和爷爷一起学Arduino摸索Funduino摇杆扩展板

　　摇杆扩展板
　　摇杆是游戏机最主要的操纵外设。从街机到家里的红白机，用的都是摇杆。只是形状千变万化而已。有的有个手柄，真的像个摇杆，有的就是几个按钮。其实，这几个按钮，也是摇杆，内部结构与电路基本一致。英语叫JoyStick。摇杆也是一个传感器。
　　淘宝上买了一块Funduino JoyStick shield V1.0A。Shield，有的翻译为盾板，现在一般叫扩展板。这块盾板引出了全部数字口D0~D13、全部模拟口A0~A5，以及I2C芯片间通信总线、蓝牙插座、2.4G（远程无线收发）。板上安装了一个带按钮的摇杆，6个独立按钮。没有资料，我们对它很感兴趣，就做了一些测试。测试工具就是万用表和ArduinoScratch软件。
　　一、测试外特性
　　先用万用表的通断档测量摇杆与I/O口的连接，发现标X的端口连在模拟口A0上，标Y的端口连在A1上，摇杆内置按钮连在数字口D8上。6个按钮A、B、C、D、E、F分别连在D2~D7上。本文主要说摇杆，因此，对6个独立按钮就忽略了。
　　知道了摇杆与按钮分别连接的是哪些口，就可以编写Scratch程序来进行测试了。程序如下。用的软件是ArduinoScratch（早期叫AS-Block）。你的Arduino板第一次连ArduinoScratch时，要先下载固件到你的Arduino板（选菜单项＂连接|上传固件＂）。我们创建的9个变量全打上勾，让它们的值在舞台上动态显示出来。
　　测试程序
　　当摇杆向左扳时，变量X（接受模拟口A0的输入值）的值为0；向右扳时，X的值为1023。将摇杆向前扳，变量Y（接受模拟口A1的输入值）为0；向后扳，Y的值为1023。你也可以斜向推。向右前45度方向扳，变量X与Y同时为1023，向左后方向扳，X与Y都为0；向右后扳，X为1023，Y为0；向左前扳，X为0，Y为1023。
　　摇杆不被扳动时，也就是X、Y都处于原始位置，X和Y的值都是500左右的浮动值。
　　当摇杆内置的按钮K按下时，D8为false，释放，D8为true。
　　因此，摇杆其实是一个三态传感器。X方向有三个值：X-=0，X0=~500，X+=1023。Y也一样。在Scratch游戏脚本里要使用摇杆，只要为X和Y各设定两个阈值就行了。譬如，设下阈值为200，上阈值为800。当A0输入小于200时，我们认为摇杆被向左扳了；大于800时，则认为向右扳了。而在200~800之间时，认为摇杆没有左右扳动。Y方向也是一样。
　　二、测试分析内部电路
　　知道了外特性，一般使用问题不大了。我还不满足，想知道它的内部到底是怎么一个电路？手头只有万用表，再加上数学，应该能分析出来吧。
　　先用万用表测量摇杆几个点之间的电阻值。这时，当然不能接上电源！我测得，Vcc与Gnd之间的阻值是4.8K左右。摇杆原始位置时，X端对Vcc、对Gnd的阻值都是3.8K左右，Y端也是这样。摇杆向右扳时，X对Vcc的阻值为0，对Gnd为4.8K左右。向左扳时，X对Vcc的阻值为4.8K左右，对Gnd为0。
　　分析如上所述的外特性，这个电路不会很复杂。如果让我来设计，摇杆的内部电路应该是一个由4个电阻器、2个一刀双抛开关组成的。如下图所示。
　　摇杆内部电路
　　其中的4个电阻R1~R4的阻值是相等的。 先看左边部分。因为R1与R2阻值相等，各自分得Vcc的一半电压，5V。不扳动摇杆时，接A0的输出端的电平是2.5V左右。说穿了吧，就是由于上面用ArduinoScratch测得＂摇杆不被扳动时，也就是X、Y都处于原始位置，X和Y的值都是500左右的浮动值。＂，因而我推断出，只能是这个电路结构，而且R1=R2。当摇杆向右扳时，内部的开关Kx与X+接触，电阻R1被短接，Vcc直连至A0口，这时，输出到A0口的电平就是Vcc——5V。所以ArduinoScratch读出的数值是1023。而向左扳时，Kx与X-端接触，接A0的输出端被拉到Gnd，A0口输入的电平为0V，读数也是0。右边电路是Y方向的，工作原理一模一样。
　　现在来看，我的猜想与实测（包括万用表测量电阻以及ArduinoScratch试验）是相符的。原始状态时，Vcc与Gnd之间的电阻值是4.8K，说明四个电阻都是4.8K。左边两个4.8K串联，是9.6K，右边也是9.6K，两个9.6K并联，又变成4.8K。与实测相符。
　　摇杆内置按钮就是一个按钮，内部没有电阻。
　　这个是Arduino Uno的盾板，不能插在Arduino Nano板上。