第 6 章 輸入控制（開關）
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。
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。
1) 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 。
2) 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。
6-2 電路說明
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。
6-2 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 ）。
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 : 1. 硬體（正反器、 RC 電路或單擊電路）。
2. 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。
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
。
6-2 電路說明
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。
6-2 電路說明
2. 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。
6-2 電路說明
3. 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。
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。
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 。
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。
6-3 程式設計
6-3 程式設計
6-3 程式設計
6-3 程式設計
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。
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。
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：
1. 壓放一次 LED 會亮，再壓放一次 LED 會滅，並持續變化
。
2. 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。
3. 快速壓放按鍵，觀察 LED 的轉態是否正常、是否順暢。
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。
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 。
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。
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。
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。
6-5 延伸應用與練習
6-5 延伸應用與練習
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？
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：
1. 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。
2. 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。
3. 可透過 Serial Monitor 視窗，顯示 LED 亮度值的變化，
並持續循環。
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。
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）。
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。
6-5 延伸應用與練習
6-5 延伸應用與練習
6-5 延伸應用與練習
6-5 延伸應用與練習
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：
1. 點選 Tools →
Serial Monitor ，開啟
電腦端的 Serial Monitor 。 2. 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。
6-5 延伸應用與練習
3. 當壓下 S1 時 Serial Monitor 會立即有數值變化，還 是放開 S1 時變化呢？
4. 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。
5. 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。
