USB-buttonbox bouwen met Arduino
Veel programma’s bieden handige sneltoetsen maar de toetsencombinaties zijn vaak lastig te onthouden. Games en simulators gaan nog een stap verder, en bieden hele schermen met aanpasbare bedieningsopties. Met een usb-buttonbox, die je zelf eenvoudig kunt bouwen, breng je een deel van die functies over naar fysieke toetsen met een beschrijving. Dat ziet er ook nog eens leuk uit en is wellicht de start van een nieuwe hobby.
Veel programma’s kun je via sneltoetsen bedienen, maar het valt niet mee de toetsencombinaties te onthouden. En soms is het toetsenbord niet praktisch of simpelweg niet in de buurt. Voor hedendaagse games geldt dat nog meer. Simulators als Flight Simulator 2020 en DCS World zijn zo realistisch dat je vrijwel elke functie in de cockpit kunt bedienen. Je ontkomt dan bijna niet aan accessoires, zoals een gashendel en joystick voor het vliegen, of een stuurtje om te racen. Op de accessoires vind je veel extra knoppen die je kunt toewijzen aan de gewenste functies. Maar zelfs dan moet je keuzes maken, gezien de talloze bedieningsopties. Een leuke uitbreiding en misschien wel het begin voor een levensecht(e) dashboard of cockpit is een zogenoemde usb-buttonbox, die je vrij eenvoudig zelf kunt maken. Je kunt ze ook inzetten voor bijvoorbeeld een volumeregeling of het bedienen van muziek! Ze zijn ook nog eens betrekkelijk eenvoudig en voor weinig geld te bouwen.
01 Benodigdheden
Het project vraagt om te beginnen uiteraard om een behuizing voor bijvoorbeeld nabij de pc. Van welk materiaal deze is gemaakt, maakt niet uit. Plastic is voordelig en makkelijk om mee te werken, zolang je oppast bij het solderen. Maar bijvoorbeeld aluminium kan ook. Voor de besturing zou je een zogenaamde joystick-controllerbordje met usb kunnen inzetten, maar hier kiezen we voor de flexibiliteit van een goedkope microcontroller.
We gebruiken een kloon van de Arduino Pro Micro (vanaf ongeveer 4 euro). Deze bordjes kun je zien als de kleine versie van de Arduino Leonardo. De basis is ook hier een ATmega32U4 van 8 bit die zich onderscheidt door de volledige usb-functionaliteit.
Microcontrollers op basis van de ATmega328 hebben dat overigens niet en zijn daarom niet geschikt. Voor het programmeren van de microcontroller gebruiken we de bekende Arduino-software. Met deze software worden ook meteen de vereiste drivers geïnstalleerd. Verder heb je wat aansluitkabeltjes nodig, gereedschap en natuurlijk de nodige schakelaars.
©PXimport
02 Gereedschap
Wat gereedschap betreft heb je voor het maken van de verbindingen een soldeerbout met soldeertin nodig. Gebruik je schakelaars met een ronde doorvoer, wat zeker de voorkeur heeft, dan hoef je alleen een gat in de juiste maat te boren. Gebruik een schuifmaat om de vereiste diameter gemakkelijk te bepalen. Verder heb je een boormachine en een voor het materiaal geschikte boor nodig. Een voordelige en praktische optie zijn de zogenoemde stappenboren met meerdere diameters, vooral als je door niet te dik materiaal moet. Je kunt alles met dezelfde boor afhandelen. Daarmee kun je, door deze voorzichtig iets verder te duwen, ook meteen de scherpe randjes er af slijpen. Bovendien kun je grotere diameters boren dan er mogelijk in je boor passen. Zo past een 12mm-boor lang niet altijd in de boorkop, terwijl die diameter voor sommige grotere schakelaars nodig is.
©PXimport
03 Schakelaars en regelaars
We beginnen het project met zes eenvoudige drukknoppen die je aan functies in software toe kunt kennen. Ze worden ook wel momentary pushbutton genoemd. Een kenmerk is dat ze terugveren nadat je ze hebt ingedrukt, als een toets op je toetsenbord. Afhankelijk van je project zijn er allerlei varianten. Zo heb je wipschakelaars die je twee kanten op kunt duwen en dus twee functies bedienen. Ook leuk zijn de bekende grote roodgekleurde paniekbuttons of de knoppen zoals je die op arcadekasten ziet.
Verder kun je allerlei andere soorten schakelaars en regelaars gebruiken. Een contactschakelaar met sleutel bijvoorbeeld, voor het aan- of uitzetten van de motor, of een druk- of wipschakelaar die ook de standen ‘aan’ of ‘uit’ heeft. Ook een leuke toevoeging is een draaiknop die linksom of rechtsom kan draaien, ook wel rotary encoder genoemd. Die is bijvoorbeeld inzetbaar voor een volumeregeling, zoals we verderop in dit artikel laten zien.
04 Aansluiten en configureren
We gaan in deze stap de microcontroller aansluiten op de pc, het bord configureren in Arduino en een klein demoprogramma laten draaien. Hiervoor hoef je nog niets aan te sluiten op de microcontroller. Sluit deze om te beginnen via usb aan op de pc. Als het goed is, gaat direct de rode led aan. Ga je in Windows naar Apparaatbeheer, dan zie je bij Poorten de aangesloten microcontroller, die in ons geval als Arduino Leonardo bootloader is geïdentificeerd, met daarbij de gebruikte com-poort (hier com3). Start nu Arduino. We gaan eerst een extra adres toevoegen voor borden. Ga daarvoor naar Bestand / Voorkeuren en vul achter Meer Board Managers URL’s de volgende url in:
https://raw.githubusercontent.com/sparkfun/Arduino_Boards/master/IDE_Board_Manager/package_sparkfun_index.json
Klik dan op OK. Ga naar Hulmiddelen / Board en kies Board Beheer. Je kunt nu SparkFun AVR Boards opzoeken in de lijst. Selecteer deze en kies Installeer. Hierna selecteer je de vrij universele SparkFun Pro Micro onder Hulpmiddelen / Board / SparkFun AVR Boards. Zorg daarna dat je onder Hulpmiddelen / Processor de juiste uitvoering van je bordje (meestal 5V/16 MHz) hebt gekozen!
©PXimport
05 Probeer je microcontroller
De Pro Micro heeft twee ingebouwde leds die het verzenden (TX) en ontvangen (RX) van data laten zien. Je kunt deze meestal niet gebruiken in je programma, maar bij dit bordje kan dat wél. Je programmeert deze zoals iedere digitale in- of uitgang. Voor de RX-led kan dat via pin 17. Voer het onderstaande programma in. Het programma zet de RX-led met vaste tussenpozen (0,5 seconde) aan en uit. Als je het hebt ingevoerd, kies je Schets / Upload (Ctrl+U) en de led zal beginnen te knipperen. Wil je de TX-led gebruiken? Deze bestuur je via een zogeheten macro, met de opdracht TXLED1 om deze aan te zetten en TXLED0 om de led uit te zetten. Programma’s in Arduino volgen steeds deze opzet: in het begin je definities voor bijvoorbeeld pinnummers, een functie setup() voor initialisatie en een lus loop() waarin herhaaldelijk opdrachten worden uitgevoerd.
int RXLED = 17; // Standaard pin voor RX LED
void setup()
{
pinMode(RXLED, OUTPUT); // RX LED als output gebruiken
}
void loop()
{
digitalWrite(RXLED, LOW); // RX LED aan
delay(500); // Wachten...
digitalWrite(RXLED, HIGH); // RX LED uit
delay(500); // Wachten...
}
©PXimport
Aansluitingen op de microcontroller
De Arduino Pro Micro en varianten bieden 18 I/O-pinnen die je allemaal als digitale ingang of uitgang kunt gebruiken, bijvoorbeeld voor het aanzetten van een led of lezen van een drukschakelaar. Deze zijn op de afbeelding lichtblauw gemarkeerd. Van die pinnen kun je er 9 als analoog naar digitaal converter (ADC) inzetten, voor bijvoorbeeld het uitlezen van een potentiometer. Deze zijn op de afbeelding groen gemarkeerd. Er zijn 5 pinnen die voor pulse width modulation (PWM) gebruikt kunnen worden (rood gemarkeerd), zodat je bijvoorbeeld via een pulse-trein de helderheid van een led in je programma kunt regelen. Er zijn meer uitvoermogelijkheden, bijvoorbeeld voor het aansluiten van lcd’s, maar hier beperken we ons tot de genoemde ingangen. De microcontroller krijgt zijn voeding gewoon via de usb-verbinding. Gebruik je de microcontroller voor andere toepassingen dan kun je een voeding op de VCC-pin aansluiten als de spanning precies 3,3 of 5 volt is (afhankelijk van de uitvoering van je bordje!). De RAW-pin biedt spanningsregulatie en is geschikt voor zo’n 6 tot 12 volt.
©PXimport
06 Schakelaar aansluiten
De Pro Micro kan zich dankzij de volledige usb-functionaliteit als muis of toetsenbord gedragen. We beginnen met een eenvoudig voorbeeld waarin via een drukschakelaar een toetsaanslag wordt verstuurd. Hiervoor gebruiken we de standaard Keyboard-bibliotheek van Arduino. Van de drukschakelaar gaat één aansluiting naar ground (GND) en de andere naar een digitale ingang, hier pin 4. Als je het onderstaande programma start, zul je zien dat na het indrukken van de schakelaar de a-toets wordt ontvangen in bijvoorbeeld de teksteditor die je gebruikt. We voegen eerst de bibliotheek toe en definiëren de pin:
#include <Keyboard.h>
int buttonPin = 4; // Button op pin 4
Binnen setup() stellen we daarna de button in als ingang (waar twee methodes voor zijn) en initialiseren de keyboard-emulatie:
void setup()
{
pinMode(buttonPin, INPUT); // Button als ingang instellen
digitalWrite(buttonPin, HIGH); // Zet de button op hoog
// pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP); // Alternatief voor bovenstaande twee regels
Keyboard.begin(); // Init keyboard-emulatie
}
In de lus reageren we op het indrukken van de button. We versturen het karakter a en bouwen een korte vertraging van 200 ms in om te voorkomen dat je scherm vol staat met deze letter.
void loop()
{
if (digitalRead(buttonPin) == 0) // Als button naar laag gaat (ground)...
{
Keyboard.write('a'); // Stuur toets a via toetsenbord
delay(200); // Korte vertraging
}
}
Je kunt het programma op vergelijkbare wijze uitbreiden met de andere drukschakelaars die je op dezelfde manier aansluit: de ene pin naar ground en de andere pin naar een eigen digitale ingang.
©PXimport
07 Speciale toetsencombinaties
Sneltoetsen vereisen in veel programma’s een combinatie met Ctrl of Shift. Ook zulke toetsen kun je programmeren. In plaats van Keyboard.write() gebruik je Keyboard.press(), dat ervoor zorgt dat een bepaalde toets wordt ingedrukt maar pas wordt losgelaten als je een ‘loslaat’-opdracht geeft. Als voorbeeld programmeren we Ctrl+B, dat bijvoorbeeld in het programma Word de optie vetgedrukt aan- of uitzet. Voor de Ctrl-toets kunnen we KEY_LEFT_CTRL invullen. Andere voorbeelden zijn KEY_LEFT_ALT, KEY_ESC, KEY_F1, KEY_TAB en KEY_RETURN. Een volledige lijst met speciale toetsen vind je via www.tiny.cc/keymod. Het programma blijft voor het merendeel gelijk als in stap 6. Je hoeft alleen beide regels in het blok if te vervangen door:
Keyboard.press(KEY_LEFT_CTRL); // Houd Crtl ingedrukt
Keyboard.press('b'); // Houd 'b' ingedrukt
delay(200); // Korte vertraging
Keyboard.releaseAll(); // Laat alle toetsen los
Hier wordt eerst de linker-Ctrl ingedrukt, daarna de toets b en na een korte vertraging worden beide toetsen losgelaten met de opdracht Keyboard.releaseAll().Als je het aangepaste programma gebruikt in Word, zie je dat met de toets de optie vetgedrukt wordt aan- en uitgezet.
©PXimport
08 Bibliotheek toevoegen
De Keyboard-bibliotheek voor Arduino ondersteunt niet alle toetsen. Hierdoor kun je bijvoorbeeld niet de standaard multimediatoetsen programmeren die veel toetsenborden hebben voor het pauzeren van nummers of regelen van het volume, of systeemtoetsen voor het starten van een programma als je browser of e-mailprogramma. In zulke situaties kun je de uitgebreidere HID-Project-bibliotheek gebruiken. Als voorbeeld gebruiken we deze bibliotheek in combinatie met een draaiknop (ofwel rotary encoder). Ze worden onder meer gebruikt om de rotatiesnelheid vast te leggen. Je kunt ze ook prima voor een volumeregeling gebruiken, wat we hier gaan doen.
De draaiknop kun je oneindig in beide richtingen draaien, waarbij linksom en rechtsom in feite aparte toetsaanslagen zijn. Je kunt de rotary encoder bovendien indrukken zoals een druktoets, wat we hier gebruiken om het volume op stil te zetten. Om de bibliotheek toe te voegen ga je in Arduino naar Schets / Bibliotheek gebruiken / Bibliotheken Beheren. Zoek de bibliotheek HID-Project op en kies Installeren.
©PXimport
09 Volumeregelaar toevoegen
We gaan pinnen 5, 6 en 7 op de microcontroller gebruiken. De draaiknop heeft aan één kant drie pinnen. De middelste sluit je aan op ground. De andere twee pinnen zijn voor de draaiactie, respectievelijk linksom en rechtsom. Die sluit je aan op pin 5 en 6. Aan de andere kant zie je twee pinnen voor de drukactie. Hiervan sluit je er weer één aan op ground en de andere op pin 7. Maak een nieuw bestand in Arduino met Bestand / Nieuw. In het programma voegen we eerst de bibliotheek toe en definiëren we de pinnen met de buttons:
#include "HID-Project.h"
#define VOLBUT_UP 6
#define VOLBUT_DOWN 5
#define VOLBUT_PUSH 7
In setup() stellen we de pinnen in als input en maken ze hoog met één commando. Daarna starten we de Consumer-API met Consumer.begin(). Deze API zorgt dat je bijvoorbeeld een mediaspeler kunt bedienen of de browser en andere speciale programma’s kunt openen.
void setup() {
pinMode(VOLBUT_UP, INPUT_PULLUP);
pinMode(VOLBUT_DOWN, INPUT_PULLUP);
pinMode(VOLBUT_PUSH, INPUT_PULLUP);
Consumer.begin();
}
In de lus reageren we op het laag zijn van een input, waarbij we afhankelijk van de button het volume verhogen, verlagen of op stil zetten. Met de vertraging (delay) zul je wat moeten experimenteren.
void loop() {
if (!digitalRead(VOLBUT_UP)) {
Consumer.write(MEDIA_VOL_UP);
delay(120);
}
if (!digitalRead(VOLBUT_DOWN)) {
Consumer.write(MEDIA_VOL_DOWN);
delay(120);
}
if (!digitalRead(VOLBUT_PUSH)) {
Consumer.write(MEDIA_VOL_MUTE);
delay(250);
}
}
©PXimport
10 Andere functies
In het voorbeeld gebruiken we de Consumer-API die we aanroepen met Consumer.begin(). Maar de bibliotheek biedt ook andere opties. Zo kun je op vergelijkbare wijze de zogeheten System-API gebruiken voor systeemfuncties als het afsluiten of laten slapen of ontwaken van je systeem. Verder heb je de Gamepad-API voor het emuleren van een spelcontroller. Ook kun je de Keyboard-API gebruiken, dat eigenlijk een verbeterde versie is van de Keyboard-bibliotheek van Arduino, die ook ongeveer hetzelfde werkt.
In Arduino kun je diverse voorbeelden ophalen via Bestand / Voorbeelden / HID-Project. Wil je een uitgebreidere gamecontroller bouwen, dan is de Arduino Joystick-bibliotheek een aanrader, deze vind je hier. Na het downloaden van het zip-bestand kun je deze aan Arduino toevoegen via Schets / Bibliotheek gebruiken / Voeg .ZIP bibliotheek toe. Open dan bijvoorbeeld Bestand / Voorbeelden / Joystick / GamepadExample of een van de andere voorbeelden. Je zult zien dat er veel overeenkomsten zijn met de in dit artikel gebruikte bibliotheken.
©PXimport
Te veel knoppen … te weinig ingangen?
Wil je een groot aantal knoppen aansluiten, dan kom je al snel ingangen te kort. Gelukkig kun je via een zogenaamde matrix veel meer toetsen aansluiten. Hierbij maak je rijen en kolommen, bijvoorbeeld 4×4 of 5×5. Heb je toch te weinig ingangen? Met een IO-expander kun je uitbreiden. Zo’n module werkt via de IC2-bus die je ook op deze microcontroller vindt. Een voorbeeld is de SX1509. Met slechts twee draden (voor de IC2-bus) krijg je er 16 digitale ingangen bij en daarmee kun je tot 64 buttons in een 8×8-matrix toevoegen!
