Modi intelligenti per rilevare un pulsante (meno consumo di energia)

Durante una riunione per un particolare progetto, mi è stato chiesto di pensare al modo di rilevare la pressione di un pulsante con un MCU. Il rilevamento dovrebbe consumare meno energia possibile. A prima vista, ho pensato al tipico circuito con un pull-up o un pull-down:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Non conto di alcune funzionalità anti-rimbalzo qui, poiché questo va oltre lo scopo di questa domanda. In entrambi i casi, quando si preme il pulsante, il valore corrente totale che scorre dipende dal valore della resistenza. Per minimizzarlo (la corrente), potrei aumentare il valore del resistore ma non tanto poiché, se ho ragione, dipende anche dal valore di dispersione del pin di ingresso. Inoltre, un grande resistore si riprenderà lentamente.

La mia domanda è la seguente: quali sono i modi intelligenti per rilevare un pulsante premuto che non consuma energia (in genere per un'applicazione ad alto consumo di energia)? Esistono metodi che consumano appena il pulsante quando si preme il pulsante?

Un metodo a bassa corrente che ho usato una volta era quello di collegare un interruttore tra due pin I / O del microcontrollore.

Un I / O è stato configurato come uscita (SWO). Il secondo è stato configurato come input (SWI) con il pull-up interno programmabile abilitato.

Lo stato dello switch è stato campionato di rado (ogni 10 ms) da una routine di interruzione del software. La sequenza di lettura era: drive SWO basso, lettura SWI, drive SWO alto.

Ciò significava che un interruttore premuto assorbiva la corrente di pull-down SWI attraverso se stesso e SWO per meno di 1 us durante la scansione, mentre un interruttore non compresso non assorbiva corrente. Questo assorbimento di corrente per <1 us ogni 10 ms ha comportato un consumo medio medio di corrente molto ridotto.

A SPDT ( S ingle P ole D ouble T hRow) pulsante sarebbe il pulsante ultra efficiente.

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

Nel tuo caso, 1P andrebbe all'MCU, 1T a VCC, 2T a GND.

Per quanto tempo verrà premuto il pulsante? Se non è un interruttore a levetta (che mantiene il suo stato) ma un interruttore momentaneo, la corrente che scorre quando si preme il pulsante è in gran parte irrilevante a causa del breve tempo in cui il pulsante è effettivamente chiuso.

Uno dei due circuiti che mostri è OK, non importa.

Si può presumere che la perdita di ingresso e / o la corrente in un ingresso MCU sia trascurabile . Tutti gli MCU sono attualmente in tecnologia CMOS e hanno una corrente di ingresso praticamente nulla. Quindi smetti di considerarlo, non è lì.

Invece di utilizzare un resistore esterno, è possibile utilizzare anche il resistore pull-up interno incorporato in molti ingressi MCU. Questo resistore potrebbe avere un valore relativamente basso (forse 50 kohm), quindi una piccola corrente scorrerà quando si preme il pulsante.

Puoi tranquillamente utilizzare anche una resistenza da 1 Mohm per un pull-up / pull-down. Solo in ambienti molto "sporchi" (elettricamente parlando) potresti aver bisogno di un valore inferiore. È inoltre possibile posizionare un condensatore da 100 nF in parallelo con l'interruttore per sopprimere le interferenze da altri circuiti nelle vicinanze.

Suggerimento professionale: riservare un posto per un tale condensatore sul PCB, ma non montare un cappuccio. ancora. In caso di problemi: posizionalo e vedi se aiuta.

Per rilevare lo stato dell'interruttore, utilizzare il polling (come nella risposta di TonyM) o utilizzare un interrupt . Dipende dall'applicazione quale è meglio per il consumo di energia (dell'MCU).

Un metodo che ho usato sfrutta la natura capacitiva degli ingressi CMOS.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Nel circuito sopra l'interruttore, quando chiuso, consente alla resistenza di pull-down di caricare / scaricare le capacità di ingresso del GPIO fino a terra.

Il trucco di questo circuito consiste nell'utilizzare la natura bidirezionale di un GPIO per mantenere alto l'ingresso logico a livello logico quando l'interruttore è aperto.

La routine di controllo trasforma periodicamente il perno di livello alto o abilita brevemente il pull-up, abbastanza a lungo da mantenere una carica dei tappi. Il pin di input si comporta quindi come un bit di memoria dinamica e, con la maggior parte dei dispositivi, mantiene tale carica per un periodo di tempo considerevole e utilizzabile.

Se configurato correttamente, se si preme il pulsante, la carica sul pin si scaricherà più velocemente della frequenza di aggiornamento. Tale condizione può quindi essere rilevata come parte dell'algoritmo di aggiornamento come operazione di lettura prima dell'aggiornamento o utilizzata per generare un interrupt.

L'alimentazione viene brevemente utilizzata durante l'impulso di aggiornamento, sia per ricaricare i condensatori che attraverso il resistore e passare se è chiuso. Tuttavia, la lunghezza dell'impulso di aggiornamento è breve e la frequenza di polling risulta nella corrente di aggiornamento relativamente insignificante.

Ovviamente questo metodo è attivo. Se il micro viene messo in sospensione, lo stato dell'interruttore sarà indeterminato al risveglio. Il primo ciclo di aggiornamento dopo il risveglio deve ignorare la lettura del pin. Inoltre, questo metodo non deve essere utilizzato per riattivare il micro. Prima di andare a letto, è anche consigliabile abilitare il pin come uscita bassa per parcheggiarlo in uno stato di corrente zero.

Per leggere più interruttori statici, come i dip-switch di impostazione, è possibile utilizzare una routine dedicata anziché un ciclo di aggiornamento continuo. Dopo la lettura, i pin GPIO dovrebbero quindi essere "parcheggiati" in uno stato di uscita basso attivo (corrente zero) per evitare il problema degli ingressi flottanti.

NOTA: questa tecnica soffre leggermente della sensibilità al rumore se le lunghezze della traccia sono lunghe e viaggiano in un'area rumorosa. Come tale R1 dovrebbe essere vicino al pin di ingresso. Tuttavia, non lo consiglierei per collegare un interruttore a una certa distanza su un pannello anteriore da qualche parte a meno che non si aggiunga capacità aggiuntiva vicino al pin.

Se il tuo pulsante è un interruttore piezoelettrico, l'unica potenza richiesta è quella generata premendo il pulsante.

Ad esempio: R2 / C1 raccoglie l'energia prodotta premendo il piezo. D1 impedisce che la tensione C1 diventi troppo alta. R1 scarica C1 quando il pulsante viene rilasciato. Il GPIO MCU deve essere in input, nessuna modalità pull. Voilà, pulsante rilevato con assorbimento di corrente zero dall'alimentazione.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Se il dispositivo deve essere in grado di rimanere in uno dei due stati indefinitamente, l'utilizzo di un interruttore SPDT rappresenterà l'approccio a più bassa potenza, poiché un circuito statico può essere fatto per assorbire corrente oltre la propria perdita interna e quella dell'interruttore. Un ulteriore vantaggio degli interruttori SPDT è che possono essere rimossi quasi alla perfezione, indipendentemente dalla velocità con cui vengono azionati o da quanto potrebbero essere scadenti i contatti, a condizione che solo un contatto smetta di rimbalzare prima che l'altro venga letto come chiuso.

Esistono due buoni approcci per cablare tali interruttori:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Il primo approccio richiede un resistore in meno rispetto al secondo, ma il secondo sarà più tollerante di sovrapposizione tra i due poli (assorbirà una corrente superiore al normale, ma non metterà un corto circuito sull'alimentazione). Si noti che se l'interruttore può entrare in uno stato moderatamente resistivo per un periodo di tempo prolungato, ciò potrebbe bruciare una corrente significativamente maggiore del normale, ma durante l'uso normale nessuno dei resistori trasporterà alcuna corrente significativa tranne durante il breve momento tra il quando l'interruttore cambia stato e l'uscita risponde.

Utilizzare il pull-up interno del microcontrollore e quando viene rilevata la stampa disabilitare il pull-up. Quindi occasionalmente riattivarlo brevemente per controllare lo stato del pulsante.