ボタンを検出するスマートな方法（電力消費が少ない）

特定のプロジェクトの会議中に、MCUでボタンのプッシュを検出する方法について考えるように依頼されました。検出はできるだけ少ない電力を消費する必要があります。一見、プルアップまたはプルダウンのある典型的な回路を考えました：

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

反バウンス機能については、この質問の範囲を超えているため、ここでは説明しません。いずれの場合でも、ボタンを押したときに流れる合計電流値は抵抗値に依存します。それ（電流）を最小化するために、抵抗値を大きくすることはできますが、そうでない場合は、入力ピンのリーク値にも依存するため、それほど大きくすることはできません。さらに、大きな抵抗はゆっくり回復します。

私の質問は次のとおりです：電力を消費しないボタンが押されたことを検出するスマートな方法は何ですか（通常、高電力を消費するアプリケーションの場合）？ボタンが押されたときにほとんど電力を消費しない方法はありますか？

一度使用した低電流の方法は、2つのマイクロコントローラーI / Oピン間にスイッチを接続することでした。

1つのI / Oが出力（SWO）として構成されました。2番目は、プログラム可能な内部プルアップを有効にして入力（SWI）として構成されました。

スイッチの状態は、ソフトウェア割り込みルーチンによってまれに（10 msごとに）サンプリングされました。読み取りシーケンスは、SWOを低く、SWIを読み取り、SWOを高く駆動しました。

これは、押されたスイッチがそれ自体とSWOを介してスキャン中に1 us未満だけSWIプルダウン電流を引き込み、押されていないスイッチが電流を引き出さなかったことを意味しました。10 msごとに1 us未満のこの消費電流により、平均消費電流はごくわずかになりました。

A SPDT（SイングルP OLE D ouble Tの HROW）ボタンはあなたの超効率的なボタンであろう。

出典：http : //www.ni.com/white-paper/3960/en/

あなたの場合、1PはMCUに、1TはVCCに、2TはGNDに行きます。

ボタンはどれくらい押し続けられますか？トグルスイッチ（状態を保持する）ではなく、瞬間的なスイッチである場合、ボタンが実際に閉じられる時間が短いため、ボタンが押されたときに流れる電流はほとんど無関係です。

表示する2つの回路のどちらでも構いませんが、問題ではありません。

入力リークやMCU入力への電流は無視できると仮定できます。すべてのMCUは最近CMOSテクノロジーに組み込まれており、入力電流は実質的にゼロです。だから、それを考えるのをやめて、そこにはない。

外部抵抗を使用する代わりに、多くのMCUの入力に組み込まれた内部プルアップ抵抗を使用することもできます。この抵抗は比較的低い値（おそらく50kΩ）であるため、ボタンを押したときに小さな電流が流れます。

プルアップ/プルダウンには、1 Mohmの抵抗でも安全に使用できます。非常に「汚れた」（電気的に言えば）環境でのみ、より低い値が必要になる場合があります。100 nFコンデンサをスイッチと並列に配置して、近くの他の回路からの干渉を抑えることもできます。

プロのヒント：PCB上のこのようなコンデンサーの場所を予約しますが、キャップは取り付けないでください。まだ。問題の場合：それを配置し、それが役立つかどうかを確認します。

スイッチの状態を検出するには、ポーリング（TonyMの答えのように）を使用するか、割り込みを使用します。（MCUの）消費電力のどちらが良いかは、アプリケーションによって異なります。

私が使用した1つの方法は、CMOS入力の容量性を利用しています。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

スイッチの上の回路では、閉じたときに、プルダウン抵抗がGPIOの入力容量をグランドレベルまで充電/放電できます。

この回路のコツは、GPIOの双方向性を使用して、スイッチが開いているときに入力をロジックハイレベルに充電し続けることです。

制御ルーチンは、定期的にピンをハイレベルにするか、またはプルアップを一時的に有効にします。これは、キャップの充電を維持するのに十分な時間です。入力ピンはダイナミックメモリビットのように機能し、ほとんどのデバイスで、かなりの使用可能な時間にわたってその電荷を保持します。

適切に設定されている場合、ボタンが押されると、ピンの電荷はリフレッシュレートよりも速く放電します。その状態は、リフレッシュ操作の前の読み取りとしてリフレッシュアルゴリズムの一部として検出されるか、割り込みの駆動に使用されます。

リフレッシュパルスの間、コンデンサを再充電するためと抵抗を介して電力が短時間使用され、抵抗が閉じている場合は切り替えます。ただし、リフレッシュパルスの長さは短く、ポーリング頻度により、リフレッシュ電流は比較的重要ではなくなります。

明らかに、このメソッドはアクティブなメソッドです。マイクロがスリープ状態になると、スイッチの状態はスリープ解除時に不定になります。ウェイクアップ後の最初のリフレッシュサイクルでは、ピンの読み取りを無視する必要があります。また、このメソッドを使用してマイクロをウェイクアップしないでください。就寝する前に、ピンを低出力として有効にして、電流がゼロの状態で待機させることも賢明です。

セットアップディップスイッチなど、より静的なスイッチを読み取るには、連続的な更新サイクルではなく、専用のルーチンを使用できます。読み取り後、GPIOピンはアクティブな低出力状態（ゼロ電流）で「パーク」され、フローティング入力の問題を回避する必要があります。

注：トレースの長さが長く、ノイズの多い領域を通過する場合、この手法はノイズ感度の影響を受けます。そのため、R1は入力ピンの近くに配置する必要があります。ただし、ピンの近くに余分な容量を追加しない限り、前面パネルのどこかにスイッチを接続することはお勧めしません。

ボタンがピエゾスイッチの場合、必要な電力はボタンを押して生成される電力のみです。

例：R2 / C1は、ピエゾを押すことによって生成されるエネルギーを収集します。D1は、C1電圧が高くなりすぎるのを防ぎます。ボタンが放されると、R1はC1を排出します。MCU GPIOは入力モードで、プルモードではない必要があります。Voilà、電源からのゼロ電流引き込みでボタン検出。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

デバイスがいずれかの状態を無期限に維持できる必要がある場合、SPDTスイッチを使用するのが最も低電力のアプローチです。これは、静的回路を作成して、内部リークとスイッチのリークを超えて電流を引き出さないようにすることができるためです。SPDTスイッチのもう1つの利点は、片方の接点が閉じたと最初に読み取る前に一方の接点がバウンドを停止する場合に限り、操作の速さや接点の粗さに関わらず、ほぼ完全にバウンスを除去できることです。

このようなスイッチを配線するには、次の2つの方法があります。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

最初のアプローチは、2番目の抵抗より1つ少ない抵抗を必要としますが、2番目の抵抗は2つの極間のオーバーラップに対してより耐性があります（通常の電流よりも高い電流を引き込みますが、電源を完全に短絡させません）。スイッチが長時間中程度の抵抗性の状態になる場合、通常よりもはるかに多くの電流を消費する可能性がありますが、通常の使用中は、スイッチの状態が変化し、出力が応答する時間。

マイクロコントローラの内部プルアップを使用し、プレスが検出されたらプルアップを無効にします。その後、ボタンの状態を確認するために、時々一時的に再度有効にします。