徹底告別 Key Bounce | 使用 Arduino ESP32 Timing 打造穩定按鍵輸入

433

按鍵彈跳 (Key Bounce) 是電子項目中常見的挑戰，特別是在使用機械按鍵時更為突出。由於按鍵接觸的不穩定，可能會產生一連串高低電平的信號波動。如果未進行適當的消抖處理，這些波動會被誤判為多次按鍵觸發，導致設備行為異常。無論是 DIY 小項目還是複雜的物聯網設備，解決按鍵彈跳問題對於穩定輸入和可靠運行至關重要。

內容

簡介

本文將介紹使用 Arduino 和 ESP32 有效解決按鍵彈跳問題。我們將利用 ESP32 的中斷功能與高效的計時技術，實現穩定的按鍵輸入，避免阻塞主循環的運行。接下來，您將了解什麼是按鍵彈跳，為什麼需要消抖，以及如何通過逐步的代碼示例實現一個精確、可靠的解決方案。

什麼是 Key Bounce？

按鍵彈跳是一種由於機械接觸不穩定而產生的信號波動現象，當按下或釋放按鍵時，電路中可能會出現一連串的高低電平變化（見下圖），這些波動會被微控制器（MCU）誤判為多次按鍵觸發。

理想信號：  ──────┘─────────┘───────────────
實際信號：  ──────┐││││─┘──────┐││││─┘──────

如何解決按鍵彈跳？

按鍵彈跳 (Key Bounce) 是指當按鍵被按下或釋放時，因為物理接觸的微小波動，會導致多次錯誤觸發的現象。這種情況會讓微控制器誤判為多次按鍵事件，影響系統的穩定性。為了解決這個問題，我們需要進行消抖 (debounce) 處理。

解決按鍵彈跳的三種方法：

硬件消抖：透過使用 RC 電路（電阻和電容）或專用消抖芯片來過濾掉按鍵信號的噪聲。雖然這種方法效果好，但需要額外的硬件元件，從而增加了成本。
軟件延遲法：在偵測到按鍵觸發後，使用 delay() 函數暫停程式運行一段時間，以確保信號穩定。雖然這種方法簡單，但它會阻塞程式的執行，無法同時處理其他事件，影響系統的響應速度。
計時法：使用計時器來檢查按鍵信號是否穩定，只有在信號穩定一段時間後，才確認為有效的按鍵事件。

本文將重點介紹如何使用 ESP32 的計時法來解決按鍵彈跳問題。這種方法高效、精確，並且不會影響主循環的運行，特別適合需要處理多個任務的情境。

開發環境

在開始編程之前，請確保已完成以下準備工作：

安裝 Arduino IDE 和 ESP32 開發環境。
ESP32 開發板。

使用 Arduino ESP32 Timing 處理按鍵彈跳

非阻塞式計時法，並使用 Arduino ESP32 的 Timing 處理按鍵彈跳 :

const int buttonPin = 2;
volatile unsigned long lastPressTime = 0;
const unsigned long debounceDelay = 50;  // Debounce delay time (in milliseconds)
volatile bool buttonPressed = false;     // Flag to indicate button press

void IRAM_ATTR handleButtonPress() {
  unsigned long currentTime = millis();
  if (currentTime - lastPressTime > debounceDelay) {
    lastPressTime = currentTime;
    buttonPressed = true;  // Set the flag when button is pressed
  }
}

void setup() {
  pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);  // Set the button pin as input with pull-up resistor
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(buttonPin), handleButtonPress, FALLING);  // Set up interrupt on button press (falling edge)
  Serial.begin(115200);  // Initialize serial communication
}

void loop() {
  // Main loop can handle other tasks
  if (buttonPressed) {
    Serial.println("Button pressed!");  // Print to serial if button was pressed
    buttonPressed = false;  // Reset the flag after processing
  }
}

程式碼解說

按鍵引腳設置： 按鍵連接到第 2 號引腳，並啟用內建上拉電阻（INPUT_PULLUP）。這樣可以確保在按鍵未按下時，該引腳的電壓為高。
中斷設置： 使用 attachInterrupt() 設置中斷，監控按鍵的狀態變化。當按鍵被按下時，觸發下降沿（FALLING），即從高電平變為低電平時，會呼叫 handleButtonPress 函數。
消抖邏輯： 在 handleButtonPress 函數中，我們使用 millis() 函數來獲取當前的時間（以毫秒為單位），並與上次按鍵按下的時間進行比較。如果兩次按鍵事件的間隔大於設定的消抖延遲時間（debounceDelay），則認為這次按鍵按下是有效的，並執行相關操作。
串口輸出： 當按鍵按下且經過消抖處理後，會在串口監視器中顯示 "Button pressed!"，用來指示按鍵已成功觸發。