Устранение дребезга кнопки arduino

Устранение дребезга кнопки arduino

Дребезг контактов кнопки ардуино – одно из самых неприятных и непонятных явлений, с которыми сталкивается начинающий ардуинщик. Устранение дребезга необходимо для корректной работы проекта, в противном случае на короткий отрезок времени схема становится практически неуправляемы. В этой статье мы рассмотрим основные причины возникновения и способы подавления дребезга. О том, что такое кнопка, как правильно подключать модуль и писать для него скетч вы можете прочитать в первой статье, посвященной кнопкам в ардуино.

Причины дребезга кнопок

Кнопка ардуино – один из самых популярных и простых видов датчиков. В основе работы любой кнопки лежит механический способ смыкания-размыкания контактов. Нажимая на любую, даже самую простую тактовую кнопку, мы формируем определенное давление на внутренние механизмы (пластины или пружины), в результате чего происходит сближение или расхождение металлических пластин.

Мы люди взрослые и хорошо понимаем, что идеального в мире ничего не существует, в том числе идеально гладких поверхностей, контактов без неровностей, сопротивления и паразитной емкости. В нашем неидеальном мире в момент нажатия на кнопку в месте соединения контакты не соприкасаются мгновенно, микро-неровности на поверхности не позволяют пластинам мгновенно соединиться. Из-за этого в короткий промежуток времени на границе пластинок меняется и сопротивление, и взаимная емкость, из-за чего возникают масса разнообразных изменений уровня тока и напряжения. Другими словами, возникают очень интересные, хотя и не очень приятные процессы, которые в электротехнике называют переходными.

Переходные процессы протекают очень быстро и исчезают за доли миллисекунд. Поэтому мы редко их замечаем, например, когда включаем свет в комнате. Лампа накаливания не может менять свою яркость с такой скоростью, и тем более не может реагировать на изменения наш мозг. Но, обрабатывая сигал от кнопки на таком быстром устройстве, как Arduino, мы вполне можем столкнуться с такими переходными эффектами и должны их учитывать при программировании.

В идеальном мире форма сигнала после нажатия на кнопку должна быть строго прямоугольная. В реальных же условиях вместе резкого перехода мы видим множество пиков и спадов.

Ошибки дребезга кнопки

Как отразится дребезг на нашем проекте? Да самым прямым образом – мы будем получать на входе совершенно случайный набор значений. Ведь если мы считываем значение с кнопки непрерывно, в каждом новом рабочем цикле функции loop, то будем замечать все “всплески” и “падения” сигнала. Потому что пауза между двумя вызовами loop составляет микросекунды и мы измерим все мелкие изменения.

Если мы хотим отследить ситуацию, когда кнопка была отпущена после нажатия, то получим множество ложных сигналов – она будет “нажата-отпущена” десятки раз, хотя мы выполнили лишь однократное нажатие.

Вот пример скетча, в котором непременно обнаружится ошибка дребезга. Мы сможем увидеть в мониторе порта в первые мгновения после нажатия целый набор нулей и единиц в случайной последовательности (не важно, что означает 1 – нажатие или отпускание кнопки, важен сам факт появления хаоса).

Естественно, такое поведение ни к чему хорошему не приведет и нам нужно придумать способ борьбы с дребезгом. В нашем арсенале есть два способа: программный и аппаратный. Первый довольно простой, но не всегда его можно использовать в реальных проектах. Второй – более надежный, но требует существенных изменений в схеме. Давайте рассмотрим оба способа подробнее.

Программный способ устранения дребезга кнопок

Самым простым способом справиться с проблемой дребезга кнопки является выдерживание паузы. Мы просто останавливаемся и ждем, пока переходный процесс не завершится. Для этого можно использовать функцию delay()или millis() (за подробной информации можете обратиться к статье про использование функций delay() и millis() в ардуино). 10-50 миллисекунд – вполне нормальное значение паузы для большинства случаев.

В данном примере мы использовали задержку в программе, чтобы не реагировать на случайные всплески и определить реальную смену сигнала.

Борьба с дребезгом кнопки с помощью библиотеки ардуино

Проблема с дребезгом настолько популярна, что есть специальные библиотеки, в которых вам не надо организовывать ожидание и паузы вручную – это все делается внутри специального класса. Пример популярной библиотеки для борьбы с дребезгом кнопок – библиотека Bounce.

Пример использования библиотеки:

Аппаратный способ подавления дребезга кнопки

Подавление дребезга кнопки с помощью задержек в скетче – способ очень распространенный и не требующий изменения самой схемы. Но далеко не всегда его можно использовать – ведь 10 миллисекунд – это целая вечность для многих процессов в электроном мире. Также программный способ невозможно применять при использовании прерываний – дребезг приведет к многократному вызову функций и повлиять на этот процесс в скетче мы не сможем.

Более правильный (и более сложный) способ борьбы с дребезгом – использование аппаратного решения, сглаживающего импульсы, посылаемые с кнопки. Для этого, правда, придется внести изменения в схему.

Читайте также:  Как загрузить пресеты в мобильный лайтрум

Аппаратный способ устранения дребезга основан на использовании сглаживающих фильтров. Сглаживающий фильтр, как следует из названия, занимается сглаживанием всплесков сигналов за счет добавления в схему элементов, имеющих своеобразную “инерцию” по отношению к таким электрическим параметрам как ток или напряжение. Самым распространенным примером таких “инерционных” электронных компонентов является конденсатор. Он может “поглощать” все резкие пики, медленно накапливая и отдавая энергию, точно так же, как это делает пружина в амортизаторах.

За счет инерции устройство как утюгом походит по “мятому” сигналу с большим количеством пиков и впадин, создавая пусть и не идеальную, но вполне гладкую кривую, у которой легче определить уровень срабатывания.

Пример простого фильтра на базе RC-цепочки

Схема подключение фильтра для устранения дребезга:

Пример подключения к плате ардуино

Форма сигнала после использования фильтра:

Как видим, “лес” дребезга сменился достаточно плавной линией, с которой уже можно работать дальше.

Подавление дребезга с помощью триггера шмидта

Сделать квадратную форму сигнала с помощью простой RC цепочки невозможно. Для “огранения” сглаженных форм используется специальный компонент, который называется триггер шмидта. Его особенностью является срабатывание при достижении определенного уровня сигнала. На выходе триггера шмидта мы получим или высокий или низкий уровень сигнала, никаких промежуточных значений. Выход триггера инвертированный: при спаде входного сигнала он выдает на выходе включение и наоборот. Ниже представлена схема и результат работы с триггером шмидта.

Иллюстрация результата работы:

Как видим, мы практически полностью избавились от результатов переходных процессов, сперва превратив хаос в почти гладкую кривую линию, а затем с помощью триггера шмидта “отрубили” хвосты, придав сигналу практически идеальный вид. Подав его на вход ардуино, мы уже можем не беспокоиться о ложных срабатываниях и смело использовать в скетче метод digitalRead и прерывания.

Заключение

Явление дребезга кнопок – распространенная проблема, встающая перед всеми разработчиками ардуино. У нас в арсенале есть несколько возможностей устранения дребезга. Программный метод заключается в добавлении задержки в процессе измерения сигнала. Аппаратный способ подавления дребезга с помощью сглаживающего фильтра и триггера шмидта более сложный, но надежный. Выбирайте подходящий вариант, в зависимости от требований к проекту и ваших возможностей.

Ардуино – один из удобнейших и популярнейших микроконтроллеров на сегодняшний день. Всё это благодаря упрощенным механикам эксплуатации, проектировки систем и наличию большого количества библиотек в открытом доступе, что в несколько раз облегчает жизнь инженерам, желающим воплотить свои задумки.

Но даже в такой идеальной, казалось бы, системе, встречаются недочеты и поломки, которые могут мешать работе или просто раздражать пользователей. Давайте же разберёмся с одной из них, а именно, почему в Ардуино встречается дребезг контактов, и что с ним делать.

Причины дребезга контактов

На самом деле, данное явление встречается достаточно часто и является крайне пугающим и неприятным для начинающих ардуинщиков, которые всё ещё не знают, как с ним бороться, и что это вообще такое. С этим «багом» система может работать вполне исправно, вырубаясь лишь на короткие промежутки времени, но именно эти отключения и являются основной причиной недоумения новичков и множества проблем, поэтому справиться с проблемой стараются как можно быстрее.

Чаще всего с дребезгом сталкиваются при подключении кнопки, но почему так происходит? Вот пример при котором это будет:

Кнопка – это один из видов дополнительных модулей под Ардуино, служащих для ввода информации. В основе работы такого механизма лежит простой алгоритм работы – вы надавливаете на механический переключатель, он смыкает контакты, лежащие под оболочкой, и запускается какой-нибудь скрипт. Таким образом, при помощи давления, которое формируется при нажатии, происходит схождение или расхождение металлических пластин, которые и выступают наиболее популярными триггерами.

Программисту остается лишь написать код, который будет как-то засекать данное событие и выполнять определённые действия.

Пример программного решения проблемы:

Алгоритм работы казался бы простым, но всегда стоит помнить, что идеализированные системы не применимы на практике, и на той же практике вам приходится сталкиваться с различными их недочетами, как серьезными, так и мелкими, например, отсутствием гладких поверхностей, неровностями на контактах и, для более продвинутых, паразитной емкостью.

Соответственно, в реальности контакты соприкасаются не моментально, из-за недочетов конструкции и на короткий промежуток времени на границах пластин меняется сопротивление, вместе с взаимной емкостью.

Всё это приводит к разнообразным изменениям уровня тока и напряжения, и вместо идеальной диаграммы в виде равнобедренной прямоугольной трапеции, мы получаем промежуток из максимумов и минимумов, прежде, чем система уравновесится. Все эти процессы называются в электротехнике переходными, и, зачастую, просто незаметны для обывателя. Простейшим примером будет включение света в комнате, ведь лампа накаливания разогревается и меняет свою яркость не моментально. Но наш мозг не способен зарегистрировать всё это сам по себе.

Читайте также:  Телефон оператора теле2 саратов

Однако, когда мы сталкиваемся с системами, способными фиксировать состояние объектов вплоть до миллисекунды, все эти процессы становятся заметными и крайне проблемными. А всё дело в том, что каждая строчка кода, которую вы прописываете при программировании системы, каким-то образом должна учитывать и обрабатывать все сигналы, в том числе и тот самый пресловутый «дребезг контактов».

Сделать это не так легко, а неприспособленный код, хоть и скомпилируется, но будет вести себя непредсказуемо, что станет кошмаром для любого инженера. Мы разобрались в причинах, но какие же ошибки нам стоит ожидать из-за дребезга?

Ошибки дребезга кнопки

Проще всего заметить основные проблемы, которые доставляет дребезг контактов на Аrduino, на непосредственном проекте, в котором прописан код для обработки события нажатия кнопки.

Если вы уже работали с подобной задачей, то должны помнить, что для этого используется специальный цикл, дабы постоянно проверять состояние рычага и в нужный момент преобразить систему под необходимые условия, например, подав напряжение на выход. 1 такой цикл проходит за промежуток времени, зависящий от мощности процессора, но, зачастую, не превышающий нескольких миллисекунд.

Этого времени вполне достаточно, чтобы код успел отреагировать на «шумы» при нажатии кнопки. А теперь представьте себе ситуацию – в вашей программе прописано запускать процесс, как только кнопка нажимается, и выключать, как только её отпускают. Для регистрации обоих событий применяется перепад напряжения. В результате цикл будет несколько раз запускать и закрывать функции, пока происходит дребезг контактов. Если всё это происходит ещё и в многопоточном режиме, то нагрузку в стеке микроконтроллера не сложно вообразить.

Борьба с дребезгом кнопки с помощью библиотеки Ардуино

Мы поняли, что проблема чисто аппаратная, но, как ни парадоксально, со стороны «железа» её сложно исправить. Вы же не можете лично под микроскопом отполировать контакты, да ещё и просить пользователя нажимать на кнопку лишь с одной силой и на постоянной основе.

Поэтому нам придется хитрить со стороны кода и пытаться каким-то образом вписать в обработчик событий этот непростой процесс. А так как мы уже знаем природу этого явления, то примерно представляем, как его обойти или хотя бы постараться минимизировать нагрузку на систему в этот момент.

А всё на самом деле просто, ведь перед нами стоит такой перечень условий:

  1. На срок до 10-100 мС, система пребывает в нестабильном состоянии и может выдавать ошибки.
  2. Далее идет срок от 1 до 2-ух секунд, что в 10 раз больше от предыдущего, пока кнопку нажимают.
  3. И вновь, под конец, 10-100 мС, длится дребезг.

Все, кто работал с многопоточностью на Си, уже заприметили очевидные триггеры, от которых мы и будем отталкиваться. Дело в том, что для предотвращения проблем по программной части нам достаточно выдержать тишину на каком-то промежутке времени, пока дребезг не пройдет, то есть достаточно воспользоваться уже готовой функцией delay().

Борьба с дребезгом библиотекой "bounce"

Как вариант борьбы с дребезгом в Ардуино — библиотека Bounce, которую можно скачать на Github.

Название Назначение
Bounce() инициализация объекта "Bounce";
void interval (мсек) устанавливает время задержки в миллисекундах;
void attach (номерПина) задаёт вывод, к которому подключена кнопка;
int update() обновляет объект и возвращает true, если состояние пина изменилось, и false в противном случае;
int read() считывает новое состояние пина.

Подавление дребезга с помощью триггера Шмидта

Хоть аппаратно баг и тяжело правится, но это возможно. Вам потребуется лишь подключить триггер Шмидта.

Это небольшое устройство, которое позволяет «сглаживать» углы трапеции, убирая все скачки напряжения. Делает оно это достаточно просто: устройство ожидает, пока сигнал достигнет определённого уровня и лишь тогда направляет его на контроллер.

На выходе мы получаем аналогию с алгоритмом, описанным выше, но в аппаратной реализации. Оно попросту выжидает те самые скачки, и лишь затем подает напряжение, что позволяет полностью избавиться от дребезга.

Мы уже рассматривали подключение кнопки к Arduino и затрагивали вопрос «дребезга» контактов. Это весьма неприятное явление, которое вызывает повторные нажатия кнопки и усложняет программную обработку нажатий кнопки. Давайте же поговорим о том, как избавиться от дребезга контактов.

Инструкция по гашению дребезга контактов с помощью Arduino

Для проекта нам понадобится:

  • Arduino UNO или иная совместимая плата;
  • тактовая кнопка;
  • резистор номиналом 10 кОм (рекомендую приобрести набор резисторов с номиналами от 10 Ом до 1 МОм);
  • светодиод (к примеру, вот из такого набора);
  • соединительные провода;
  • макетная плата (breadboard);
  • персональный компьютер со средой разработки Arduino IDE.
Читайте также:  Почему срабатывает автоответчик на мтс

1 Проявление эффекта «дребезга» контактов

«Дребезг» контактов – это явление, свойственное механическим переключателям, кнопкам, тумблерам и реле. Из-за того, что контакты обычно делают из металлов и сплавов, которые обладают упругостью, при физическом замыкании они не сразу устанавливают надёжное соединение. В течение короткого промежутка времени контакты несколько раз смыкаются и отталкиваются друг от друга. В результате этого электрический ток принимает установившееся значение не моментально, а после череды нарастаний и спадов. Длительность этого переходного эффекта зависит от материала контактов, от их размера и конструкции. На иллюстрации показана типичная осциллограмма при замыкании контактов тактовой кнопки. Видно, что время от момента переключения до установившегося состояния составляет несколько миллисекунд. Это и называется «дребезгом».

Так выглядит эффект дребезга контактов на осциллограммах

Этот эффект не заметен в электрических цепях управления освещением, двигателями или другими инерционными датчиками и приборами.

Но в цепях, где идёт быстрое считывание и обработка информации (где частоты того же порядка, что и импульсы «дребезга», или выше), это является проблемой. В частности, Arduino UNO, который работает на частоте 16 МГц, отлично ловит «дребезг» контактов, принимая последовательность единиц и нулей вместо единичного переключения от 0 к 1.

2 Подключение кнопки к Arduino для демонстрации подавления «дребезга»

Давайте посмотрим, как дребезг контактов влияет на правильную работу схемы. Подключим к Arduino тактовую кнопку по схеме со стягивающим резистором. Будем по нажатию кнопки зажигать светодиод и оставлять включённым до повторного нажатия кнопки. Для наглядности подключим к цифровому выводу 13 внешний светодиод, хотя можно обойтись и встроенным.

Схема подключения кнопки к Arduino для демонстрации подавления эффекта «дребезга» контактов

3 Алгоритм подавления«дребезга» контактов

Чтобы реализовать задачу подавления дребезга контактов, первое, что приходит в голову:

  • запоминать предыдущее состояние кнопки;
  • сравнивать с текущим состоянием;
  • если состояние изменилось, то меняем состояние светодиода.

Напишем такой скетч и загрузим в память Arduino.

Скетч обработки нажатия кнопки без учёта эффекта дребезга контактов

При включении схемы в работу, сразу виден эффект дребезга контактов. Он проявляется в том, что светодиод загорается не сразу после нажатия кнопки, или загорается и тут же гаснет, или не выключается сразу после нажатия кнопки, а продолжает гореть. В общем, схема работает не стабильно. И если для задачи с включением светодиода это не столь критично, то для других, более серьёзных задач, это просто неприемлемо.

4 Подавление дребезга контактовс помощью задержки

Постараемся исправить ситуацию. Мы знаем, что дребезг контактов проявляет себя в течение нескольких миллисекунд после замыкания контактов. Давайте после изменения состояния кнопки выжидать, скажем, 5 мсек. Это время для человека является практически мгновением, и нажатие кнопки человеком обычно происходит значительно дольше – несколько десятков миллисекунд. А Arduino прекрасно работает с такими короткими промежутками времени, и эти 5 мсек позволят ему отсечь дребезг контактов от нажатия кнопки.

Скетч обработки нажатия кнопки с задержкой для устранения эффекта дребезга контактов

В данном скетче мы объявим процедуру debounce() ("bounce" по-английски – это как раз «дребезг», приставка "de" означает обратный процесс), на вход которой мы подаём предыдущее состояние кнопки. Если нажатие кнопки длится более 5 мсек, значит это действительно нажатие. Определив нажатие, мы меняем состояние светодиода.

Загрузим скетч в плату Arduino. Теперь всё гораздо лучше! Кнопка срабатывает без сбоев, при нажатии светодиод меняет состояние, как мы и хотели.

5 Библиотеки для подавлениядребезга контактов

Аналогичная функциональность обеспечивается специальными библиотеками, например, библиотекой Bounce2. Для установки библиотеки помещаем её в директорию /libraries/ среды разработки Arduino и перезапускаем IDE .

Библиотека Bounce2 содержит следующие методы:

Название Назначение
Bounce() инициализация объекта Bounce;
void interval (мсек) устанавливает время задержки в миллисекундах;
void attach (номерПина) задаёт вывод, к которому подключена кнопка;
int update() обновляет объект и возвращает true, если состояние пина изменилось, и false в противном случае;
int read() считывает новое состояние пина.

Перепишем наш скетч с использованием библиотеки. Можно также запоминать и сравнивать прошлое состояние кнопки с текущим, но давайте упростим алгоритм.

Скетч обработки нажатия кнопки с использованием библиотеки для устранения влияния дребезга контактов

При нажатии кнопки будем считать нажатия, и каждое нечётное нажатие будем включать светодиод, каждое чётное – выключать. Такой скетч смотрится лаконично, его легко прочитать и легко применить.

Подавление дребезга контактов с помощью Arduino

Ну и напоследок пара видео от Джереми Блюма, где он рассказывает о способах подавления дребезга контактов на примере подключения тактовой кнопки к Arduino.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector