תופעה מרגיזה במיוחד, עם פוטנציאל גבוה לשגע חובבי ארדואינו מתחילים, היא זו של החיבורים הצפים. במילים פשוטות, אם ננסה לקרוא ערכי מתח ממקור שאינו חולק את ה-Ground עם הארדואינו עצמו, תוצאות הקריאה עלולות להיות אקראיות ו/או שונות לגמרי מהצפוי.

ניקח לדוגמה את אחד הפרויקטים הפשוטים ביותר – מתג שמדליק נורה בתיווך הארדואינו. ניקח מתג פשוט, נחבר רגל אחת שלו למקור המתח 5V שהארדואינו מספק, ואת הרגל השניה לפין דיגיטלי – לצורך העניין, פין 2. נכתוב תוכנה שמדליקה את ה-LED המובנה של פין 13 כאשר יש מתח בפין הקלט. הנה הקוד:

void setup() {
  pinMode(2, INPUT);
  pinMode(13, OUTPUT);
}

void loop() {
  if (digitalRead(2) == HIGH) digitalWrite(13, HIGH);
   else digitalWrite(13, LOW);
}

התמונה למעלה מראה מה קרה בשטח: עוד לפני שהספקתי בכלל לגעת במתג, האור הצהוב כבר דלק, והוא נשאר דולק בלי קשר ללחיצות. למעשה, הוא נשאר דולק אפילו כאשר ניתקתי את כל החוטים!

וכאן בדיוק טמון מקור הבעיה. כשהמתג אינו לחוץ ואין סגירה של המעגל החשמלי, מבחינת הארדואינו הרי זה כאילו לא חיברנו לפין 2 דבר – אבל באמת שום דבר: לא פלוס, לא מינוס, כלום. אז איך הוא אמור לקרוא את זה? כל מיני השפעות אקראיות ולא רלוונטיות מתערבות במדידה, והתוצאה – כמו שאתם רואים – קריאת-רפאים של HIGH בפין הקלט, עד כדי חוסר יכולת לזהות לחיצה על מתג. אז מה עושים?

הפתרון נקרא באנגלית Pull-down resistor: נגד בערך גבוה, שמחבר את מקור המתח הנמדד ל-Ground ו"מושך" את מתח ברירת המחדל לכיוון הרצוי לנו – במקרה זה, אפס.

אפשר לראות את הנגד המושך בתמונה הבאה: זהו אותו מעגל כמו קודם, בתוספת חוט שחור מה-Ground, ונגד (10K Ohm, הערך המדויק לא קריטי) ממנו אל המתג. כשהמתג אינו לחוץ, הנגד הזה מושך את המתח בחוט שמתחבר לפין 2 כלפי מטה, לכיוון ה-Ground, וכך מתקבלת קריאה של LOW (שימו לב שהאור כבוי). לעומת זאת, כאשר לוחצים על המתג, הערך הגבוה של הנגד מונע ניקוז מיידי של הזרם ל-Ground, ופין 2 מזהה את המתח כ-HIGH.

לסנסורים ולרכיבים רבים אחרים יש חיבור מובנה ל-Ground בדיוק למטרה זו, והם אינם זקוקים לנגד Pull-down. לעומת זאת לא חסרים רכיבים ללא חיבור כזה, ולא חסרות נסיבות שמחייבות משיכה של המתח כלפי מטה (או מעלה, בהתאם לצורך הספציפי). שימו לב לכל מקור מתח במעגל שלכם וודאו שהוא חולק את ה-Ground עם הארדואינו, ואם מופיעות אצלכם מדידות מוזרות ולא הגיוניות, זיכרו שזו אחת הסיבות האפשריות.

האם זה אומר שצריך להכין סטוק של נגדים עם ערך גבוה? ובכן, זה אף פעם לא מזיק, אך בעקבות תגובה שקיבלתי אתמול בבלוג בנושא הפינים האנלוגיים והדיגיטליים של הארדואינו קראתי עליהם קצת יותר לעומק וגיליתי דבר מעניין: המיקרו-בקר שבלב הארדואינו מסוגל להגדיר עבור הפינים נגדי Pull-up פנימיים!

מה זה אומר? שאם אנחנו רוצים לתת לחיבור קלט צף ערך HIGH כברירת מחדל, אנחנו יכולים לעשות זאת בלי להזדקק לנגד חיצוני. כדי להדגים את העניין שיניתי את המעגל מהתמונות הקודמות כך שהמתג יחבר את פין הקלט לא למתח 5V אלא דווקא ל-Ground. במילים אחרות, כשהמתג לחוץ פין הקלט יחובר ישירות ל-Ground, וכשהמתג לא לחוץ, פין הקלט יהיה "צף". כמו כן, שיניתי את הקוד כך שהאור יגיב לקלט LOW במקום ל-HIGH, והוספתי שורה אחת קטנה וקריטית אחרי הגדרת פין הקלט:

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);
  pinMode(2, INPUT);
  digitalWrite(2, HIGH); // Set up internal Pull-up Resistor
}

void loop() {
  if (digitalRead(2) == LOW) digitalWrite(13, HIGH);
   else digitalWrite(13, LOW);
}

כן, זוהי פקודת פלט מיד אחרי שהפין הוגדר כפין קלט! וזה מה שגורם למשיכה פנימית של המתח, דרך נגד בערך 20K Ohm, כלפי 5V. המעגל עבד בצורה מושלמת ללא כל נגד חיצוני, בחיווט כמוצג בתמונה זו:

אפשר להגדיר Pull-up פנימי לכל הפינים, כולל האנלוגיים, וזה שימושי גם לעבודה עם מעגלים משולבים עם פלט מסוג Open Collector (או Open Drain) הנפוץ – אם כי לא ניכנס לזה עכשיו. לרוע המזל, לא ניתן להגדיר נגדי Pull-down פנימיים, כך שאם אתם מתעקשים להגיב דווקא לסיגנל HIGH, לא תהיה לכם ברירה אלא להשתמש בנגדים חיצוניים.

יום עצמאות שמח!