4.01.2. Лабораторная работа №4.1.2.md

Подключение кнопки

Тема работы

В прошлой работе мы научились «говорить» — отправлять сигналы на светодиод. Теперь пора научиться «слышать» — получать сигналы от пользователя. В этой лабораторной работе мы изучим четыре основных способа подключения кнопок к плате Рудирон и напишем программу, которая будет считывать их нажатия и управлять светодиодами.

Цель

Научиться подключать кнопки к GPIO пинам, используя внешние и внутренние подтягивающие и стягивающие резисторы.
На практике увидеть, как способ подключения влияет на логику программы.
Освоить команду digitalRead() для считывания цифровых сигналов.
Создать интерактивную схему, где состояние светодиодов зависит от нажатия кнопок.

Оборудование и материалы

Отладочная плата Рудирон.
Макетная плата.
4 тактовые кнопки.
4 светодиода (любого цвета).
4 резистора номиналом 220 Ом (для светодиодов).
2 резистора номиналом 10 кОм (для кнопок).
Соединительные провода.
USB-кабель для подключения Рудирона к компьютеру.
Компьютер с настроенной средой Arduino IDE.

Ход работы

Мы соберём одну большую схему, в которой будут реализованы четыре разных способа подключения кнопок. Каждая кнопка будет управлять своим светодиодом.

1. Подключение светодиодов

Сначала подготовим индикацию. Это поможет нам визуально отслеживать нажатие каждой кнопки.

Вставьте четыре светодиода в макетную плату.
К коротким ножкам (катодам) каждого светодиода подключите по одному резистору на 220 Ом.
Вторые выводы резисторов соедините с GND на плате Рудирон.
Длинные ножки (аноды) светодиодов подключите к пинам Рудирона:
- Первый светодиод — к пину 12.
- Второй светодиод — к пину 13.
- Третий светодиод — к пину 14.
- Четвертый светодиод — к пину 15.

2. Подключение кнопок четырьмя способами

Теперь самое интересное — подключаем кнопки.

Способ №1. Внешний стягивающий резистор (Pull-down) В этой схеме, когда кнопка не нажата, пин через резистор «стянут» к земле (LOW). При нажатии на пин подаётся напряжение (HIGH).

Подключите первую кнопку к пину 0.
Один контакт кнопки соедините с пином 5V.
Другой контакт кнопки соедините с пином 0 и с одним из выводов резистора на 10 кОм.
Второй вывод резистора подключите к GND.

Способ №2. Внешний подтягивающий резистор (Pull-up) Здесь всё наоборот. Когда кнопка не нажата, пин «подтянут» к питанию (HIGH). При нажатии пин соединяется с землёй (LOW).

Подключите вторую кнопку к пину 1.
Один контакт кнопки соедините с GND.
Другой контакт кнопки соедините с пином 1 и с одним из выводов резистора на 10 кОм.
Второй вывод резистора подключите к 5V.

Способ №3. Внутренний подтягивающий резистор (INPUT_PULLUP) Это самый простой способ, так как не требует внешнего резистора. Мы активируем внутренний резистор Рудирона, который подтянет пин к 3.3В. Логика работы такая же, как в Способе №2.

Подключите третью кнопку к пину 2.
Один контакт кнопки соедините с GND.
Другой контакт кнопки соедините с пином 2.

Способ №4: Внутренний стягивающий резистор (INPUT_PULLDOWN) Рудирон поддерживает и этот удобный режим. Внутренний резистор «стягивает» пин к земле (LOW). При нажатии на пин нужно подать напряжение, и мы прочитаем HIGH.

Подключите четвертую кнопку к пину 3.
Один контакт кнопки соедините с пином 3.3V на Рудироне.
Другой контакт кнопки соедините с пином 3.

Общая схема сборки Вот как все эти подключения будут выглядеть вместе на макетной плате:

3. Написание и загрузка кода

Напишем единую программу, которая будет опрашивать все четыре кнопки и напрямую передавать их состояние на светодиоды.

Убедитесь, что перемычка PRG | RUN стоит в положении PRG.

Откройте Arduino IDE и введите следующий код:

// Пины для светодиодов
const int led1Pin = 12;
const int led2Pin = 13;
const int led3Pin = 14;
const int led4Pin = 15;

// Пины для кнопок
const int button1Pin = 0; // Внешний pull-down
const int button2Pin = 1; // Внешний pull-up
const int button3Pin = 2; // Внутренний pull-up
const int button4Pin = 3; // Внутренний pull-down

void setup() {
  // Настраиваем пины светодиодов на выход
  pinMode(led1Pin, OUTPUT);
  pinMode(led2Pin, OUTPUT);
  pinMode(led3Pin, OUTPUT);
  pinMode(led4Pin, OUTPUT);

  // Настраиваем пины кнопок на вход
  pinMode(button1Pin, INPUT);
  pinMode(button2Pin, INPUT);
  pinMode(button3Pin, INPUT_PULLUP);
  pinMode(button4Pin, INPUT_PULLDOWN);
}

void loop() {
  // Считываем состояние каждой кнопки
  bool button1State = digitalRead(button1Pin); // При нажатии будет HIGH
  bool button2State = digitalRead(button2Pin); // При нажатии будет LOW
  bool button3State = digitalRead(button3Pin); // При нажатии будет LOW
  bool button4State = digitalRead(button4Pin); // При нажатии будет HIGH

  // Напрямую управляем светодиодами на основе состояния кнопок
  digitalWrite(led1Pin, button1State);
  digitalWrite(led2Pin, button2State);
  digitalWrite(led3Pin, button3State);
  digitalWrite(led4Pin, button4State);
}

Нажмите кнопку «Upload», чтобы загрузить код на плату.

4. Проверка работы

После загрузки программы внимательно проверьте работу каждой кнопки:

Нажмите кнопку 1 (pull-down) - светодиод 1 загорится.
Нажмите кнопку 2 (pull-up) - светодиод 2 погаснет (потому что при нажатии на пин приходит LOW).
Нажмите кнопку 3 (внутренний pull-up) - светодиод 3 тоже погаснет.
Нажмите кнопку 4 (внутренний pull-down) - светодиод 4 загорится.

Результаты

Вы собрали схему с четырьмя разными способами подключения кнопок и наглядно увидели, как способ подключения влияет на результат. Вы поняли, почему в одних случаях нажатие кнопки даёт сигнал HIGH, а в других — LOW.

Анализ результатов

Схемы pull-down (кнопки 1 и 4). Резистор (внешний или внутренний) «стягивает» пин к земле. По умолчанию на пине LOW. При нажатии кнопки на пин подаётся напряжение, и digitalRead() возвращает HIGH.
Схемы pull-up (кнопки 2 и 3). Резистор «подтягивает» пин к питанию. По умолчанию на пине HIGH (поэтому светодиоды 2 и 3 горят). При нажатии кнопки пин замыкается на землю, и digitalRead() возвращает LOW (светодиоды гаснут).

Выводы

В этой лабораторной работе вы научились самому главному — получать сигналы от пользователя. Вы изучили четыре способа подключения кнопок, поняли важность подтягивающих и стягивающих резисторов и освоили команду digitalRead(). Теперь вы можете создавать устройства, которые не просто выполняют программу, а реагируют на внешние команды.

Вопросы для самопроверки

Что такое «плавающее» состояние пина и почему его нужно избегать?
В чём разница между pull-up и pull-down резисторами?
Какую логику (HIGH или LOW) мы считываем с пина при нажатии кнопки, если он настроен как INPUT_PULLUP?
Почему способы с INPUT_PULLUP и INPUT_PULLDOWN часто являются предпочтительными?
Как изменить код так, чтобы при нажатии на вторую кнопку (с pull-up) светодиод не гас, а, наоборот, загорался?

Поздравляем с успешным освоением способов подключения кнопок! Теперь вы умеете и отправлять, и получать цифровые сигналы. Переходите к следующей лабораторной работе, чтобы научиться отлавливать не просто состояние кнопки, а сам момент её нажатия и отпускания.

imgs