Как подключить модуль с кнопкой к Ардуино
Рассмотрим в этой статье, как подключить модуль с кнопкой ky-004 к Arduino Uno и представим простой скетч (программу) для включения/выключения светодиода. Модуль тактовой кнопки часто входит в комплект стартового набора для начинающих или Sensor Kit. Способом подключения к микроконтроллеру ничем не отличается от любого другого аналогового сенсора, например, датчика вибрации для Arduino.
Характеристики модуля кнопки Ардуино
KY-004 — это модуль для микроконтроллера Arduino Nano с тактовой кнопкой, выполненный на печатной плате. Модуль имеет нормально разомкнутые контакты, то есть контакты замыкаются при нажатии на кнопку, а на выходе датчика появляется напряжение низкого уровня. Между контактом выхода «S» и средним контактом, который подключается к пину «5V» Arduino, впаян резистор сопротивлением 10 кОм.
Таким образом, макетная плата потребуется только для подключения светодиода к микроконтроллеру. С помощью модуля кнопки можно также включать и выключать лазерный светодиод, шаговый двигатель и любое другое устройство. Также можно собрать простую игру на микроконтроллере Ардуино с LCD дисплеем, которая представлена на нашем сайте в разделе «Проекты на Ардуино» для начинающих.
Подключение тактовой кнопки к Ардуино
Для этого занятия потребуется:
- Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
- модуль с кнопкой KY-004;
- один светодиод и резистор;
- беспаечная макетная плата;
- провода «папа-папа», «папа-мама».
Схема подключения модуля с кнопкой к Ардуино Уно
| KY-004 | Arduino Uno | Arduino Nano | Arduino Mega |
| — | GND | GND | GND |
| + | 5V | 5V | 5V |
| S | A1 | A1 | A1 |
Подключать модуль можно, как к цифровому пину общего назначения, так и к пинам входа для аналоговых датчиков. KY-004 позволяет подключить кнопку к Ардуино без использования макетной платы, в остальном нет никаких отличий от подключения обычной тактовой кнопки к микроконтроллеру. Соберите схему, как на картинке и выше и загрузите следующий скетч (ссылка для скачивания программы здесь).
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
Ардуино: кнопки
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:
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:
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.