Читать книгу Mit Arduino die elektronische Welt entdecken - Erik Bartmann - Страница 117

Das Problem mit offenen beziehungsweise nicht beschalteten digitalen Eingängen sollte klar sein. Eine externe Beschaltung durch Pullup- bzw. Pulldown-Widerstände ist ein gängiges Verfahren, diesem Problem zu begegnen. Wir haben aber auch gesehen, dass der Mikrocontroller des Arduino Uno über interne Pullup-Widerstände verfügt, die bei Bedarf aktiviert oder deaktiviert werden können. Im zweiten Bastelprojekt, bei dem es um die Low-Level-Programmierung ging, habe ich das Aktivieren dieser Widerstände über das Setzen bestimmter Bits eines internen Registers gezeigt. Wir erinnern uns:

PORTB = 0b00000111; // Pullup für Pin 8, 9 und 10 aktiviert

Für geübte Programmierer, die gerne mit Bits und Bytes hantieren, ist das sicherlich eine tolle Sache, denn am meisten kann man erreichen, wenn man die Innereien eines Mikrocontrollers direkt anspricht. Doch viele – mich eingeschlossen – haben es lieber komfortabler. Ich sprach davon, dass es einen Arduino-Befehl gibt, über den ein interner Pullup-Widerstand aktiviert werden kann. Wie kann man sich einen internen Pullup-Widerstand vorstellen? Werfen wir dazu einen Blick auf das folgende Schaltbild:

Abb. 1: Ein interner Pullup-Widerstand am digitalen Pin 9

In diesem Beispiel habe ich den digitalen Pin 9 ausgesucht, an dem dein Taster angeschlossen wird. Du erkennst auch den internen Pullup-Widerstand‌ R, der über einen elektronischen Schalter den Pin 9 mit der Versorgungsspannung +5V – wenn er denn geschlossen wird – verbindet. Die Frage ist aber, wie du diesen Schalter schließen kannst, damit der Pin 9 bei fehlendem Eingangspegel einen HIGH-Pegel aufweist. Hierzu sind die folgenden Befehle erforderlich, wobei pin den Wert 9 besitzt:

pinMode(pin, INPUT); // Pin als Eingang konfigurieren digitalWrite(pin, HIGH); // Aktivieren des internen Pullup-Widerstandes

Sie bewirken das Schließen des besagten Schalters.

Abb. 2: Der interne Pullup-Widerstand wurde aktiviert

Vielleicht denkst du, dass hier etwas nicht stimmt. Du konfigurierst einen digitalen Pin als Eingang, weil wir daran einen Taster anschließen möchten. Das ist soweit noch klar. Aber dann wird versucht, mit dem Befehl digitalWrite an eben diesem Pin den Pegel zu verändern, der nicht als Ausgang konfiguriert wurde. Was soll das denn bedeuten? Genau das ist ja der Punkt. Über diese Befehlssequenz aktivieren wir den internen Pullup-Widerstand, der übrigens den Wert von 20KΩ besitzt. Damit zwingen wir das Potential des besagten Pins bei offenem Eingang in Richtung +5V und erhalten darüber einen definierten Eingangspegel‌.

Was ist bei einem Pullup- oder Pulldown-Widerstand zu beachten?

Hinsichtlich der Beschaltung eines digitalen Pins entweder über einen externen Pulldown- oder einen internen Pullup-Widerstand muss bei der Programmierung die Abfrage des Pins bei einem Tastendruck abweichend lauten.

Überlege erst einmal, bevor du hier weiterliest. Bei einem Pulldown-Widerstand liegt bei einem offenen Eingang ein LOW-Pegel an. Um eine Pegeländerung zu bewirken, müssen von außen +5V angelegt werden und das bedeutet, dass die Abfrage des Tasters wie folgt aussehen kann, wobei die Variable tasterStatus natürlich erst einmal initialisiert werden muss:

if(tasterStatus == HIGH) { ... }

So weit, so gut. Jetzt arbeitest du mit einem internen Pullup-Widerstand, der bei offenem Taster einen HIGH-Pegel hervorruft. Der angeschlossene Taster muss nun bei einer gewünschten Pegeländerung von außen ein LOW-Signal, also 0V erwirken, was bedeutet, dass die Abfrage des Tasters jetzt wie folgt aussehen muss:

if(tasterStatus == LOW) { ... }

Es gibt noch eine andere Variante, einen internen Pullup-Widerstand zu manipulieren. Ab der Arduino-Entwicklungsumgebung 1.0.1 ist es möglich, über einen speziellen Mode-Parameter beim pinMode-Befehl den Widerstand zu beeinflussen:

Abb. 3: Der interne Pullup-Widerstand wurde aktiviert

Durch einen einzigen pinMode-Befehl wurde der Schalter geschlossen. Die Deaktivierung erfolgt über den Modus INPUT, wobei der interne Schalter wieder geöffnet wird:

Abb. 4: Der internen Pullup-Widerstand wurde deaktiviert

Auch hier ist nur ein einziger pinMode-Befehl mit gezeigtem Modus erforderlich.

Kommen wir jetzt zu einem konkreten Beispiel, denn es ist immer noch nicht ganz klar, wie der Status eines digitalen Pins abgefragt werden kann. Es wird dazu der Befehl digitalRead verwendet, dessen Syntax wie folgt aussieht und den wir eigentlich schon im Bastelprojekt 1 über das Blinken der LED kennengelernt haben:

Diese Funktion wird aber nicht nur einfach aufgerufen, sondern liefert uns einen Rückgabewert, der für unsere Auswertung herangezogen werden kann. Über den Zuweisungsoperator = wird der Wert an eine Variable mit dem Namen tasterStatus übergeben. Die möglichen Rückgabewerte sind hierbei HIGH oder LOW, die vom System – wir erinnern uns – vordefinierte Konstanten darstellen. Bevor wir uns jedoch den Sketch, die erforderlichen Bauteile und den entsprechende Schaltplan anschauen, möchte ich den Aufbau und die Funktionsweise eines Mikrotasters‌ erklären. Auf der folgenden Abbildung sehen wir einen derartigen Mikrotaster‌, der über vier Anschlüsse verfügt. Für das Schließen eines einzelnen Kontaktes werden zwei Anschlüsse benötigt, aber auch wenn wir es hier mit vier Anschlüssen zu tun haben, bedeutet das nicht, dass sich in dem Gehäuse zwei unabhängige Taster befinden:

Abb. 5: Der Mikrotaster

Das Schaltbild rechts vom Taster‌ zeigt die interne Verdrahtung und du erkennst, dass immer zwei Beinchen zusammengehören. Du kannst also den Taster über die Beinchen und oder über und ansprechen. Verdrehst du den Taster um 90 Grad und verwendest das gleiche Anschlussschema, dann hast du einen ewig geschlossenen Taster. Deshalb achte auf die Beinchenpaare‌, die zu einer Seite aus dem Gehäuse kommen. Sie werden kurzgeschlossen, wenn du den Taster betätigst. Notfalls nimmst du dir ein Multimeter zur Hand und verwendest den Durchgangstester, um die Tasterkontakte eindeutig zu identifizieren.