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使用按钮

1. 按钮

按钮是一种非常常用的交互元器件,学会使用按钮很有必要。

下面是一个按钮接线图和使用按钮的一个程序,大家可以先看一下。

按钮接线图

int button = 2;
int led = 13;

void setup() {
pinMode(button, INPUT);
pinMode(led, OUTPUT);
}

void loop() {
bool buttonStatus = digitalRead(button);
if (buttonStatus == HIGH) {
digitalWrite(led, HIGH);
}
else {
digitalWrite(led, LOW);
}
}

在这个程序中,我们使用了一个板载 LED 和一个按钮。可以观察到,当我们按下按钮时,LED 会被点亮,松开后就会熄灭。

在这里我们使用了pinMode()mode 参数的第二个可选值INPUT,即输入模式。

2. digitalRead()函数

语法:

digitalRead(pin);

该函数用来读取某个引脚的引脚状态。

参数 pin:Arduino 的引脚号。

在 5V 的单片机中,如果输入电压高于 3V则认为输入的是高电平,返回 1,否则认为是低电平,返回 0。

所以在 loop 循环中,我们通过bool buttonStatus = digitalRead(button)来读取按钮的状态。当按钮按下时,5V 的电压会通过按钮输入到 2 号引脚,单片机读取引脚状态,存储到buttonStatus中。如果是高电平,就点亮板载 LED,低电平就熄灭 LED。

按钮和LED

3. 按钮进阶

加入我们需要按一下按钮,灯点亮,再按一下按钮,灯熄灭,这样我们应该如何编写呢。

其实最简单的方法就是在函数末尾增加一个延时,同时对代码进行稍加修改:

int button = 2;
int led = 13;
bool ledStatus = false;

void setup() {
pinMode(button, INPUT);
pinMode(led, OUTPUT);
}

void loop() {
bool buttonStatus = digitalRead(button);
if (buttonStatus) {
ledStatus = !ledStatus;
digitalWrite(led, ledStatus);
}
delay(200);
}

大家上传代码后可以试一下是不是可以初步达到目的。

可能有人会发现,有时候按钮按下去,灯没有反应,这是为什么?

那是由于 delay 这样的延时只是保证了每次运行之间多出 200ms 的延时,在这期间,单片机不能做任何事情,当然肯能会漏掉一次检测按钮的可能。

关键问题就是如何让这 200ms 期间,程序不被 block,能够不断检测按钮状态。

下面是一个很好的方法,大家可以参考一下:

int button = 2;
int led = 13;
bool ledStatus = false;
unsigned long lastTime;

void setup() {
pinMode(button, INPUT);
pinMode(led, OUTPUT);
}

void loop() {
bool buttonStatus = digitalRead(button);
// 按钮检测到被按下,且上一次按下和这次间隔超过200ms
if (buttonStatus && millis() - lastTime > 200) {
ledStatus = !ledStatus;
digitalWrite(led, ledStatus);
// 记录这次按下的时间
lastTime = millis();
}
}

在这里我们通过对比两次按钮按下的时间间隔,如果两次间隔超过 200ms 就认为这是两次不同按键动作,否则我们就忽略认为是一次动作,不进行操作。

大家可以发现,这个程序运行起来明显准确得多,每一次按钮按下都能检测到。

在这个程序中,我们使用了一个新的函数millis(),这也是 Arduino 内置的函数。

语法:

time = millis();

millis()记录了自程序启动后经过的时间,单位是 ms,返回的数据类型也是unsigned long。这个函数最多可以记录50 天的值,之后就会溢出变为 0。

Arduino 同时还有另一个记录时间的函数micros(),它的单位是 us,返回的数据类型同样也是unsigned long。大约70 分钟后,此数字将溢出变为 0。

在 Arduino Portenta 系列的开发板上,此功能在所有内核上的分辨率为1 微秒。在 16MHz 的 Arduino 开发板(如 Uno 和 Nano 上,此函数的分辨率为4 微秒,即返回的值始终是 4 的倍数)。在 8MHz 的 Arduino 开发板(例如 LilyPad)上,此函数的分辨率为8 微秒

5. 按钮硬件消抖

其实按钮在按下和松开的过程中,按钮中的两个金属片并不是直接接触和松开的,在这过程中其实着抖动,也就是按钮在 0 和 1 之间抖动。

下面是按钮抖动的示意图:

按钮抖动

那我们如何解决这个问题呢,比较常用的方法就是加入上拉电阻或者下拉电阻帮助消抖。也就是让按钮在没有被完全按下的时候保持高电平或者低电平

下面是我们的按钮加入下拉电阻的接线图:

下拉电阻

原理图如下:

下拉电阻原理图

由于下拉电阻的存在,当按钮还在波动的期间,IO 口都会被下拉电阻拉低,直到完全按下时,下拉电阻被短路,IO 口输入高电平。

同理有上拉电阻:

上拉电阻

在大部分应用中,上拉电阻的使用更多一些。同时,现在的单片机大多都有内部上拉电阻,有的也有内部下拉电阻,这就是pinMode()mode 参数的第三个可选值INPUT_PULLUP

因此上面的代码可以改成如下代码,同时使用软件和硬件消抖:

int button = 2;
int led = 13;
bool ledStatus = false;
unsigned long lastTime;

void setup() {
// 上拉电阻——硬件消抖
pinMode(button, INPUT_PULLUP);
pinMode(led, OUTPUT);
}

void loop() {
bool buttonStatus = digitalRead(button);
// 软件消抖——按钮检测到被按下,且上一次按下和这次间隔超过200ms
if (buttonStatus && millis() - lastTime > 200) {
ledStatus = !ledStatus;
digitalWrite(led, ledStatus);
// 记录这次按下的时间
lastTime = millis();
}
}