MIT
Práce s tlačítky
V předchozích cvičeních jsme se naučili nastavit piny jako výstupní pomocí registrů DDRx a měnit jejich stav pomocí registrů PORTx. V této kapitole se naučíme nastavit piny jako vstupní a číst jejich stav. Použijeme k tomu tlačítka na našem přípravku.
Jak funguje tlačítko
Ze schématu přípravku můžeme zjistit, že tlačítka jsou připojena na port K. Piny portu K jsou připojeny přes relativně velký odpor (4.7kΩ) k Vcc, tedy k +5V. Pokud tlačítko není stisknuto, “naměří” procesor na pinu 5V a vyhodnotí to jako logickou jedničku. Pokud ovšem tlačítko stiskneme, pin tím připojíme bez odporu přímo na zem. Procesor pak na pinu “naměří” 0V a vyhodnotí to jako logickou nulu.
Pull-up odpory
Těm 4.7kΩ rezistorům se říká pull-up odpory. Jsou důležité proto, aby i v případě, že tlačítko není stisknuto, byla na pinu jasně definovaná úroveň. Bez těchto odporů by v nestisknutém stavu pin nebyl k ničemu připojen a jeho stav by byl nedefinovaný (mohl by být snadno ovlivněn jakýmkoli náhodným blízkým elektrickým polem, rušením atd.) Hodnota odporu pullup rezistoru není nijak kritická. Pouze pokud ji zvolíte moc nízkou, při stisknutí tlačítka vám poteče do země zbytečně vysoký proud.Pokud zvolíte odpor příliš vysoký, je pak klidová úroveň “slabá” tedy dokáže ji ovlivnit rušení nebo např svodový odpor vzniklý vlhkostí. Proto se obvykle používají jednotky kiloohmů.
Čtení stavu pinu
Na našem přípravku míme tlačítka připojena na portu K, proto všechny piny portu K nastavíme jako vstupy - do registru DDRK zapíšeme samé nuly:
DDRK = 0x00;
Pro nastavení logické úrovně pinu procesoru jsme používali registr PORTx. Ovšem pozor, tento registr je pouze výstupní, tedy slouží k zápisu na pin, ale ne k jeho čtení! Ke čtení stavu pinu slouží jiný registr - PINx. V našem případě chceme číst stav tlačítek na portu K, tedy použijeme registr PINK. Jeho přečtením získáme stav všech pinů. Nás ale obvykle zajímá stav pinů jednotlivě, např. chceme zjistit, zda je stisknuto tlačítko úplně vlevo na přípravku (SW7).
Abychom z celého registru PINK vybrali pouze stav jednoho tlačítka, můžeme použít známý výraz s logickým součinem a bitovým posunem:
(PINK & (1<<7))
Tento výraz nám vynuluje všechny bity, které nás nezajímají (tedy všechny kromě bitu 7.
Pokud je bit 7 jednička (tlačítko není stisknuto), tak výsledek bude:
Pokud je bit 7 nula (tlačítko je stisknuto), tak výsledek bude:
Všimněte si, že pokud je tlačíko stisknuto, výsledek výrazu je vždy nula. Ale pokud tlačítko stisknuto není, hodnota výsledku závisí na tom, který bit testujeme. Např. kdybychom testovali bit 3 tak výraz bude PINK & (1<<3) a pokud bude bit 3 jednička, tak výsledek bude 0b0000 1000. Proto při psaní podmínky používáme buď PINK & (1<<x) == 0 a nebo PINK & (1<<x) != 0
Podmínku, aby se chování programu měnilo podle stisku tlačítka tedy můžeme napsat třeba takto:
if((PINK & (1<<7))==0){
// udělej něco když je na PK7 log.0 (tlačítko stisknuto)
}
nebo opačně:
if((PINK & (1<<7)) != 0){
// udělej něco když je na PK7 log.1
}
Pokud chceme někde náš program zastavit a pokračovat až po stisku tlačítka, můžeme použít prázdný cyklu while:
while((PINK & (1<<7)) != 0){
// čekej, dokud je na PK7 log.1 tedy čekej, dokud tlačítko není stisknuto
// po stisku tlačítka tato smyčka končí a vykoná se program pod ní
}
Nebo naopak, můžeme něco dělat pouze po dobu, kdy je tlačítko stisknuto. Když tlačítko pustíme,cyklus skončí
while((PINK & (1<<7)) == 0){
// příkazy v cyklu se budou vykonávat dokud je pin 7 portu K v logické nule (tlačítko stisknuto)
// po uvolnění tlačítka tato smyčka končí a vykoná se program pod ní
}
Příklad s rozsvěcením LEDky
#include <avr/io.h> // soubor s definicemi adres registru, abychom mohli používat symbolické názvy jako "PORTB" namísto číselné adresy registru
#define F_CPU 16000000 // definice frekvence procesoru, v nasem pripade 16MHz aby správně fungovala funkce delay
#include <util/delay.h> // přidání knihovny s funkcí delay
int main()
{
DDRK = 0b00000000; // všechny piny portu K jako vstupy
DDRF = 0b11111111; // všechny piny portu F jako výstupy
// nekonecna smycka
while(1)
{
if((PINK & (1<<7)) == 0) // pokud je tlačítko SW7 stisknuto
{
PORTF |= (1 << 7); // zhasni LED7
}
else { // pokud tlačítko není stisknuto
PORTF &= ~(1 << 7); // rozsviť LEDku
}
}
}
Ošetření zákmitů - debouncing
Při stisku mechanických tlačíek zpravidla dochází k něžádoucímu jevu zákmitů, anglicky bouncing. To se projeví tak, že změna stavu z jedné do druhé úrovně neproběhne jednorázovým skokem, ale po krátkou dodu může úroveň “přeskakovat” tam a zpět. Je to způsobeno mechanickými vlastnostmi kontaktů tlačítka, má na to vliv např. síla a rychlost stisku.
Zdroj obrázku : https://www.nuvation.com/resources/article/switch-debouncing-electronic-product-designs
Tento jev nám působí problémy, protože pokud například chceme programme detekovat stisk tlačítka, jako změnu z 1 do 0, pak kvůli zákmitům můžeme namísto jednoho stisku tlačítka detekovat falešně třebba deset stisků. Proto musíme tento jev ošetřit tak, aby nám nepůsobil problémy. To lze buď hardwarově, nejčastěji připojením kondenzátoru paralelně k tlačítku. Kondenzátor způsobí, že napětí na tlačítku se bude měnit pomaleji (zaoblí se hrana). Nebo lze zákmity odfiltrovat softwarově.
#include <avr/io.h> // soubor s definicemi adres registru, abychom mohli používat symbolické názvy jako "PORTB" namísto číselné adresy registru
#define F_CPU 16000000 // definice frekvence procesoru, v nasem pripade 16MHz aby správně fungovala funkce delay
#include <util/delay.h> // přidání knihovny s funkcí delay
int main()
{
DDRK = 0; // všechny piny portu K jako vstupy (jsou k nim připojeny LEDky)
DDRF = 0xFF; // všechny piny portu F jako výstupy (jsou k nim připojena tlačítka)
PORTF = 0xFE; // na začátku svítí jen levá krajní LEDka
// nekonečná smyčka
while(1)
{
if((PINK & (1<<7)) == 0) // pokud je tlačítko stisknuto
{
_delay_ms(100); // počkáme, abychom odfiltrovali zákmity
if((PINK & (1<<7)) == 0) // přečteme tlačítko znovu, pokud je i po čekání stisknuto
{
PORTF ^= 0x1; // změníme stav LEDky na opačný
}
while ((PINK & (1<<7)) == 0){} // dokud je tlačítko pořád stisknuto, budeme čekat
}
}
}
Pozor, výše uvedený způsob ošetření zákmitů patří k těm nejjednodušším, proto ho zde uvádím pro snadné pochopení. Nicméně hodí se jen pro velmi jednoduché programy, ve kterých nevadí, že procesor 100ms (což je pro něj celá věčnost) jen čeká na na čtení tlačítka a nic jiného nedělá. V praxi se používají různé jiné způsoby, které procesor takto neblokují. Hezký článek je například tady (EN).