Schalter

Notwendiges Wissen: [HW] User Interface Module, [AVR] Registers, [AVR] Digital Inputs/Outputs, [LIB] Pins, [PRT] Light-emitting Diode

Ein Schalter ist ein elektromagnetisches Gerät, welches einen elektrischen Schaltkreis verbindet oder trennt. Es gibt viele Typen von Schaltern, die am weitesten verbreiteten sind einfache mechanische Schalter, bei denen elektrische Anschlüsse mechanisch geschaltet werden. Sind die Anschlüsse verbunden, wird der elektrische Schaltkreis geschlossen und Strom kann durch den Schalter fließen. Wenn die Anschlüsse nicht verbunden sind, kann keine Elektrizität fließen.

Schalter werden normalerweise benutzt um elektrische Schaltkreise zu schalten, sie können jedoch auch als Sensoren benutzt werden. Der Schalter als Sensor ist auch Teil dieser Übung, Hochspannungsschalter werden jedoch ausgelassen. Schalter können anhand der Anzahl von Kontakten und ihrer Verbindungsmethode unterschieden werden. Unterschiedliche Typen sind: zwei-Kontakt Schalter und Doppelschalter, bei denen Kontaktpaare verbunden werden, darüber hinaus auch Druckknopf-, Schiebe-, Kipp- und Wechselschalter, ebenso wie Schalter die Verbindungen trennen anstatt zu verbinden.

Es werden unterschiedliche Schaltbildsymbole genutzt um die verschiedenen Typen von Schaltern zu identifizieren. Unterhalb sind Beispiele typischer elektrischer Schalter in einem Schaltbild:

Druckknopfschalter	Wechselschalter	Kippschalter	Mikroschalter	DIL Schalter

Um einen Schalter als Sensor mit einem Mikrocontroller zu nutzen, muss ein Kontakt des Schalters mit dem Pin des Mikrocontrollers verbunden sein und dieser muss als Input im Programm definiert werden. Wenn der Kontakt mit der Masse oder einem Inputpotential verbunden ist, wir die Bus Bitrate des Mikrocontroller-Pins geändert. Es erscheint logisch einen Wechselschalter zu nutzen, welcher es erlaubt einen Kontakt an den gewünschten Kontakt anzubringen (hier Masse oder Input). Für unseren Zweck ist es nicht ganz so einfach, denn im Moment des Schaltens sind die Kontakte nicht verbunden. Der Moment an sich ist sehr kurz (ms), aber in diesem Moment ist der Input-Pin des Mikrocontrollers nicht verbunden und hat daher einen unendlichen Wert. Auf Grund elektromagnetischer Störung (welche überall existiert) kann der Input-Pin der nicht angeschlossen ist, zu jeder Zeit zufällig einen Wert von 0 oder 1 haben.

Die Störanfälligkeit macht die Nutzung von Schaltern kompliziert. Die am häufigsten verwendete Methode um dies zu verhindern, ist den Input des Microcontrollers durch einen Widerstand an die Erde oder das Inputpotential anzuschließen. Einen so benutzten Widerstand nennt man einen pull-down oder pull-up Widerstand. Normalerweise liegt der Widerstand eines pull-down oder pull-up zwischen 1kΩ bis 1 MΩ. Wenn der Schalter offen ist, wird der Input mit der Spannung des Widerstands geladen, wenn man den Schalter schließt, empfängt der Input die Spannung des Schalters, da der Leitungswiderstand des Schalters im Vergleich zum Widerstand beinahe 0 ist. Allgemein kann er als “volt-box” bezeichnet werden.

Schalter-Anschluss Schema mit einem pull-up Widerstand

Ein einfacher zwei-Kontakt Schalter kann als Sensor mit einen pull-up oder pull-down Widerstand genutzt werden. Hierzu wird ein Kontakt des Schalters mit dem Input verbunden und der andere mit dem Widerstand. Normalerweise haben Mikrocontroller eingebaute pull-up oder down Widerstände, daher ist es nicht notwendig einen Widerstand in den Schaltkreis einzubauen. AVR Mikrocontroller haben beispielsweise 20 kΩ – 50 kΩ pull-up Widerstände an ihren I/O Pins. Darüber hinaus muss noch erwähnt werden, dass mechanische Schalter ein weiteres Problem haben, den “switch bounce”. Hierdurch wird beim Schalten in sehr kleinen Abständen die Verbindung durch die Schwingung des mechanischen Schalters unterbrochen. Die Beispiele dieses Kapitels werden nicht durch den “switch bounce” beeinflusst, das Problem wird im nächsten Kapitel ausführlicher bearbeitet.

Es gibt drei Druckknopf-Schalter am digitalen I/O Modul. Diese verbinden die Pins den Mikrocontrollers mit der Erde, aber nicht direkt durch einen Widerstand. Auf diese Weise soll ein Kurzschluss vermieden werden, wenn der Knopf gedrückt wird, während der Pin als Output definiert wird. Die Schalter besitzen einen pull-up Widerstand, welcher aber einen viel größeren Widerstand als die Schutzwiderstände hat, daher liegt beim Drücken des Schalter eine Spannung von nahezu 0 V am betreffenden Pin an.

Die Schalter befinden sich an den PC0, PC1 und PC2 Pins. Um den Status der Schalter zu lesen müssen die betreffenden Pins des Mikrocontrollers als Input gesetzt werden. Man benötigt nicht die internen pull-up Widerstände des AVR, da die Pins schon externe Widerstände haben. Wenn der Schalter betätigt wird, hat der entsprechende Bus des Pins den Wert 0, wird er losgelassen, den Wert 1. Mit Hilfe von LED Indikatoren kann überprüft werden, ob der Mikrocontroller den Status den Schalters verstanden hat.

Der Beispielcode zur Benutzung der Schalter basiert auf der HomeLab Pins Bibliothek, welche im LED Kapitel eingeführt wurde.

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// Program zum Testen der Schalter des digitalen I/O Moduls
//
#include <homelab/pin.h>
 
//
// Festlegung der Pins von LED-d sowie der Schalter.
//
pin leds[3]    = { PIN(C, 5), PIN(C, 4), PIN(C, 3) };
pin buttons[3] = { PIN(C, 2), PIN(C, 1), PIN(C, 0) };
 
//
// Hauptprogramm
//
int main(void)
{
	unsigned char i;
 
	// Setzt die LED Pins als Output und die Schalter-Pins als Input.
	for (i = 0; i < 3; i++)
	{
		pin_setup_output(leds[i]);
		pin_setup_input(buttons[i]);
	}
 
	// Endlosschleife
	while (true)
	{
		// Jeder Schalter hat eine zugehörige LED,
		// die aufleuchtet, wenn er betätigt wird.
		for (i = 0; i < 3; i++)
		{
			pin_set_to(leds[i], pin_get_value(buttons[i]));
		}
	}
}

Im Beispiel werden LEDS und Knöpfe als Array definiert - das ermöglicht es Sie in einer for Schleife zu nutzen. Wird das Programm gestartet, werden die LED Pins als Output und die Schalter als Input gesetzt. In der Endlosschleife des Programms wird durchgehend der Status der Schalter abgefragt, welcher den Status der dazugehörigen LED bestimmt. Der erste Schalter ist für die grüne LED, der Zweite für die Gelbe und der Dritte für die Rote.