ورودی دیجیتال: دکمه و مقاومت بالاکش

تا اینجا برد فقط حرف می‌زد؛ حالا باید گوش‌دادن را هم یاد بگیرد. تابع digitalRead(pin) ولتاژ یک پایهٔ دیجیتال را می‌سنجد و یکی از دو مقدار HIGH یا LOW را برمی‌گرداند. روی برد پنج ولتی، ولتاژ کمتر از حدود ۱٫۵ ولت پایین و بیشتر از حدود ۳ ولت بالا خوانده می‌شود؛ فاصلهٔ میان این دو منطقه‌ای مبهم است و اگر ولتاژ پایه آنجا بماند، نتیجهٔ خواندن هیچ تضمینی ندارد.

سه حالت pinMode

هر پایه سه نقش ممکن دارد. با OUTPUT راننده‌های داخلی وصل می‌شوند و پایه خودش ولتاژ می‌سازد؛ همان چیزی که در درس پیش برای ال‌ای‌دی به کار بردی. با INPUT پایه پرمقاومت می‌شود و فقط ولتاژ بیرون را می‌بیند بی‌آنکه بارش کند. با INPUT_PULLUP همان حالت ورودی برقرار است، ولی افزون بر آن مقاومتی که از پیش روی سیلیکون ساخته شده پایه را به پنج ولت می‌چسباند؛ تو فقط کلید نرم‌افزاری‌اش را می‌بندی.

مسئلهٔ پایهٔ شناور

یک دکمهٔ فشاری تنها دو کار می‌کند: در حالت فشرده دو سرش را به هم وصل و در حالت رها از هم جدا می‌کند. اگر یک سرش را به پایه و سر دیگر را به زمین ببندی، حالت فشرده روشن است؛ پایه به زمین می‌چسبد و ولتاژش صفر می‌شود. اما در حالت رها پایه به هیچ‌جا وصل نیست؛ به آن پایهٔ شناور می‌گویند. چنین پایه‌ای مثل آنتنی کوچک عمل می‌کند و نویز محیط ولتاژش را بالا و پایین می‌برد، تا جایی که برنامه بی‌آنکه کسی دکمه را لمس کند پیاپی یک و صفر می‌خواند.

چرا منطق وارونه می‌شود

INPUT_PULLUP این ابهام را برمی‌دارد: تا وقتی دکمه رها است، مقاومت داخلی پایه را آرام به پنج ولت می‌کشد و خواندن قطعاً HIGH است. لحظه‌ای که دکمه فشرده می‌شود، اتصال مستقیم به زمین بر آن مقاومت ضعیف غلبه می‌کند و خواندن LOW می‌شود. پس فشرده یعنی صفر و رها یعنی یک. این وارونگی ایراد نیست، نتیجهٔ مستقیم سیم‌کشی است؛ پس شرط را در کد روی LOW بگذار، نه اینکه سیم را جابه‌جا کنی.

یک نمونهٔ عددی

مقاومت بالاکش داخلی ATmega328P مقدار دقیقی ندارد؛ برگهٔ داده می‌گوید جایی میان ۲۰ تا ۵۰ کیلواهم است. تا وقتی دکمه رها است جریانی از آن نمی‌گذرد. اما لحظه‌ای که دکمه را نگه می‌داری مسیر پنج ولت تا زمین بسته می‌شود و جریان برقرار می‌ماند. در بدترین حالت، یعنی کوچک‌ترین مقاومت، این جریان برابر است با ۵ ولت تقسیم بر ۲۰۰۰۰ اهم، یعنی ۰٫۰۰۰۲۵ آمپر یا همان ۲۵۰ میکروآمپر؛ با ۵۰ کیلواهم به ۱۰۰ میکروآمپر می‌رسد. در برابر ۱۵ میلی‌آمپرِ یک ال‌ای‌دی ناچیز است، ولی در دستگاهی که سال‌ها با باتری کار می‌کند، دکمه‌ای که فشرده بماند بی‌سروصدا باتری را خالی می‌کند.

مقاومت پایین‌کش بیرونی

راه دیگر این است که سیم‌کشی را وارونه کنی: سر دیگر دکمه را به پنج ولت ببندی و مقاومتی ده کیلواهمی از پایه به زمین بگذاری. حالا در حالت رها آن مقاومت پایه را به صفر می‌کشد و در حالت فشرده پنج ولت مستقیم به پایه می‌رسد؛ پس منطق طبیعی می‌شود، یعنی فشرده برابر HIGH. بهایش یک قطعهٔ اضافه است و جریان بیشتر: ۵ تقسیم بر ۱۰۰۰۰ برابر ۰٫۵ میلی‌آمپر، دو برابر بدترین حالت بالاکش داخلی. چون تراشه بالاکش دارد و پایین‌کش داخلی ندارد، در پروژه‌های کوچک معمولاً همان INPUT_PULLUP را برمی‌داریم.

پایه‌ای که با OUTPUT خروجی شده و مقدارش LOW است، اگر مستقیم به پنج ولت وصل شود اتصال کوتاه می‌سازد و راننده‌های داخلی‌اش می‌سوزند. پیش از سیم‌کشی دکمه، نقش پایه را با آنچه به آن وصل می‌کنی بسنج.

لرزش کلید

تیغه‌های فلزی داخل دکمه در لحظهٔ تماس چند بار می‌جهند و از هم جدا می‌شوند؛ به این پدیده لرزش کلید می‌گویند و معمولاً پنج تا بیست میلی‌ثانیه طول می‌کشد. برای چشم تو یک فشار ساده است، اما تراشه‌ای که هر دور حلقه پایه را می‌خواند در همان بازه چند تغییر حالت می‌بیند و نتیجه تصادفی می‌شود. درمانش ساده است: پس از دیدن هر تغییر، زمان همان لحظه را با millis() نگه دار و تا وقتی ۵۰ میلی‌ثانیه نگذشته هیچ تصمیمی نگیر. این عدد از بلندترین لرزش بلندتر و از سریع‌ترین فشار انگشت انسان کوتاه‌تر است.

با delay() هم می‌شود لرزش را گرفت، ولی آن راه کل برنامه را متوقف می‌کند و هر کار هم‌زمان دیگری از دست می‌رود. شمردن زمان با millis() برنامه را زنده نگه می‌دارد.

کجا به کار می‌آید

هر کلید صفحه‌کلید، شستی آسانسور و سوئیچ پایان مسیر یک چاپگر سه‌بعدی، از دید برنامه دقیقاً همین‌اند: اتصالی که باز و بسته می‌شود. در کیت این درس دکمه‌ای روی پایهٔ D2 بسته‌ایم و ال‌ای‌دی با هر فشار کامل وضعیتش را عوض می‌کند؛ یعنی برنامه لبهٔ فشردن را تشخیص می‌دهد و وضعیت را در یک متغیر به یاد می‌سپارد.