Содержание
- 1 Причины дребезга кнопок
- 2 Ошибки дребезга кнопки
- 3 Программный способ устранения дребезга кнопок
- 4 Аппаратный способ подавления дребезга кнопки
- 5 Заключение
- 6 Причины дребезга кнопок
- 7 Ошибки дребезга кнопки
- 8 Программный способ устранения дребезга кнопок
- 9 Аппаратный способ подавления дребезга кнопки
- 10 Заключение
- 11 Теория
- 12 Настройка оборудования
- 13 Программное подавление дребезга
- 14 Заключение
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.
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.
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.
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.
В данной статье мы рассмотрим, что такое дребезг контактов и способы борьбы с ним. Сначала я рассмотрю теорию, а позже покажу вам некоторые способы обработки дребезга и аппаратно, и программно.
Теория
Что такое дребезг контактов? Когда вы нажимаете на кнопку или на микропереключатель или изменяете положение тумблера, два металлических контакта замыкаются. Для пользователя может показаться, что контакт наступил мгновенно. Это не совсем правильно. Внутри коммутатора есть движущиеся части. Когда вы нажимаете на коммутатор, он вначале создает контакт между металлическими частями, но только в кратком разрезе микросекунды. Затем он делает контакт немного дольше, а затем еще немного дольше. В конце коммутатор полностью замыкается. Коммутатор скачет (дребезжит) между состояниями наличия и отсутствия контакта. «Когда коммутатор замыкается, два контакта фактически разъединяются и снова соединяются обычно от 10 до 100 раз за время, примерно равное 1 мс» («Искусство схемотехники», Хоровиц и Хилл, второе издание). Обычно оборудование работает быстрее, чем дребезг, что приводит к тому, что оборудование думает, что вы нажали на кнопку несколько раз. Оборудование часто является интегральной микросхемой. Следующие скриншоты иллюстрируют типовой дребезг контактов без какой-либо обработки:
Осциллограмма дребезга контактов
Каждый коммутатор обладает своими собственными характеристиками относительно дребезга. Если вы сравните два одинаковых коммутатора, есть большая вероятность того, что они будут «дребезжать» по-разному.
Я покажу вам дребезг четырех разных коммутаторов. Я меня есть две микрокнопки, 1 кнопка и 1 тумблер:
Исследуемые коммутаторы
Настройка оборудования
Все коммутаторы будут подключены одинаково (это важно, если мы собираемся сравнивать результаты). Сначала мы увидим, как коммутаторы ведут себя без обработки. Основой нашей схемы будет HCF4017BE. Это десятичный счетчик/делитель, производимый STMicroelectronics. Они больше не производят эту микросхему, так как этот тип устарел. Тем не менее, есть много других производителей, которые всё еще выпускают эту маленькую микросхему, и они часто совместимы по контактам.
Микросхема получает тактовый импульс на вывод 14, после чего загорается светодиод, подключенный к Q1. Когда принимается следующий тактовый импульс, микросхема отключает Q1 и зажигает Q2, и так далее. Когда счетчик достигает Q8 (вывод 9), он подает импульс на вывод 15, который является выводом сброса. Это означает запуск отсчета, начиная с Q0.
Наша основная схема:
Схема тестового макета (описание выше)
Сначала мы попробуем не обрабатывать дребезг совсем. Схемы подачи тактового сигнала показаны ниже:
На видео мы используем схему справа. Тактовый вывод удерживается на уровне логической единицы, импульс соответствует уровню логического нуля.
Теперь давайте посмотрим некоторые скриншоты осциллографа. Здесь мы использовали левый вариант схемы подачи импульсов: тактовый вывод удерживается на уровне логического нуля, импульс соответствует уровню логической единицы.
Для коммутатора A:
Дребезг контактов коммутатора A
Для коммутатора B:
Дребезг контактов коммутатора B
Для коммутатора C:
Дребезг контактов коммутатора C
Для коммутатора D:
Дребезг контактов коммутатора D
И один скриншот я снял для коммутатора C при использовании правой схемы подачи импульсов: тактовый вывод удерживается на уровне логической единицы, импульс соответствует уровню логического нуля.
Дребезг контактов коммутатора C (импульс соответствует логическому нулю)
Как вы можете видеть, микросхеме кажется, что было несколько нажатий на коммутатор. Хотя это и не так, поскольку на коммутатор было выполнено только одно нажатие.
Добавим керамический конденсатор:
При добавлении конденсатора мы создаем RC-цепь. RC-цепи здесь не обсуждаются.
Новые скриншоты осциллографа сильно отличаются от полученных ранее. Это показывает, что RC-цепь отфильтровывает дребезг.
Данное видео показывает, как работает схема с керамическим конденсатором 0,1 мкФ:
Для коммутатора A:
Сигнал с коммутатора A после добавления конденсатора
Для коммутатора B:
Сигнал с коммутатора B после добавления конденсатора
Для коммутатора C:
Сигнал с коммутатора C после добавления конденсатора
Для коммутатора D:
Сигнал с коммутатора D после добавления конденсатора
Для коммутатора C (импульс соответствует логическому нулю):
Сигнал с коммутатора C после добавления конденсатора (импульс соответствует логическому нулю)
Эти скриншоты говорят нам о том, что дребезг устранен, и что микросхема «видит» только одно нажатие или переключение. Это то, чего мы и хотели.
Программное подавление дребезга
При работе с микроконтроллерами мы можем справиться с дребезгом контактов по-другому, что позволит сэкономить и место под детали, и деньги. Некоторые программисты не задумываются о дребезжащих коммутаторах и просто добавляют 50 мс задержки после первого «отскока». Это заставляет микроконтроллер ждать остановку дребезга 50 мс, а затем продолжить работу программы. На самом деле это не очень хорошая практика, так как она удерживает микроконтроллер в ожидании окончания задержки.
Другой способ – использовать прерывание для обработки дребезга контактов. Имейте в виду, что прерывание может быть запущено и при нарастающем, и при спадающем фронте, а некоторые микроконтроллеры могут добавлять одно прерывание в стек. Существуют разные мнения о том, как это использовать, но прерывание, вызванное подавлением дребезга, здесь не обсуждается.
Ниже показано простое программное подавление дребезга контактов для Arduino.
Код выше был написан в Arduino IDE.
Следующая программа мигает двумя светодиодами, подключенными к PIC микроконтроллеру. Код может быть похожим на этот:
Этот пример написан MPLAB X с компилятором XC8. Микроконтроллер – это PIC 16F628A, и я использовал внутренний генератор на 4 МГц. Вам необходимо поэкспериментировать с Bouncevalue . У меня лучше всего программа работала со значением 500.
Микроконтроллер без какого-либо подавления дребезга контактов:
Это пример того, как коммутатор может «запутать» микроконтроллер. Нормального переключения светодиодов не получилось. Похоже, что при нажатии кнопки они живут своей жизнью.
Микроконтроллер с управлением подавлением дребезга контактов:
Как видите, светодиоды хорошо включаются и выключаются по нажатию кнопки.
Заключение
В данной статье мы рассмотрели, что такое дребезг контактов, как он влияет на вашу систему, и различные способы борьбы с ним. Используемые примеры очень просты, но они должны дать вам представление о том, что происходит, когда вы нажимаете на кнопку. При разработке системы вы всегда должны учитывать дребезг контактов переключателя.
