基于单片机的红外远程遥控器.doc

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1、基于单片机的红外远程遥控器学 院:专 业:姓 名:指导老师:信息学院信息工程熊远志学 号:职 称:160103104853程加斌 教授中国珠海二二年四月诚信承诺书本人郑重承诺:本人承诺呈交的毕业设计基于单片机的红外远程遥控器是在指导教师的指导下,独立开展研究取得的成果,文中引用他人的观点和材料,均在文后按顺序列出其参考文献,设计使用的数据真实可靠。本人签名: 熊远志 日期: 2020 年 4 月 12 日中文题目摘 要无线电动遥控器就是一种远程遥控使用无线设备控制电动机器的一种遥控装置,在1898年最早的无线遥控器由一个美国人尼古拉特斯拉开发设计了并且生产出来的。在现在的市场上常见的无线遥控器

2、模式有2种,一种是红外无线灯光遥控设备模式(irremotecontrol),常使用在家电,而另一种遥控模式就是专门用于遥控防盗门及报警无线遥控移动设备、门窗远光灯无线遥控、汽车车窗远光灯无线遥控等等常用的红外线及无线电光灯遥控设备模式(rfremotecontrol)。本产品的设计中主要是采用的红外遥控学习模式,红外遥控的主要特点有两大方面,一是不直接干扰其它家用电器设备,二是不直接影响电器周边环境。由于红外线波长的原因无法直接穿透房间墙壁,所以不同类型的家用电器可同时使用,红外遥控器不会对其他遥控器产生干扰,调试红外遥控电路也很简单,只要根据给定的电路的要求校正,一般情况下,IR编解码器也

3、比较容易,遥控器可以在同一时间复用。出于这个原因,在遥控器的近红外遥控技术室内遥控和家电已被广泛使用。关键词:无线遥控器,红外遥控模式,近红外线,家用电器英文题目AbstractThe wireless remote control is a device for remote control of machines.First developed by Nicholas Tesla of the United States in 1898.There are two common modes on the market, one is the infrared remote control

4、mode commonly used in household appliances. The other is the common radio remote control mode (RF remote control), such as anti-theft alarm equipment, door and window remote control, car remote control, etc. In this design, the infrared remote control mode is adopted. The infrared remote control is

5、a remote control device which uses the near infrared ray with the wavelength of 0.76-1.5 m to transmit the control signal. The characteristics of infrared remote control are not to affect the surrounding environment and other electrical equipment. Because it can not penetrate the wall, the household

6、 appliances in different rooms can use the universal remote control without mutual interference; the circuit debugging is simple, as long as the connection is correct according to the given circuit, generally no debugging is required to put into operation; the coding and decoding is easy, and multi-

7、channel remote control can be carried out. Therefore, infrared remote control has been widely used in household appliances, indoor short distance (less than 10 meters) remote control.Keywords: Wireless remote control, Infrared remote control mode,Near infrared ray,Household Electric Appliances.目录第1章

8、 前言51.1 选题的目的与意义51.2 红外学习研究现状51.3 毕业设计的要求以及目的6第2章 设计方案论述72.1设计原理72.2红外发射接收原理72.2.1红外发射原理102.2.3 ESP8266红外发射与接收102.3 学习模式原理11第3 章 红外遥控器硬件设计113.1硬件的选择113.1红外接收装置123.2红外发射装置123.3单片机的选择133.4 WiFi模块173.4.1 ESP8266173.4.2 AMS1117213.4.3 CH34022第4 章 红外遥控器程序设计234.1 WiFi模块程序设计234.2 手机APP设计25结束语3参考文献4致谢4附录6第1

9、章 前言1.1 选题的目的与意义红外遥控器很早就出现在历史上,早在上个世纪的八十年代初期的时候,率先广泛使用了红外发射遥控控制技术的国家是日本,他们将其主要使用在了智能电视机等电子产品上,红外发射遥控控制技术的原理是通过使用集成红外发射控制芯片来实现控制红外遥控码的自动发射,比如日本东芝philips-tc9012,飞利浦philips-saa3010等等,它们的主要技术特点是:在它们的红外遥控器内部有预置固定信号编码,当时使用红外遥控器的家用电器并不是那么普及,所以设计成一个红外遥控器只能用来控制一种家用电器。但随着现代科技的不断发展,家用电器越来越多的普及,所以现在人们开始希望尽可能只需要

10、使用一只智能遥控器就可来轻松遥控所有家用电器,于是多用途的遥控器形式产生了。它的主要功能特点也就是:每个遥控器内部还可以同时预置多套视频编码,来源可供不同用户自由选择。1.2 红外学习研究的现状在我们的家中,红外遥控器实在是随处可见,电视遥控器,空调遥控器,等等一大堆,如果家里电器很多的话,那更是如此。因此有一种情况大家一定都有遇到过,那就是找不到遥控器了。而相对各式各样的遥控器而言,随手不离的手机如果可以成为遥控器的话,那一定方便太多了,因此很多精通硬件方面的人就想通过这个理念,只用手机来达到红外遥控器的效果,通过一个手机app来对家里的各种电器进行状态监测以及状态切换。红外线的编码器和配对

11、器的问题也是非常需要值得重视的的。在红外遥控编码电器配对功能的方面,一些科技巨头公司已经开始采取行动,比如说去年三星在galaxys4中加入了红外遥控器配对功能,支持自家的部分家用电器。从其中我们可以明显看出,不管我们是一些大数据公司团队还是一些硬件产品创业者的团队,都有意识地向往那两个方面靠拢。不过这些科技巨头更多的目标是为了想快速形成自家电器公司的技术壁垒,而他们兼容众多家用电器的主要使命则是变相地直接落在了软硬件上的创业者和团队身上。1.3毕业设计的要求以及目的本次设计的要求是基于单片机的远程遥控器设计 ,最终完成效果是通过单片机和WiFi模块来达成红外发射接收以及连接手机的功能,接着通

12、过手机APP来完成对空调开关以及状态控制的功能。此次设计的目的是通过对单片机红外遥控器的设计,掌握单片机应用系统的设计方法,提高单片机综合应用设计能力。第2章 设计方案论述1.1 设计原理红外遥控系统是由很多个部分组成,其分布如下红外遥控系统载波振荡器红外信号编码器(单片机或编码芯片)红外信号解码器(单片机或解码芯片)红外信号接收器其他外围电路红外遥控器功能实现流程如下第一步红外信号编码器会产生编码脉冲,经载波振荡器震荡后产生调制信号第二步由红外发射驱动电路将调制信号给发射出去第三步红外信号接收器将接收到的红外信号经过限幅、增益、滤波处理后解调出编码脉冲,该编码脉冲为红外信号解码器的输入第四步

13、解码芯片或单片机会根据编码脉冲的收到的具体内容来执行不同的命令 WiFi通信部分使用ESP8266Wi-Fi芯片完成,通过ESP8266中的AP兼Station工作模式来完成手机与遥控器之间的通信。APP使用点灯brinker esp8266wifi接入模块自定义页面和WiFi接入功能来完成。原理图如下:2.2红外发射接收原理通过波长为0.76um1.5um的近红外光来进行数据传输,从而控制电器或者设备,这种控制方式,我们称之为红外遥控。红外光的波长一般为0.8um0.94um,红外遥控器就是通过发射近红外光来进行传输数据的,其传输数据的效率很高,电路设计方面十分简单明了,对外界环境的抗干扰能

14、力很强,成本低,因此被广泛使用在家用电器上。红外遥控一般由接收和发射两个部分组成,接收我们一般采用一体化的红外接收头,在这里我使用了NB0038一体化红外接收头,发射元件为红外发射管。原理图如下:2.2.1红外发射原理发射系统可以达成红外发射功能的芯片可以在市面上找到非常多种,所以我们只需要根据我们的红外编码的要求来选择购买相应的芯片。红外发射的原理主要是通过红外发光二极管(红外发射管)来完成,红外发光二极管与我们熟知的LED的构造其实并没有太大的区别,只是在构造的材料与LED不同而已,当在红外发射管和发光二极管两端同时施加一定电压时,他们的区别在于LED发出的是可见光,红外发射管则是红外线。

15、红外发射管使用电池来为发射系统供电,因此发射管的芯片功耗不能太高了,不然耗电量太大,使得使用周期太短,所以把设计者为了延长芯片的使用周期,就把芯片都设计成平时处于休眠状态,只有当按键按下时才开始工作,但是要想达成这种效果,芯片内所采用的晶振不能和普通的一样使用一般的石英晶体,必须有足够的耐物理撞击的能力,所以选用的是陶瓷共鸣器,但是陶瓷共鸣器的准确度与石英晶体相比并不是那么的准确,但通常情况下一点误差可以忽略不计2.2.2 红外接收原理 在本设计中红外接收电路就是一个一体化的红外接收头。红外一体化接收头内部电路放大器:放大信号红外监测二极管:监测到红外信号,然后把信号发送到限幅器和放大器带通滤

16、波器:带通滤波器就可以通过60khz到30khz的负载波,通过积分电路和解调电路进入比较器限幅器:把脉冲的幅度控制在一定的水平内,使得接收器和发射器不会因为距离过远而影响使用比较器:输出低高电平,还原出发射端的信号波形积分电路2.2.3 ESP8266红外发射与接收ESP8266定义了1个IR红外遥控接口,IR红外遥控接口由软件实现,接口定义如下:管脚名称管脚编号IO功能名称MTMS9IO14IR TxGPIO524IO5IR RxESP8266红外发射与接收原理发送接收由GPIO中的sigma-delta功能在任意GPIO口产生载波。其中sigma-delta产生的载波占空比约为20%,使用

17、MTMS管脚(GPIO14),可产生准确的38KHz且占空比为50%的标准方波。红外接收功能通过GPIO的边沿中断实现,读取系统时间,将2次时间相减可以得到波形持续时间,然后通过软件逻辑实现红外协议处理。第三章 红外遥控器硬件设计3.1 硬件的选择 在本设计中的主要模块有,红外发射接收模块,学习模块,WiFi模块,其中所需要的装置就有,红外发射接收装置,WiFi连接装置,单片机等等。3.2 红外接收装置NB0038本设计是需要将把接收到的红外信号,将其解码为单片机可以识别的信号模式,在我通过对红外接收头的了解以及研究后,以及对信号影响,成本的方面的考虑后,最后决定使用NB0038一体化红外接收

18、头。NB0038一体化红外接收头特点封装优点集成接收接收机的遥控信号,检测,放大,整流集于一身,38.0kHZ的中心独立PIN二极管与集成在同一封装中的前置放大器。外包装环氧树脂可以防止自然光的功能干扰。,NB已在抗自然光强大的性能,可避免不必要的脉冲输出,可以减少自然光的反射干涉。3.3 红外发射装置本设计的红外发射部分比较简单,所以对红外发射装置的要求也就没有接收装置那么高,所以本设计使用的是红外发射二极管。 下面简单的介绍一下红外发射二极管的原理 。二极管类型发光波长半导体材料封装红外二极管0.76um1.5um的近红外光砷化镓(GaAs)、砷铝化镓(GaAlAs)等材料全透明或浅蓝色、

19、黑色的树脂封装发光二极管可见光镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物透明封装红外发射二级管内有PN结,外加正向偏压向PN结内注入电流激发红外光。其最大的优点是可以完全无红暴或仅有微弱红暴和寿命长。3.4 单片机单片机是一种集合了总多功能的集成电路芯片,拥有数据处理能力、随机存储、只读存储的功能,并且单片机上有多种I/O口,通过 这些I/O口与其他设备连接。基于本次设计是设计一个家用的万能遥控器。本设计使用stm8系列的单片机来完成远程遥控器的设计。STM8系列是意法半导体公司生产的8位的单片机,STM8S系列单片机的基本结构如图所示,Stm8数据存储器内存控制器调试接口SWIMS

20、TM8内核1个32位数据存储器的接口和3段流水线的构架,在24mhz的频率下,最高的处理和中断效能高达20mipsRAM外设指令存储器ITC用于进行终端中断控制的核心模块DMA模块a、b、c、d、e这5个端口的i/o引脚都必须具有外部控制中断的能力,每个中断端口都必须具有独立的中断向量以及独立的中断标志,多达4个端口的软件具有可编程的嵌套接口等级。管脚设置lVCC电源电压lGND接地lI01键值1红外发射lIO2键值2红外发射lIO3键值3红外发射lIO4键值4红外发射lIO5键值5红外发射lIO6键值6红外发射lIO7学习lIO8回退lRXD串口收lTXD串口发3.4 WiFi模块3.4.1

21、 ESP8266特点ESP-12E WiFi 模块Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU16 位精简模式支持 RTOS主频支持 80 MHz 和 160 MHz集成 Wi-Fi MAC/ BB/RF/PA/LNA板载天线支持标准的 IEEE802.11 b/g/n 协议完整的 TCP/IP 协议栈。接口定义 ESP-12E 共接出 18 个接口,表 2 是接口定义。 序号Pin 脚名称功能说明1RST复位模组2ADCA/D转换结果。输入电压范围01V,取值范围:010243EN芯片使能端,高电平有效4 IO16GPIO16; 接到 RST 管脚时可做 deep sleep

22、 的唤醒。5 IO14GPIO14; HSPI_CLK6 IO12GPIO12; HSPI_MISO7 IO13GPIO13; HSPI_MOSI; UART0_CTS8 VCC3.3V 供电9CS0片选10 MISO从机输出主机输入11 IO9GPIO912 IO10GBIO1013MOSI主机输出从机输入14 SCLK时钟15 GNDGND16 IO15GPIO15; MTDO; HSPICS; UART0_RTS17 IO2GPIO2; UART1_TXD18 IO0GPIO019IO4GPIO420IO5GPIO521RXDUART0_RXD; GPIO322TXDUART0_TXD;

23、 GPIO1原理图如下:3.4.2 AMS1117通常在电路之中,电路经常会因为接收到大量脉冲,而导致电器元件和电路的损坏,所以大部分的电路中都需要保证电压电流的稳定,这就需要稳压芯片,而在本设计中我选择了AMS1117稳压芯片。AMS1117是一个低漏失电压调整器,它有一个由一个NPN管组成由PNP驱动的稳压调整管。它有两个版本可用,当处于固定漏失电压的版本时,可能需要采用更小的漏失电容,具体可以根据实际的应用情况来确定。当处于可调漏失电压的版本时,输出调整器还需要在片内连接一个至少22f的钽电容确保AMS1117的稳定性。其中,为了防止环境温度造成过高的高温导致器件损坏,芯片内含有片内过热

24、切断电路提供了过载保护和过热保护。通常,线性调整器的输出稳定性随着输出漏失电流的增加而有所降低。漏失电压定义为: VDROP = VBE+ VSAT。AMS1117有管脚号管脚名称I/O功能1GND/ADJ-/IO地/ADJ2VoutO输出电压3VinI 输入工作电压 AMS1117内部框图3.4.3 ch340CH340是一个可以实现USB转串口的转接芯片,使得ESP8266的串口可以通过CH340转接芯片来连接主机。在红外方式下,CH340外加红外收发器即可构成USB红外线适配器,实现SIR红外线通讯。CH340特点全速USB设备接口,兼容USBV2.0,外围元器件只需要晶体和电容仿真标准

25、串口,用于升级原串口外围设备,或者通过USB增加额外串口计算机端Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容,无需修改硬件全双工串口,内置收发缓冲区,支持通讯波特率50bps2Mbps支持常用的MODEM联络信号RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS通过外加电平转换器件,提供RS232、RS485、RS422等接口支持IrDA规范SIR红外线通讯,支持波特率2400bps到115200bps软件兼容CH341,可以直接使用CH341的驱动程序支持5V电源电压和3.3V电源电压提供SSOP-20无铅封装,兼容RoHS第4章 红外遥控器程序设计4.1 WiFi模块程序设计在本设计中,使用的

26、是ESP8266 WiFi模块来完成WiFi连接。在设计过程中需要用AT指令来进行命令下达以及通过TTL信号通信来完成信息传输。我需要使用ESP8266三种工作模式中的STA模式来完成设计,首先介绍一下ESP8266的三种工作模式。ESP8266三种工作模式AP模式(Wireless Access Point)STA模式(Station)STA+AP模式无线接入点的简称。工作在AP模式下的8266就像是一个热点一样,手机、电脑等都可以连接到此“热点”,从而实现了手机、电脑等设备可以和8266进行局域网的无线通信。此模式下的8266是一个无线网络的创建者,可以理解为此时8266是被别人连接,即此

27、时的8266是一个服务器端,为被他人连接的模式。工作在STA模式下的8266就像是一个接收机一样,它可以接收来自无线路由器发出的信号,实现了8266通过接收路由器的信号而能够连接互联网,如果把8266安装在硬件设备上,就可以实现硬件设备的远程控制。可以理解为此时8266是主动去连接别人,即此时的8266是一个客户端,为主动去连接他人的模式。两种模式共存,既可以通过路由器连接到互联网,也可以作为WiFi热点,使其他设备连接到这个模块,实现广域网与局域网的无缝切换。使用ESP8266连接WiFi步骤如下:1、添加相关头文件,从SDK中复制ip_addr.h、queue.h、spi_flash.h到

28、新工程的根目录下的include文件夹中。 2、读取当前的工作模式,并修改wifi_get_opmode();/读取当前的工作模式wifi_set_opmode(0x01); /设置当前的工作模式,并保存到flashwifi_set_opmode_current(0x01);/设置当前的工作模式,不保存到flash3、扫描当前环境下的wifi信息,并打印出来wifi_station_scan(NULL,scan_done);os_memcpy(&stationConf.ssid, xyzWiFi, 32); os_memcpy(&stationConf.password, 123456, 64

29、);其中xyzWiFi为WiFi名称,123456为WiFi密码 4、连接wifi先定义一个结构体,用来存储家里的wifi信息 struct station_config stationConf; os_memcpy(&stationConf.ssid, xyzWiFi, 32);os_memcpy(&stationConf.password, 123456, 64);设置wifi信息,并连接wifi_station_set_config_current(&stationConf);wifi_station_connect(); 5、查看wifi是否已经连接 wifi_station_get_

30、connect_status();若返回值为“STATION_GOT_IP”,说明WiFi连接成功。4.2 手机APP设计本设计中的APP通过brinker中的ESP8266WiFi接入模块以及自定义页面来完成,操作步骤如下:首先在brinker提供的ESP8266WiFi接入模块模块程序中找到如下变量,填入连接的WiFi热点名(ssid)、密码(pswd)char ssid = xyzWiFi; /你的WiFi热点名称char pswd = 123456; /你的WiFi密码接着定义四个函数来完成遥控器按键摁下后来触发学习功能例:void button0_callback(const Str

31、ing & state) BLINKER_LOG(get button state: , state); if (state=tap) digitalWrite(xx,LOW); Blinker.delay(500); digitalWrite(xx,HIGH);编译并上传程序到esp8266开发板,打开串口调试器当看到提示“MQTT Connected!”,说明设备已经成功连接到MQTT服务器接着自定义app页面这个就是自定义页面,我们可以通过这个页面来自定义我们所需要达成的功能的按钮页面,我设计了一个学习按钮和四个存储后的红外发射按钮,当按下学习按钮时,遥控器就会开始识别学习其他遥控器发射

32、的红外编码,并将其储存起来,然后我们就可以通过第一个按钮来发射刚才学习到的红外编码,以此达成控制电器的效果,之后再次点击学习按钮,遥控器就会把学习到的红外编码储存,并且可以通过下一个按钮来调用。最终完成页面效果如下结束语现在已经是2020年了,在科技如此发达的社会,无论谁的家中都有着大量的家用电器,而大量的电器有对应着许许多多的遥控器,平添了不少麻烦。然而,由于不同的红外遥控编码格式,以使各种产品不是所有遥控器兼容。本设计的ESP8266学习型遥控器,通过编码和解码红外线存储完整的红外遥控编码的芯的设计时,产生直接使用微控制器定时器38KH载波信号。遥控器可以成功记忆,学习和使用的红外遥控编码

33、,具有体积小,功能强大、微功耗、保密性好、线路简单、成本低等优点,并且对所有家用电器都通用,非常方便。致谢 在完成本次毕业设计的过程中,并没有一开始自己想象的那样一帆风顺。从最早的开题报告到现在的完成设计这段过程中,经历了数不清的困难以及疑惑,但是这一座一座山峰,都被自己一步一步的跨越了过去。尽管完成了最终的任务,但是这一路的艰辛我却难以忘怀。在完成毕业设计的时候,我深刻的感受到了自己能力的限制,在本次设计的WiFi模块以及APP的制作时,陷入了难关,起始我十分不知所措,不知道如何把这四年所掌握的知识运用在其上,也许真的是还没真正掌握那些知识,我该学的还有很多,解决问题的经验还不够多。所以这次

34、设计对我十分的有意义,它将是我未来工作道路上的一个里程碑。至此,我还要感谢我的导师以及同学们,若不是他们在我迷茫的时候给予我帮助,这次设计根本不可能完成,谢谢导师百忙之中的细心指导,给了我跨越无数难关的动力。【参考文献】1马忠梅,籍顺心,张 凯,马 岩. 单片机的C 语言应用程序设计. 修订版M.北京:北京航空航天大学出版社,1999.2何立民. 单片机运用技术选篇. 北京:北航出版社. 3 胡汉才. 单片机原理及其接口. 北京:清华大学出版社. 4 田辉.微机原理与接口技术J.电子工程师,2013,12(8):52-64. 5 杨西明 , 朱骐 . 单片机编程与应用入门 M. 北京 : 机械

35、工业出版社 ,2004. 6 苏平 . 单片机原理与接口技术 M. 北京 : 电子工业出版社 ,2003.7 方宏 . 自学习红外遥控器的设计与实现 J. 电子工程师 ,2003(4):22-23.8 曹琳琳,曹巧媛,单片机原理及接口技术M 北京 国防科技大学出版社,2000.9 胡汉才.单片机原理及接口技术M ,清华大学出版社,1997-3,3541.10 康华光.电子技术基础M,高等教育出版社,1998-2.11 李光飞,李良儿,楼然苗.单片机C程序设计实例指导 北京:北航出版社 2005-9.12 李光飞,楼然苗,单片机课程设计实例指导 北京:北航出版社 2004-913 胡汉才.单片机

36、原理计系统设计,北京:清华大学出版社,2002附录#define BLINKER_WIFI#include #define xx 4 /D2#define fs_1 14 /D5#define fs_2 12 /D6#define fs_3 13 /D7#define fs_4 15 /D8char auth = a7fc17eaded9;char ssid = xyzWiFi;char pswd = 123456;/ 新建组件对象BlinkerButton Button0(btn-xy);BlinkerButton Button1(btn-fs1);BlinkerButton Button2

37、(btn-fs2);BlinkerButton Button3(btn-fs3);BlinkerButton Button4(btn-fs4);int counter = 0;/ 按下按键即会执行该函数void button0_callback(const String & state) BLINKER_LOG(get button state: , state); if (state=tap) digitalWrite(xx,LOW); Blinker.delay(500); digitalWrite(xx,HIGH); void button1_callback(const String

38、& state) BLINKER_LOG(get button state: , state); if (state=tap) digitalWrite(fs_1,LOW); Blinker.delay(500); digitalWrite(fs_1,HIGH); void button2_callback(const String & state) BLINKER_LOG(get button state: , state); if (state=tap) digitalWrite(fs_2,LOW); Blinker.delay(500); digitalWrite(fs_2,HIGH);

39、 void button3_callback(const String & state) BLINKER_LOG(get button state: , state); if (state=tap) digitalWrite(fs_3,LOW); Blinker.delay(500); digitalWrite(fs_3,HIGH); void button4_callback(const String & state) BLINKER_LOG(get button state: , state); if (state=tap) digitalWrite(fs_4,LOW); Blinker.

40、delay(500); digitalWrite(fs_4,HIGH); void setup() / 初始化串口 Serial.begin(115200); BLINKER_DEBUG.stream(Serial); / 初始化有LED的IO pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); / 初始化blinker Blinker.begin(auth, ssid, pswd); pinMode(xx,OUTPUT); pinMode(fs_1,OUTPUT); pinMode(fs_2,OUTPUT); pinM

41、ode(fs_3,OUTPUT); pinMode(fs_4,OUTPUT); digitalWrite(xx, HIGH); digitalWrite(fs_1, HIGH); digitalWrite(fs_2, HIGH); digitalWrite(fs_3, HIGH); digitalWrite(fs_4, HIGH); Button0.attach(button0_callback); Button1.attach(button1_callback); Button2.attach(button2_callback); Button3.attach(button3_callback); Button4.attach(button4_callback);void loop() Blinker.run();29

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