6-1 功能簡介 6-4 實驗成果 6-2 電路說明 6-5 延伸應用與練習 6-3 程式設計

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1 6-1 功能簡介 6-4 實驗成果 6-2 電路說明 6-5 延伸應用與練習 6-3 程式設計
第6章 輸入控制（開關） 6-1 功能簡介 6-4 實驗成果 6-2 電路說明 6-5 延伸應用與練習 6-3 程式設計

2 6-1 功能簡介 本實習希望進行按鈕開關的實驗，當壓放開關一次時LED 亮，再壓放開關一次時LED 滅，並周而復始運作。
系統方塊圖如圖 6-1 所示。 本實驗主要提到開關資料的讀取，以及開關彈跳問題的發生原因及解決方法。

3 6-2 電路說明 邏輯電路的輸入訊號除了由其他電路所送來的訊號外，最常見的輸入訊號就是開關，開關種類主要分為自動復歸型與非自動復歸型兩類。
自動復歸型開關（如圖6-2）是指當開關按下後，隨即改變開關狀態，當開關放開後隨即又回復原狀，例如按鈕開關（Push Button）即屬於此類型，電路符號為 。 非自動回復型開關（如圖6-3）是指當撥動開關後，其狀態會維持在某一狀態（例如導通ON 狀態），若要改變至關閉（OFF）狀態，則需要再一次撥動開關才行，例如搖頭開關、滑動開關，電路符號為 ；另外像二段式開關 、指撥開關\ （DIP Switch）、水銀開關等，皆屬於此類型。

4 6-2 電路說明

5 6-2 電路說明 以開關做為輸入元件，通常會接一個提升電阻到正電源或是接地端，不能讓開關空接，也就是當按鈕開關未按下（亦即OFF）時，會先有一個固定電壓給輸入端當作初始狀態。

6 6-2 電路說明 由於機械開關的特性，由某一接點投擲至另一接點的瞬間，會產生多次的彈跳現象，無論是接點由ON 至OFF 或由OFF 至ON，接點會經過閉合→打開→閉合→打開→…最後到穩定狀態的過程，此一現象稱為接點的彈跳現象，如圖 6-4 所示。 開關的彈跳時間通常不大於20ms（10ms～20ms）。

7 6-2 電路說明 一般而言，CPU 是以極快（與彈跳時間比較）的速度執行指令，這些彈跳的狀態會被偵測到，以致被CPU 誤以為按了好幾次（甚至數百次）。 為了避免這種誤判的現象，可以使用二種方式解決: 硬體（正反器、RC 電路或單擊電路）。 軟體（程式）。 就CPU控制而言，以軟體解決彈跳現象是較為經濟的方法，而處理彈跳現象的過程稱為「去彈跳」（debounce）。 解決彈跳的方法是當檢知開關被按下後，先延遲一段時間（約20ms ～ 50ms）用以避開彈跳現象後再確認，就可避免按一次鍵被讀到好幾次的問題。

8 6-2 電路說明 圖 6-5 為本實驗的硬體電路圖，其中按鈕開關S1 接至D2，接一個提升電阻至正電源，形成未按時D2 被提升至+5V 為邏輯1，按下時D2 接地為邏輯0 的狀態；另外LED 接至D10，採低態動作。

9 6-2 電路說明

10 6-2 電路說明 1. Arduino Leonardo + 麵包板的接線圖
如圖 6-6 所示，本電路使用USB 提供的5V，不需外加電源。

11 6-2 電路說明 圖 6-7 所示為使用Arduino Leonardo + 麵包板擴展板的接線圖，其中按鈕開關有4 支接腳，未按時1、4 腳短路，2、3 腳短路，按下時4 支腳全短路。

12 6-2 電路說明 圖 6-8 為Leonardo 板（或OZONE）+Arminno 多功能實驗板接線情況，為簡化顯示，圖 6-8 只畫出多功能實驗板的區塊8 及區塊15。由於實驗板區塊15 為4x4 鍵盤矩陣電路，不同於單一顆按鈕開關的接法，故JP24上的pin3 應接地。

13 6-3 程式設計 Arduino IDE 內建了一些按鍵程式範例， 請選擇Examples 中的
02.Digital → Button。此程式是一個比較簡單的範例，按鍵按下時LED 亮，放開時LED 滅，程式結構中包含一開始的I/O 宣告，setup() 的I/O 電氣特性指定，主迴圈程式loop() 的內容。以下為Button 的部分程式碼。

14 6-3 程式設計 其中digitalRead(pin) 為讀取指定數位腳的指令， 傳回值為HIGH 或LOW。

15 6-3 程式設計 接著，以官方的Button 程式為基礎，開始修改內容以符合實驗要求；首先請看流程圖。

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20 6-3 程式設計 1. const：常數宣告 此命令宣告變數在執行期間，數值是不會變動的，例如lenPin 在電路上就是D10，不會在執行過程中換成其它I/O，故適合宣告成常數，不會占用CPU 的暫存器資源。而任何非const 開頭的變數宣告，皆會占用CPU 資源。 2. boolean：布林資料型態 宣告正確的資料型態，有助於減少CPU 資源的占用，由於按鍵的狀態buttonState、led 值的狀態ledState都是非0 即1 的二位元狀態，故宣告成boolean 型態即可。 3. if(條件式){statement1 }else{statement2}：條件判斷指令　　 此命令是基本的條件式命令，如果if 命令中的條件式為「真」，則statement1 的敘述會被執行；如果條件式為「假」，則else 後的程式段statement2 就會被執行。

21 6-3 程式設計 4. while ( 條件式) { statement }：迴圈控制指令
此命令為前測迴圈指令， 如果命令中的條件式為「真」， 則 statement 的敘述會被執行，直到條件式不成立才離開迴圈。若條件式為1，代表條件式永遠成立，形成一個永久迴圈的結構while (1) { }。 5. break：強迫跳出迴圈指令 　 執行迴圈指令時，若有需要跳出迴圈，可使用break 強迫跳出。

22 6-4 實驗成果 一切準備就緒後，即可開始進行編譯程式，以及下載、燒錄、測試的工作；
首先請使用USB 傳輸線連接好個人電腦與Arduino Leonardo 板，並依第5-3 節中的實驗流程再練習一次，確認選擇微控制器板為Arduino Leonardo，選擇正確的串列傳輸埠及晶片燒錄方式，接著可點選圖示進行程式語法檢查、編譯及燒錄。 燒錄成功後，可按一下電路（圖 6-7 或圖 6-8）所標示的按鍵S1，試試下列三種狀況： 壓放一次LED 會亮，再壓放一次LED 會滅，並持續變化。 當壓下時LED 會立即轉態，即亮→滅，滅→亮，放開時則無任何變化，可明顯看出有無開關彈跳問題。 快速壓放按鍵，觀察LED 的轉態是否正常、是否順暢。

23 6-5 延伸應用與練習 有了讀取按鍵狀態的輸入能力後，還有哪些是可以延伸應用並練習的呢？以下帶領大家來思考一下！
6-5.1 使用millis() 函式解決彈跳問題 為了瞭解開關彈跳問題的影響，請試著將chap6-1.ino 程式中的行號33、38 刪除（或在行號前加入註解符號//），然後重新下載燒錄，測試表6-2 按鍵的壓放與LED 的顯示是否有異常，並記錄結果於表 6-2 中。

24 6-5 延伸應用與練習 實驗可發現，未加上防彈跳時間的延遲會造成開關資料讀取的錯誤，爾後遇到開關類元件的實作一定要特別注意。
Arduino IDE 中也有提供官方版的消除開關彈跳範例，請打開File → Examples → 02.Digital→Debounce。

25 6-5 延伸應用與練習 官方提供的Debounce 程式也是利用延遲時間消除開關彈跳，但不是利用delay() 函式，而是利用millis() 函式來處理，以下說明這兩個函式的差異。

26 6-5 延伸應用與練習 以下為使用millis() 完成的延遲副程式範例，其中行號1 開頭的void代表無傳回值，myDelay 為副程式名稱，duration 為傳入參數，資料型態為無符號長整數；若對副程式語法有點陌生，可先參看第3-2.7 節的說明。

27 6-5 延伸應用與練習 下列程式為使用millis() 函式完成的消除開關彈跳程式，紅字代表需修改的地方；礙於篇幅，刪除了部分官方Debounce 範例程式的註解。

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30 6-5 延伸應用與練習 接著，請下載程式至Arduino Leonardo 控制板，測試結果是否正常，並觀察按鍵是壓下時改變LED 狀態，或是放開時改變LED 狀態？ 若想得到壓下時改變LED 狀態，上列程式chap6-5-1.ino 應如何修改？

31 6-5 延伸應用與練習 6-5.2 按鈕開關與LED 亮度控制
延伸第6-5.1 節的millis() 函式的功能，思考該如何修改chap6-5-1.ino的程式，完成按鈕開關控制LED 亮度的實驗，功能敘述如下： 單步亮度調整：按鈕開關S1 每壓放一次，LED 亮度值加5，重複此動作，直到最亮（255）時，再反轉變成S1 每壓放一次，LED 亮度值減5，直到最暗時，再反轉回遞增。 自動亮度調整：久按S1 超過1 秒時，LED 變成自動亮度調整模式，會按原有變亮或變暗的方向持續變化，直到S1 放開為止。 可透過Serial Monitor 視窗，顯示LED 亮度值的變化，並持續循環。

32 6-5 延伸應用與練習 可綜合參考第5-5.2 節呼吸燈及第6-5.1 節使用millis() 解決彈跳的程式，完成本小節的功能要求。
單步與自動亮度調整功能的地方，就在現在與上次時間點的差值有無超過消除彈跳延遲時間（例如50ms）程式區塊的處理，程式碼如下。

33 6-5 延伸應用與練習 虛框線內代表已消除開關彈跳後的處理，可將單步與自動亮度調整的功能撰寫於虛框線內指示的地方；常數longPress為按鍵久按值的設定，longPress=1000（1 秒）。

34 6-5 延伸應用與練習 無論單步或自動亮度調整，都需要類似呼吸燈的亮度調整程式，因
此可寫一個名稱為ChangeBrightness() 的副程式， 方便共同呼叫使用，ChangeBrightness() 程式碼請看程式檔chap6_5_2.ino 行號51-64，是由第5-5.2 節呼吸燈的程式修改而成，每呼叫一次可依fadeAmount 遞增或遞減LED 亮度值一次。因此上方藍色字的程式碼可寫為： 　　if (buttonState==LOW) ChangeBrightness(); 代表S1 按鍵狀態為LOW（壓下）時呼叫亮度調整程式，達到本實驗 的要求。

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39 6-5 延伸應用與練習 一切準備就緒後，接著開始進行編譯程式，以及下載、燒錄、測試的工作；請依以下步驟進行測試：
點選Tools → Serial Monitor，開啟 電腦端的Serial Monitor。 壓放開關S1 一次，觀察 Serial Monitor 上的數 值變化，每壓放一次數值 是否遞增加5，LED 亮度 是否有變化。

40 6-5 延伸應用與練習 當壓下S1 時Serial Monitor 會立即有數值變化，還是放開S1 時變化呢？
快速壓放按鍵，觀察Serial Monitor 上的數值與LED 亮度變化，是否符合預期，其中因為LED 為低態動作的電路結構，故數值愈少，LED 愈亮。 久按開關S1 超過1 秒後，觀察Serial Monitor 上的數值與LED 亮度，有否快速自動變化，放開時會立即停住。