Ардуино и клавиатуры (полный гайд)
Привет, жители Хабра! Сегодня я решил сделать полный гайд по клавиатурам для Arduino.
Внимание! Статья ориентирована преимущественно на новичков!
Во многих проектах появляется необходимость создания возможности ввода данных пользователем. Если вам нужно реализовать большое количество кнопок(относительно), то подключать их по-отдельности становится и долго, и нерационально. Для этой цели лучше выбрать какую-нибудь клавиатуру, но как и к любому выбору, к нему нужно подходить осознано. Какие же бывают виды клавиатур и как с ними взаимодействовать?
Глобально, все модули данного типа можно поделить на две большие категории: матричные и аналоговые.
Матричные клавиатуры
Самый простой, дешёвый и популярный вид клавиатур. Он относительно прост в изготовлении и заполняет собой большую часть рынка модулей ардуино. Выглядит чаще всего следующим образом:
Принцип работы
Понять как устроена данная клавиатура можно изучив следующую схему:
Чтобы понять какая кнопка была нажата, нужно подавать сигнал на первые четыре контакта модуля и смотреть какой сигнал возвращается со второй. Но не стоит пугаться того, что вам придется писать алгоритмы обработки для восьми пинов вручную — в этом нам поможет готовая библиотека «keypad.h», благодаря которой нам не придется изобретать велосипед.
Подключение к плате
Подключение собственно модуля
В этой статье я воспользуюсь следующей схемой подключения:
У Вас наверное возникает вопрос: «Почему я решил использовать пины со второго по девятый, пропустив нулевой и первый?» — дело в том, что некоторые модули, используют их в качестве каналов RX и TX для получения и передачи данных соответственно. К примеру, блютуз модуль. Поэтому с учётом возможного дополнения проекта другими модулями, было решено оставить данные пины подключения свободными.
Написание скетча
Для начала, для того, чтобы получить возможность использовать библиотеку для подключения клавиатур в коде, нужно установить её на ваше устройство. Это можно сделать следующим образом: в самой Arduino IDE нажимаем Скетч -> Подключить библиотеку -> Управлять библиотеками… либо используем комбинацию горячих клавиш «Ctrl + Shift + I». В поиске вбиваем «keypad.h»(без скобочек) и нажимаем «Установка».
После установки приступаем к написанию скетча:
Плюсы и минусы
Минусы
Плюсы
Аналоговые клавиатуры
Принцип работы
В аналоговых клавиатурах для изменения уровня напряжения используются резисторы, а сигнал выходит по одному каналу, который подключается в, собственно, аналоговый пин на плате. Как всё устроено можно понять взглянув на следующую схему:
Подключение к плате
Подключение выполняется очень просто, но может изменятся в зависимости от конкретной клавиатуры. В этой статье я буду рассматривать пример использование этой китайской аналоговой клавиатуры с али.
Итак: аналоговый выход клавиатуры соединяем с любым аналоговым пином на плате, контакт VCC на плате соединяем с 3.3V(не смотрите на надпись на самой клавиатуре, которая гласит о 5V — это ошибка), а GND на плате с GND на модуле. Вы можете воспользоватся следующей схемой:
Написания скетча
Здесь не нужно использовать сторонние библиотеки, т.к. всё предельно просто и понятно. Вот собственно и сам код, который считывает нажатую кнопку и выводит её номер, от 1 до 16(слева на право, с верху в низ) либо 0 если ничего не нажато, в монитор порта.
Плюсы и минусы
Плюсы
Минусы
Итоги
Лично я рекомендую использовать именно аналоговые клавиатуры, так как они чаще-всего более качественные и подключать их проще-простого. Главное обращать внимание на таблицу значений нажатых кнопок, которую предоставляет производитель или же, если таковой нет, можно сделать эти замеры самостоятельно, выводя значения из аналогового порта в монитор порта, чтобы потом использовать их в коде. Но выбор, всегда остается за Вами: использовать стандартный дешёвый вариант либо переплатить ради значительных плюсов в некоторых ситуациях.
На этом у меня всё. Оставляйте свои вопросы в комментариях, пишите своё мнение и встретимся на просторах Хабра!
Подключение кнопки к Arduino. GyverButton v3.8
ОБНОВЛЕНИЯ
- v3.6: добавлен отдельный класс для работы с аналоговыми клавиатурами, см пример analogKeyboardG
- v3.7: исправления от Dryundel:
- Любой таймаут удержания
- Single, Double и Triple теперь не мешают hasClicks и getClicks и работают совместно
- isStep() тоже теперь ничего не мешает и он работает более корректно
- v3.8: исправления от Dryundel
ТЕОРИЯ
На сайте есть отдельный подробный урок по работе с кнопками.
Кнопка – простейший орган управления микроконтроллером. Подключить кнопку к Arduino очень просто, но нужно помнить, что пин должен иметь два стабильных состояния – высокое и низкое, GND или VCC. Для этого пин кнопки подтягивают резистором
10 кОм противоположно подключению кнопки, т.е. если кнопка подключена второй ногой к GND, пин подтягивают к VCC, и наоборот.
Микроконтроллер имеет “встроенную” подтяжку ног к VCC, что даёт возможность подключать кнопку только к GND и пину, но режим работы пина нужно выбрать INPUT_PULLUP. Я, например, всегда подключаю отладочную кнопку на D3 вот таким образом:
Также можно подключить несколько кнопок к аналоговому пину, получится так называемая аналоговая клавиатура. Значение функции analogRead() будет зависеть от нажатой кнопки.
БИБЛИОТЕКА
GyverButton v3.8
Для удобной и многофункциональной работы с кнопкой я написал библиотеку GyverButton. Что она умеет:
- Работа с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми кнопками
- Работа с подключением PULL_UP и PULL_DOWN Опрос кнопки с программным антидребезгом контактов (настраиваемое время)
- Отработка нажатия, удерживания, отпускания, клика по кнопке (+ настройка таймаутов)
- Отработка одиночного, двойного и тройного нажатия (вынесено отдельно)
- Отработка любого количества нажатий кнопки (функция возвращает количество нажатий)
- Функция изменения значения переменной с заданным шагом и заданным интервалом по времени
- Возможность работы с “виртуальными” кнопками (все возможности библиотеки используются для матричных и резистивных клавиатур)
Поддерживаемые платформы: все Arduino (используются стандартные Wiring-функции)
Версия 3.5: значительно увеличена производительность для AVR Ardiuno плат
Работа с кнопками
Кнопка является простейшим устройством, при помощи которого можно управлять ходом программы на микроконтроллере, но физически она выполняет очень простую функцию: замыкает и размыкает контакт. Кнопки бывают нескольких типов:
- С фиксацией – кнопка остаётся нажатой после отпускания, без фиксации – отключается обратно.
- Нормально разомкнутая (Normal Open, NO) – при нажатии замыкает контакты. Нормально замкнутая (Normal Closed, NC) – при нажатии размыкает контакты.
- Тактовые кнопки – замыкают или размыкают контакт. У обычных тактовых кнопок ноги соединены вдоль через корпус (см. картинку ниже). Переключатели – обычно имеют три контакта, общий COM, нормально открытый NO и нормально закрытый NC. При отпущенной кнопке замкнута цепь COM-NC, при нажатой замыкается COM-NO.
Подключение и подтяжка
Из урока про цифровые пины вы помните, что микроконтроллер может считывать напряжение со своей ноги. Соответственно кнопка может подать на пин тот уровень, к которому подключена её вторая нога. В том же уроке мы обсуждали, что не подключенный никуда цифровой пин принимает наводки из воздуха, и считанное с него значение будет практически случайным. То есть подключив к пину 5V (сигнал высокого уровня) через кнопку, мы ничего не добьёмся: при нажатой кнопке на пине будет считываться четкий сигнал высокого уровня, а при отпущенной – случайное значение. Для решения этой проблемы существует такое понятие, как подтяжка (pull) пина. Подтяжка выполняется к земле (pull down) или питанию (pull up) микроконтроллера при помощи резистора. Подтяжка выполняется противоположно принимаемому сигналу, т.е. если нужно ловить высокий сигнал, подтяжка выполняется к земле, если ловить нужно сигнал земли – подтяжка выполняется к питанию. Вот два варианта подключения кнопки, с подтяжкой к VCC и GND соответственно: Как выбирается сопротивление резистора? Тут всё очень просто: при нажатии на кнопку через резистор потечёт ток, так как в любом случае замыкается цепь питание-земля. Чем выше ток, больше потери энергии и нагрев резистора, а это никому не нужно, поэтому сопротивление резистора подтяжки обычно выбирается в диапазоне 5-50 кОм. Если ставить больше – подтяжка может не обеспечить стабильный уровень сигнала на пине, а если ставить меньше – будут больше потери энергии в нагрев резистора: при сопротивлении в 1 ком через него потечёт ток величиной 5 В/1000 Ом = 5 мА, для сравнения плата Ардуино с МК в активном режиме потребляет 20-22 мА. Чаще всего для подтяжки используется резистор на 10 кОм. Как вы помните из урока о цифровых пинах, у МК AVR есть встроенные резисторы для всех GPIO, эти резисторы подключены к питанию (к VCC), то есть буквально дублируют первую схему из этого урока и позволяют не использовать внешний резистор. У микроконтроллеров другой архитектуры бывает подтяжка к GND, или вообще может не быть внутренней подтяжки. При использовании подтяжки к питанию мы получим инвертированный сигнал – функция digitalRead() вернёт 1 при отпущенной кнопке, и 0 при нажатой (при использовании нормально-разомкнутой кнопки). Давайте подключим кнопку на пин D3 (и GND): 
Алгоритмы
Отработка нажатия
В большинстве реальных применений работать с текущим состоянием кнопки очень неудобно, например когда действие должно быть выполнено однократно при нажатии на кнопку, т.е. по клику. Чуть усложним конструкцию, добавив один флаг, который будет помнить состояние кнопки. Такая конструкция позволяет отслеживать нажатие и отпускание кнопки и реагировать на них однократно:
Дребезг контактов
Кнопка не идеальна, и контакт замыкается не сразу, какое-то время он “дребезжит”. Прогоняя данный алгоритм, система опрашивает кнопку и условия приблизительно за 6 мкс, то есть кнопка опрашивается 166’666 раз в секунду! Этого достаточно, чтобы получить несколько тысяч ложных срабатываний. Избавиться от дребезга контактов можно как аппаратно, так и программно: аппаратно задача решается при помощи RC цепи, то есть резистора (
1-10k) и конденсатора (
100nF). Выглядит это следующим образом:
Программно можно ввести простейший таймер нажатия, основанный на millis() , время гашения дребезга примем 100 миллисекунд. Вот так будет выглядеть код:
Рекомендуется конечно же использовать аппаратный способ, так как он не нагружает ядро лишними расчетами. В 99.99% проектов будет достаточно программного антидребезга, так то смело используйте конструкцию с millis() .
“Импульсное” удержание
В устройствах с управлением кнопкой очень часто бывает нужна возможность изменения значения как однократно кликом по кнопке, так и “автоматически” с тем же шагом – при удержании. Такой вариант реализуется очень просто, добавлением ещё одного условия в наш предыдущий алгоритм, а именно: если кнопка была нажата, но ещё не отпущена, и прошло времени больше, чем задано – условие вернёт true . В примере ниже периодичность “нажатий” при удержании настроена на 500 миллисекунд (2 раза в секунду):
Пользоваться таким кодом напрямую будет неудобно, поэтому можно “обернуть” его в класс (читай урок про классы и урок про написание библиотек).
Простейший класс кнопки
Вот так предыдущий пример можно сделать классом (мы делали это вот в этом уроке), положить его в отдельный файл (button.h) и пользоваться:
Другие возможности кнопки
Кнопка только с виду кажется простым устройством, дающим 0 и 1, но, подключив фантазию и время, можно придумать гораздо больше применений обычной кнопке. В моей библиотеке GyverButton реализовано очень много всяких интересных возможностей по работе с кнопкой, вот список:
- Работа с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми кнопками
- Работа с подключением PULL_UP и PULL_DOWN Опрос кнопки с программным антидребезгом контактов (настраиваемое время)
- Отработка нажатия, удерживания, отпускания, клика по кнопке (+ настройка таймаутов)
- Отработка одиночного, двойного и тройного нажатия (вынесено отдельно)
- Отработка любого количества нажатий кнопки (функция возвращает количество нажатий)
- Функция изменения значения переменной с заданным шагом и заданным интервалом по времени
- Возможность работы с “виртуальными” кнопками (все возможности библиотеки используются для матричных и резистивных клавиатур)
Подробное описание библиотеки можно почитать в заголовочном файле на странице библиотеки, также там есть много примеров.
Аналоговые клавиатуры
Аналоговые клавиатуры – достаточно глубокая тема, достойная отдельного урока (у меня его пока что нет). Максимально подробный урок-исследование можно посмотреть на сайте Codius.
Видео