第三章——使用按钮

1. 按钮

按钮是一种非常常用的交互元器件，学会使用按钮很有必要。

下面是一个按钮接线图和使用按钮的一个程序，大家可以先看一下。

int button = 2;
int led = 13;

void setup() {
  pinMode(button, INPUT);
  pinMode(led, OUTPUT);
}

void loop() {
  bool buttonStatus = digitalRead(button);
  if (buttonStatus == HIGH) {
    digitalWrite(led, HIGH);
  }
  else {
    digitalWrite(led, LOW);
  }
}

在这个程序中，我们使用了一个板载 LED 和一个按钮。可以观察到，当我们按下按钮时，LED 会被点亮，松开后就会熄灭。

在这里我们使用了pinMode()mode 参数的第二个可选值INPUT，即输入模式。

2. digitalRead()函数

语法：

digitalRead(pin);

该函数用来读取某个引脚的引脚状态。

参数 pin：Arduino 的引脚号。

在 5V 的单片机中，如果输入电压高于 3V则认为输入的是高电平，返回 1，否则认为是低电平，返回 0。

所以在 loop 循环中，我们通过bool buttonStatus = digitalRead(button)来读取按钮的状态。当按钮按下时，5V 的电压会通过按钮输入到 2 号引脚，单片机读取引脚状态，存储到buttonStatus中。如果是高电平，就点亮板载 LED，低电平就熄灭 LED。

3. 按钮进阶

加入我们需要按一下按钮，灯点亮，再按一下按钮，灯熄灭，这样我们应该如何编写呢。

其实最简单的方法就是在函数末尾增加一个延时，同时对代码进行稍加修改：

int button = 2;
int led = 13;
bool ledStatus = false;

void setup() {
  pinMode(button, INPUT);
  pinMode(led, OUTPUT);
}

void loop() {
  bool buttonStatus = digitalRead(button);
  if (buttonStatus) {
    ledStatus = !ledStatus;
    digitalWrite(led, ledStatus);
  }
  delay(200);
}

大家上传代码后可以试一下是不是可以初步达到目的。

可能有人会发现，有时候按钮按下去，灯没有反应，这是为什么？

那是由于 delay 这样的延时只是保证了每次运行之间多出 200ms 的延时，在这期间，单片机不能做任何事情，当然肯能会漏掉一次检测按钮的可能。

关键问题就是如何让这 200ms 期间，程序不被 block，能够不断检测按钮状态。

下面是一个很好的方法，大家可以参考一下：

int button = 2;
int led = 13;
bool ledStatus = false;
unsigned long lastTime;

void setup() {
  pinMode(button, INPUT);
  pinMode(led, OUTPUT);
}

void loop() {
  bool buttonStatus = digitalRead(button);
  // 按钮检测到被按下，且上一次按下和这次间隔超过200ms
  if (buttonStatus && millis() - lastTime > 200) {
    ledStatus = !ledStatus;
    digitalWrite(led, ledStatus);
    // 记录这次按下的时间
    lastTime = millis();
  }
}

在这里我们通过对比两次按钮按下的时间间隔，如果两次间隔超过 200ms 就认为这是两次不同按键动作，否则我们就忽略认为是一次动作，不进行操作。

大家可以发现，这个程序运行起来明显准确得多，每一次按钮按下都能检测到。

在这个程序中，我们使用了一个新的函数millis()，这也是 Arduino 内置的函数。

语法：

time = millis();

millis()记录了自程序启动后经过的时间，单位是 ms，返回的数据类型也是unsigned long。这个函数最多可以记录50 天的值，之后就会溢出变为 0。

Arduino 同时还有另一个记录时间的函数micros()，它的单位是 us，返回的数据类型同样也是unsigned long。大约70 分钟后，此数字将溢出变为 0。

在 Arduino Portenta 系列的开发板上，此功能在所有内核上的分辨率为1 微秒。在 16MHz 的 Arduino 开发板（如 Uno 和 Nano 上，此函数的分辨率为4 微秒，即返回的值始终是 4 的倍数）。在 8MHz 的 Arduino 开发板（例如 LilyPad）上，此函数的分辨率为8 微秒。

5. 按钮硬件消抖

其实按钮在按下和松开的过程中，按钮中的两个金属片并不是直接接触和松开的，在这过程中其实着抖动，也就是按钮在 0 和 1 之间抖动。

下面是按钮抖动的示意图：

那我们如何解决这个问题呢，比较常用的方法就是加入上拉电阻或者下拉电阻帮助消抖。也就是让按钮在没有被完全按下的时候保持高电平或者低电平。

下面是我们的按钮加入下拉电阻的接线图：

原理图如下：

由于下拉电阻的存在，当按钮还在波动的期间，IO 口都会被下拉电阻拉低，直到完全按下时，下拉电阻被短路，IO 口输入高电平。

同理有上拉电阻：

在大部分应用中，上拉电阻的使用更多一些。同时，现在的单片机大多都有内部上拉电阻，有的也有内部下拉电阻，这就是pinMode()mode 参数的第三个可选值INPUT_PULLUP。

因此上面的代码可以改成如下代码，同时使用软件和硬件消抖：

int button = 2;
int led = 13;
bool ledStatus = false;
unsigned long lastTime;

void setup() {
  // 上拉电阻——硬件消抖
  pinMode(button, INPUT_PULLUP);
  pinMode(led, OUTPUT);
}

void loop() {
  bool buttonStatus = digitalRead(button);
  // 软件消抖——按钮检测到被按下，且上一次按下和这次间隔超过200ms
  if (buttonStatus && millis() - lastTime > 200) {
    ledStatus = !ledStatus;
    digitalWrite(led, ledStatus);
    // 记录这次按下的时间
    lastTime = millis();
  }
}