакты (включите через замкнутые спаренные контакты кнопки), то кнопка работать не будет, потому что цепь никогда не разомкнется. Просто поменяйте контакты местами.

Подключение кнопки с подтягивающим резистором

Давайте теперь подключим кнопку к ардуино так, чтобы можно было считывать в скетче ее состояние. Для этого воспользуемся следующей схемой.

В скетче мы будем отслеживать факт нажатия и выводить сообщение в монитор порта. Более интересный пример и подробное объяснение самой схемы мы приведем чуть позже.

Следует обратить внимание на сопротивление 10 К, которое мы добавили в этой схеме. Более подробно о его предназначении мы поговорим позже, просто имейте в виду, что такой резистор необходим для правильной работы схемы.

Скетч для кнопки ардуино с подтягивающим резистором:

  /*    Пример использования тактовой кнопки в ардуино.    Кнопка подключена к пину 2.  */    const int PIN_BUTTON = 2;    void setup() {    Serial.begin(9600);    pinMode(PIN_LED, OUTPUT);  }    void loop() {    // Получаем состояние кнопки и выводим в мониторе порта    int buttonState = digitalRead(PIN_BUTTON);    Serial.println(buttonState);    delay(50);  }  

Подключение кнопки в режиме INPUT_PULLUP

В указанной выше схеме мы использовали резистор, называемый подтягивающим, для формирования определенного уровня сигнала на цифровом порту. Но есть другой способ подключить кнопку без резистора, используя внутренне сопротивление платы ардуино. В блоке setup мы должны всего лишь определить тип пина, к которому подключим кнопку, как INPUT_PULLUP.

    pinMode(PIN_BUTTON, INPUT_PULLUP);    

Альтернативным вариантом будет выбрать режим пина как OUTPUT и установить на данный порт высокий уровень сигнала. Встроенный подтягивающий резистор подключиться автоматически.

    pinMode(PIN_BUTTON, INPUT_PULLUP);    digitalWrite(PIN_BUTTON, HIGH);    

И все. Можно собрать вот такую сложную схему и работать с кнопкой в скетче.

Мигание светодиода после нажатия на кнопку

В предыдущем примере со светодиодами мы подключили кнопку к плате ардуино и поняли, как она работает. Светодиод включался и выключался, но делал это в совершенно пассивном режиме – сам контроллер здесь был абсолютно лишним, его можно было бы заменить батарейками. Поэтому давайте сделаем наш новый проект более «интеллектуальным»: при нажатии на кнопку заставим светодиод непрерывно мигать. Обычной схемой с лампочкой и выключателем этого уже не сделаешь – мы будем использовать мощь нашего микроконтроллера для решения этой пусть и простой, но не тривиальной задачи.

Полная схема проекта изображена на рисунке:

Фрагмент схемы со светодиодом уже хорошо нам знаком. Мы собрали обычный маячок со светодиодом и ограничительным резистором. А вот во второй части мы видим знакомую нам кнопку и еще один резистор. Пока не будем вдаваться в подробности, просто соберем схему и закачаем в ардуино простой скетч. Все элементы схемы  идут в самых простых стартовых наборах ардуино.

  /*    Скетч для схемы с использованием тактовой кнопки и светодиода    Светодиод мигает, пока нажата кнопка.    Кнопка подтянута к земле, нажатию соответствует HIGH на входе  */    const int PIN_BUTTON = 2;  const int PIN_LED = 13;    void setup() {    Serial.begin(9600);    pinMode(PIN_LED, OUTPUT);  }    void loop() {    // Получаем состояние кнопки    int buttonState = digitalRead(PIN_BUTTON);    Serial.println(buttonState);    // Если кнопка не нажата, то ничего не делаем    if (!buttonState) {      delay(50);      return;    }      // Этот блок кода будет выполняться, если кнопка нажата    // Мигаем светодиодом    digitalWrite(PIN_LED, HIGH);    delay(1000);    digitalWrite(PIN_LED, LOW);    delay(1000);  }  

Нажимаем и держим – светодиод мигает. Отпускаем – он гаснет. Именно то , что хотели. Хлопаем от радости в ладоши и приступаем к анализу того, что сделали.

Давайте посмотрим на скетч. В нем мы видим довольно простую логику.

1. Определяем, нажата ли кнопка.
2. Если кнопка не нажата, то просто выходим из метода loop, ничего не включая и не меняя.
3. Если кнопка нажата, то выполняем мигание, используя фрагмент стандартного скетча:
   1. Включаем светодиод, подавая напряжение на нужный порт
   2. Делаем нужную паузу при включенном светодиоде
   3. Выключаем светодиод
   4. Делаем нужную паузу при выключенном светодиоде

Логика поведения кнопки в скетче может зависеть от способа подключения с подтягивающим резистором. Об этом мы поговорим в следующей статье.

Дребезг кнопки ардуино

В процессе работы с кнопками мы можем столкнуться с очень неприятным явлением, называемым дребезгом кнопки. Как следует из самого названия, явление это обуславливается дребезгом контактов внутри кнопочного переключателя. Металлические пластины соприкасаются друг с другом не мгновенно (хоть и очень быстро для наших глаз), поэтому на короткое время в зоне контакта возникают скачки и провалы напряжения. Если мы не предусмотрим появление таких “мусорных” сигналов, то будем реагировать на них каждый раз и можем привести наш проект к хаусу.

Для устранения дребезга используют программные и аппаратные решения. В двух словах лишь упомянем основные методы подавления дребезга:

• Добавляем в скетче паузу 10-50 миллисекунд между полкучением значений с пина ардуино.
• Если мы используем прерывания, то программный метд использоваться не может и мы формируем аппаратную защиту. Простейшая из них  – RC фильтр с конденсатором и сопротивлением.
• Для более точного подавления дребезга используется аппаратный фильтр с использованием триггера шмидта. Этот вариант позволит получить на входе в ардуино сигнал практически идеальной формы.

Более подробную информацию о способах борьбы с дребезгом вы можете найти в этой статье об устранении дребезга кнопок.

Переключение режимов с помощью кнопки

Для того, чтобы определить, была ли нажата кнопка, надо просто зафиксировать факт ее нажатия и сохранить признак в специальной переменной.

Факт нажатия мы определяем с помощью функции digitalRead(). В результате мы получим HIGH (1, TRUE) или LOW(0, FALSE), в зависимости от того, как подключили кнопку. Если мы подключаем кнопку с помощью внутреннего подтягивающего резистора, то нажатие кнопки приведет к появлению на входе уровня 0 (FALSE).

Для хранения информации о нажатии на кнопку можно использовать переменную типа boolean:

boolean keyPressed = digitalRead(PIN_BUTTON)==LOW;

Почему мы используем такую конструкцию, а не сделали так:

boolean keyPressed = digitalRead(PIN_BUTTON);

Все дело в том, что digitalRead() может вернуть HIGH, но оно не будет означать нажатие кнопки. В случае использования схемы с подтягивающим резистором HIGH будет означать, что кнопка, наоборот, не нажата. В первом варианте (digitalRead(PIN_BUTTON)==LOW ) мы сразу сравнили вход с нужным нам значением и определили, что кнопка нажата, хотя и на входе сейчас низкий уровень сигнала. И сохранили в переменную статус кнопки. Старайтесь явно указывать все выполняемые вами логические операции, чтобы делать свой код более прозрачным и избежать лишних глупых ошибок.

Как переключать режимы работы после нажатия кнопки?

Часто возникает ситуация, когда мы с помощью кнопок должны учитывать факт не только нажатия, но и отпускания кнопки. Например, нажав и отпустив кнопку, мы можем включить свет или переключить режим работы схемы.  Другими словами, нам нужно как-то зафиксировать в коде факт нажатия на кнопку и использовать информацию в дальнейшем, даже если кнопка уже не нажата.  Давайте посмотрим, как это можно сделать.

Логика работы программы очень проста:

• Запоминаем факт нажатия в служебной переменной.
• Ожидаем, пока не пройдут явления, связанные с дребезгом.
• Ожидаем факта отпускания кнопки.
• Запоминаем факт отпускания и устанавливаем в отдельной переменной признак того, что кнопка была полноценно нажата.
• Очищаем служебную переменную.

Как определить нажатие нескольких кнопок?

Нужно просто запомнить состояние каждой из кнопок в соответствующей переменной или в массиве ардуино. Здесь главное понимать, что каждая новая кнопка – это занятый пин. Поэтому если количество кнопок у вас будет большим, то возможно возникновение дефицита свободных контактов. Альтернативным вариантом является использование подключения кнопок на один аналоговый пин по схеме с резистивным делителем. Об этом мы поговорим в следующих статьях.

← Светодиод | Оглавление | Светодиодные сборки →

Тактовая кнопка — простой, всем известный механизм, замыкающий цепь пока есть давление на толкатель.

Кнопки с 4 контактами стоит рассматривать, как 2 пары рельс, которые соединяются при нажатии.

Эффект дребезга

При замыкании и размыкании между пластинами кнопки возникают микроискры, провоцирующие до десятка переключений за несколько миллисекунд. Явление называется дребезгом (англ. bounce). Это нужно учитывать, если необходимо фиксировать «клики».

Схема подключения

Напрашивается подключение напрямую. Но это наивный, неверный способ.

Пока кнопка нажата, выходное напряжение Vout = Vcc, но пока она отпущена, Vout ≠ 0. Кнопка и провода в этом случае работают как антенна, и Vout будет «шуметь», принимая случайные значения «из воздуха».

Пока соединения нет, необходимо дать резервный, слабый путь, делающий напряжение определённым. Для этого используют один из двух вариантов.

Схема со стягивающим резистором

• Есть нажатие: Vout = Vcc
• Нет нажатия: Vout = 0

Схема с подтягивающим резистором

• Есть нажатие: Vout = 0
• Нет нажатия: Vout = Vcc

Практикум

• Кнопки в «Мерзком пианино»
• Кнопки в эксперименте «Миксер»
• Кнопки в игре «Кнопочные ковбои»

← Светодиод | Оглавление | Светодиодные сборки →

Кнопка — всем известное механическое устройство, которое может замыкать и размыкать электрическую цепь по желанию человека. Есть множество видов кнопок, работающих по разным правилам. Например, тактовая кнопка (push button), используемая в этом уроке, замыкает цепь только пока палец давит на неё. Кнопка на размыкание, напротив, разрывает цепь при нажатии.

Есть кнопки с группой контактов, одни из которых рвут цепь при нажатии, а другие в это время замыкают. Маленькие версии таких кнопок часто называют микропереключателями.

Тактовые кнопки, можно найти практически в каждом электронном приборе: в клавиатуре компьютера, в телефоне, в пульте от телевизора, и т.д.

Есть кнопки с фиксацией, работающие как кнопка на шариковой ручке: один раз нажали — цепь замкнулась, второй раз — разорвалась. На фото ниже как раз одна из таких. Кнопки с фиксацией удобно использовать для переключения режима работы устройства. Например, можно переключать источник питания: батарея, или блок питания.

Или другой вариант — большие кнопки для экстренной остановки оборудования. Они окрашены в яркие цвета, чтобы привлекать внимание человека. По сути — обычные тактовые кнопки на размыкание, или кнопки с фиксацией.

Это лишь некоторые варианты. Кроме кнопок, в мире электричества есть и другие механизмы, например, тумблеры и рубильники. Все они призваны  механически управлять течением тока в цепи.

Подключение кнопки

Итак, мы будем работать с самой простой тактовой кнопкой, которую попробуем подключить к Ардуино Уно. Обычно, при работе с беспаечными макетными платами используется кнопка с выводами под пайку. На фото в начале урока видно, что у такой кнопки есть четыре немного загнутых вывода. Есть кнопки и с двумя прямыми выводами, они тоже подходят для наших занятий.

На электрических схемах кнопка изображается так:

Если посмотреть внутрь четырехтактной кнопки, то можно увидеть вот такую схему:

Как правило, выводы тактовой кнопки размещаются на противоположных сторонах корпуса парами. То есть мы можем использовать либо пару контактов на одной стороне, либо пару на другой.

А вот так выглядит схема двухконтактной кнопки.

С этой кнопкой сложно запутаться: два контакта, которые соединяются при нажатии кнопки.

На макетной плате оба типа тактовых кнопок обычно ставятся следующим образом:

Теперь попробуем собрать на беспаечной макетной плате самую простую цепь, которая продемонстрирует работу кнопки. Будем зажигать светодиод.

Полученная схема выполняет нехитрую функцию: нажимаем на кнопку — светодиод зажигается, отпускаем — гаснет.

Подключение к Ардуино Уно

Теперь, когда функция тактовой кнопки предельно ясна, соберем схему с кнопкой и светодиодом, и подключим их к контроллеру. Поставим перед собой простую задачу: пусть при однократном нажатии кнопки Ардуино Уно мигнет три раза светодиодом.

Принципиальная схема

Внешний вид макета

На этой схеме мы видим уже привычную цепь для зажигания светодиода. Также видим кнопку, соединенную с выводом Ардуино №3. Здесь может вполне резонно возникнуть вопрос: зачем мы соединили кнопку ещё и с землей, через резистор 10кОм? Чтобы разобраться с этим вопросом, представим что мы подключили кнопку по «наивной» схеме без всяких дополнительных резисторов.

Здесь между выводом №3 и землей изображен небольшой конденсатор, который способен накапливать заряд. Такая особенность есть у многих микроконтроллеров.

Теперь представим, что мы замыкаем кнопку. Ток начинает бежать от +5В, прямиком в контакт №3, попутно заряжая ёмкость. Ардуино успешно регистрирует нажатие кнопки. Но после того, как мы убираем палец с тактовой кнопки, вопреки нашим ожиданиями, микроконтроллер продолжает считать что кнопка нажата! Еще бы, ведь заряженный конденсатор постепенно отдает накопленный заряд в ногу №3. Это будет продолжаться до тех пор, пока ёмкость не разрядится ниже уровня логической единицы.

Чтобы такого не случилось и нужен так называемый стягивающий резистор (или подтягивающий к земле). При замыкании кнопки ток пойдет по пути наименьшего сопротивления, то есть на вывод №3. А вот как только кнопка будет отжата, паразитная ёмкость мгновенно разрядится на землю, через резистор.

Подключение модуля тактовых кнопок ROC к Ардуино

Специально для ваших проектов мы в RobotClass сделали модуль из двух тактовых кнопок. На модуле уже есть необходимые резисторы и даже два светодиода для индикации нажатия кнопок.

Разберемся с подключением этого модуля к Ардуино Уно.

Принципиальная схема

Внешний вид макета

Как можно было заметить, независимо от того, какие всё-таки кнопки мы будем использовать — схема подключения не сильно меняется. Не будет менять и программа для работы с ними.

Программа для работы с кнопкой на Ардуино

Наконец, мы разобрались с нюансами нашей схемы, и готовы к написанию программы. В уроке по зажиганию светодиода мы познакомились с функциями настройки выводов pinMode и функцией вывода в цифровой порт digitalWrite. На этот раз нам понадобится ещё одна важная функция, которая обеспечивает ввод информации в микроконтроллер:

digitalRead( номер_контакта );

Эта функция возвращает логическое значение, которое Ардуино считала с заданного контакта. Это означает, что если на контакт подать напряжение +5В, то функция вернет истину*. Если контакт соединить с землей, то получим значение ложь. В языке C++, истина и ложь эквивалентны числам 1 и 0 соответственно.

Для того, чтобы интересующий нас контакт заработал в режиме ввода информации, нам нужно будет установить его в определенный режим:

pinMode( номер_контакта, INPUT );

Наконец, соберем всё вместе, и напишем программу.

Загружаем программу на Ардуино Уно, и проверяем работу программы. Если всё сделано правильно, должно получиться как на картинке:

Ну вот и всё. Теперь мы можем управлять нашими устройствами при помощи кнопок. Если вы уже прошли урок по подключению ЖК дисплея, то мы вполне сможем сделать часы с будильником!

Программа для кнопки-триггера

Еще один пример, заслуживающий внимания — кнопка-триггер. Работает она так: один раз нажали кнопку — светодиод загорелся, второй раз нажали — потух.

Чтобы реализовать такое поведение кнопки, нам потребуется дополнительная переменная, которую часто называют «переменной состояния» или «флагом».

Загружаем программу на Ардуино и проверяем работу схемы. Быстро нажмем кнопку — светодиод зажжется. Снова нажмем — погаснет. А вот если нажать кнопку и не отпускать, то светодиод начнет мигать с периодом 600мс! Почему так? Попробуйте разобраться.

Задания

В качестве тренировки попробуем решить несколько простых задачек с кнопкой и светодиодом.

• В схеме присутствует две кнопки и один светодиод. Пусть при нажатии на первую кнопку светодиод зажигается, а при нажатии на вторую — гаснет.
• Пианино. В схеме присутствует семь кнопок кнопка и один динамик. При нажатии на каждую из семи кнопок динамик должен воспроизводить соответствующую ноту. Потребуется изучить урок про динамик.
• Игра «Ковбои». В схеме присутствуют две кнопки, один зуммер и два светодиода. После запуска программы зуммер должен издать короткий звук. Сразу после этого, каждый из игроков должен как можно быстрее нажать свою кнопку. У того игрока, который сделает это первым, загорится светодиод. Потребуется изучить урок про прерывания.

Используемые источники:

• https://arduinomaster.ru/datchiki-arduino/knopka-arduino/
• http://wiki.amperka.ru/конспект-arduino:кнопка
• https://robotclass.ru/tutorials/arduino_buttons/