Conheça o Efeito Bouncing e saiba como evitá-lo

Introdução

Parabéns a você caro leitor que chegou neste post se perguntando o que é Efeito Bouncing. Bom, estou aqui para lhe dizer que, caso nunca tenha ouvido falar disso mesmo que esteja familiarizado com a eletrônica e projetos com Arduino, muito provavelmente você já se deparou com ele antes, ou irá se deparar no futuro.

Esse fenômeno está muito presente em projetos com Arduino que envolvem o uso de botões. No post de hoje iremos lhe apresentar o efeito Bouncing e apresentar uma solução simples e prática para acabar de vez com esse problema. Veja só:

O que é Efeito Bouncing?

O Efeito Bouncing nada mais é que um fenômeno de trepidação. Ele é comum em Chaves, push buttons, reed-switch, entre outros. Usaremos aqui um push button para exemplificar o efeito.

Quando pressionamos o botão, forçamos o contato entre dois condutores. Note que estamos imprimindo força no botão, então esse movimento possui energia cinética. Você deve lembrar das suas aulas de física no ensino médio que quando temos colisões entre corpos, transferimos energia cinética entre eles. Esse fato faz com que o movimento que inserimos no botão passe para os contatos, que por sua vez levam tempo até se estabilizarem em uma posição de repouso (pleno contato entre eles). Até que esse repouso seja atingido podemos ter micro oscilações entre posições de contato fechado e aberto.

Note que tudo isso ocorre naqueles primeiros milissegundos após acionarmos o botão, e apesar de ser muito rápido para notarmos, o Arduino que está esperando um sinal do botão consegue ler essas oscilações e seu código pode apresentar problemas por causa disso.

Diagrama de uma onda quadrada com efeito bouncing

Lista de materiais:

• Arduino Uno
• Um resistor de 10kΩ
• Dois resistores de 330Ω
• Jumpers
• Um capacitor eletrolítico de100μF
• Um Push Button
• Um LED

Como identificar o efeito bouncing no seu projeto?

Bom, se é rápido demais para identificarmos esse efeito, como faremos? É bem simples, basta usarmos alguém que consegue ler essas oscilações, como o Arduino. Para demonstração, vamos montar um circuito bem simples: Um Arduino conectado a um botão em uma porta digital configurada como entrada, e um LED conectado a outra porta digital configurada como uma saída.  Quanto ao código de identificação, vamos fazer o Arduino contar quantas vezes ele identificou uma mudança de estado na porta digital que está conectado ao botão e depois nos retornar essa informação.

Vamos então ao circuito:

Circuito para teste do efeito bouncing

Antes do código, precisamos fazer três observações:

1. A variável “aux” é importante para fazer com que a contagem só ocorra quando há uma mudança real. Por exemplo, queremos evitar que o Arduino conte o estado LOW mais de uma vez se o “estado” permanecer assim durante tempo suficiente para o código terminar um ciclo de execução.
2. Vamos usar a função millis() para sabermos quantas oscilações estão ocorrendo no programa, mas, o que faz a função millis()?  Imagine que um cronômetro é acionado assim que o Arduino começa a executar um programa. Afunção millis() é quem retorna o “valor desse cronômetro” naquele momento, mostrando qual a fração de segundo da execução do programa. Essa função possui uma particularidade: não podemos receber seu valor com um tipo inteiro ou float, precisamos de um tipo especial, o unsigned long. 
3. Note que estamos usando um LED verde. Suas características para utilização indicam uma corrente de 20 mA e tensão entre 2 e 2,5 V. Se a saída digital que acionará o led dispõe uma tensão de 5 V, necessitamos de uma resistência de 100 ohms no mínimo. Por isso usaremos 2 resistores de 330 ohms em paralelo.  Não iremos acionar esse led agora, apenas no debouncing via software que veremos mais adiante.

Agora sim, vamos ao código:

unsigned long time; // váriavel para receber valores da função milli()
int cont = 0; // o contador de variações
int entrada = 7;
bool estado = LOW; // variável de estado do botão
int aux = 1;


void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(led,OUTPUT);
  pinMode(entrada,INPUT);
  time = millis(); //iniciamos a variável com o primeiro valor do "cronometro"
}
void loop() {

  estado = digitalRead(entrada);
  if (estado==HIGH && aux==1){
    cont++;
    aux = 0;
  }
  if (estado==LOW && aux==0){
    cont++;
    aux = 1;
  }
  if (millis()-time>=500){ // imprime o número de variações a cada 0,5 segundo
    time=millis(); // guarda o novo ponto de inicio para a proxima analise
    Serial.print("variações = ");
    Serial.print(cont);
    Serial.print("\n");
    cont = 0;
   }    
}

Métodos de Debouncing

Debouncing é um método para contrapor o efeito Bouncing. É importante salientar que existem mais de um método de Debouncing, e como a nossa intenção aqui é simplificar o processo, vamos te apresentar dois métodos. Um por Software e outro por Hardware.

Software

Aqui iremos fazer com que o Arduino “ignore” a oscilação causada pelo botão.

Usaremos para isso a função delay(), que é responsável por pausar todo o processamento do Arduino. Para que essa técnica funcione, nós precisamos de uma estimativa de duração da oscilação, pois vamos pausar o sistema durante esse intervalo de tempo após acionarmos o botão.

Esta estimativa pode ser feita por tentativa e erro, note que no exemplo abaixo usamos um tempo de 50ms. Esse período é suficiente para o debouncing, contudo também é pequeno o suficiente para não sentirmos atrasos na execução do código. Note também que se pressionarmos o botão não percebemos nenhum atraso. Para esse exemplo, usaremos o mesmo circuito discutido anteriormente.

O código:

int led = 4;
int entrada = 7;
int aux = 1;
int cont =0;
bool estado = LOW; // variável de estado do botão
unsigned long time; // variável vara a função millis()

void setup() {
pinMode(led,OUTPUT);
pinMode(entrada,INPUT);
Serial.begin(9600);
time = millis();
}

void loop() {
  
do{
  estado_anterior = digitalRead(entrada);
delay(50);
estado = digitalRead(entrada);
}while(estado_anterior != estado); // aqui definimos um intervalo de tempo de segurança usando a função delay(), para sair do loop é
// necessário identificar uma constancia no estado do botão, ele precisa ser o mesmo durante 50 ms

if (estado==HIGH && aux==1){
    aux = 0;
    cont++;
    digitalWrite(led,HIGH); // este não é só um algoritimo de verificação, quando acionamos o botão também ascendemos um Led
}

if (estado==LOW && aux==0){
  aux = 1;
  cont++;
  digitalWrite(led,LOW);
}

if (millis()-time>=500){  // imprime o número de variações a cada 0,5 segundo
  time=millis();          //guarda o novo ponto de inicio para a proxima analise
    Serial.print("variações = ");
    Serial.print(cont);
    Serial.print("\n");
    cont = 0;
}
}

Hardware

Já nesse caso, vamos absorver a energia da oscilação, mas para isso você precisa entender um pouco mais sobre capacitores. Quando ligados diretamente com uma fonte, os capacitores são capazes de se polarizar ao armazenar cargas elétricas e depois liberar essa mesma carga ao circuito quando necessário.

Quando associamos um capacitor ao botão, ao pressionarmos o botão e as oscilações ocorrerem, o capacitor irá absorvê-las enquanto está sendo carregado. A parte boa é que depois de carregado o resultado aparente para o Arduino será o mesmo do botão pressionado durante muito tempo.

No fim das contas, com o capacitor estamos atrasando o sinal produzido pelo botão.

Logo abaixo temos um esquema de ligação do capacitor, assim como o próprio circuito que usaremos nesse caso.

Esquemático de ligação do capacitor para debouncing via hardware

Exemplo de debouncing via hardware

Conclusão

Agora você deve ser capaz de identificar problemas causados pelo efeito Bouncing. Note que é muito importante identificá-lo em projetos mais complexos, pois essa oscilação causada pelos botões ou chaves quando conectados a aparelhos extremamente sensíveis, pode causar danos a esses equipamentos ao longo do tempo, além de causar erros em suas leituras e dados.

Para finalizar, proponho um exercício: construa o primeiro circuito deste post e também um algoritmo de Debounce usando a função millis() e não a função delay().

Diferente da função delay(), a função millis() não interrompe o processamento de dados do Arduino, mas sim conta o tempo. Pense em como podemos usar essa função e comente a sua solução nos comentários.

Você pode complementar o seu aprendizado aprendendo mais sobre resistores Pull-Up e Pull-Down. Isso vai te ajudar a nunca mais ter problemas com leituras incorretas no Arduino!

Esperamos que esse post tenha contribuído para seu aprendizado e se ficou alguma dúvida, deixe nos comentários.

Um forte abraço e até a próxima.

Sobre o Autor

Guilherme Iani Pontes Sou estudante de ciência e tecnologia e também de engenharia biomédica pela Universidade Federal de São Paulo.