从单片机初学者迈向单片机工程师-KEY篇第一章 按键程序编写的基础

从这一章开始，我们步入按键程序设计的殿堂。在基于单片机为核心构成的应用系统中，用户输入是必不可少的一部分。输入可以分很多种情况，譬如有的系统支持PS2键盘的接口，有的系统输入是基于编码器，有的系统输入是基于串口或者USB或者其它输入通道等等。在各种输入途径中，更常见的是，基于单个按键或者由单个键盘按照一定排列构成的矩阵键盘(行列键盘)。我们这一篇章主要讨论的对象就是基于单个按键的程序设计，以及矩阵键盘的程序编写。

◎按键检测的原理

常见的独立按键的外观如下，相信大家并不陌生，各种常见的开发板学习板上随处可以看到他们的身影。

 

 

 

总共有四个引脚，一般情况下，处于同一边的两个引脚内部是连接在一起的，如何分辨两个引脚是否处在同一边呢？可以将按键翻转过来，处于同一边的两个引脚，有一条突起的线将他们连接一起，以标示它们俩是相连的。如果无法观察得到，用数字万用表的二极管挡位检测一下即可。搞清楚这点非常重要，对于我们画PCB的时候的封装很有益。

它们和我们的单片机系统的I/O口连接一般如下：


 

对于单片机I/O内部有上拉电阻的微控制器而言，还可以省掉外部的那个上拉电阻。简单分析一下按键检测的原理。当按键没有按下的时候，单片机I/O通过上拉电阻R接到VCC，我们在程序中读取该I/O的电平的时候，其值为1(高电平); 当按键S按下的时候，该I/O被短接到GND，在程序中读取该I/O的电平的时候，其值为0(低电平) 。这样，按键的按下与

否，就和与该按键相连的I/O的电平的变化相对应起来。结论：我们在程序中通过检测到该I/O口电平的变化与否，即可以知道按键是否被按下，从而做出相应的响应。一切看起来很美好，是这样的吗？

 

◎现实并非理想

在我们通过上面的按键检测原理得出上述的结论的时候，其实忽略了一个重要的问题，那就是现实中按键按下时候的电平变化状态。我们的结论是基于理想的情况得出来的，就如同下面这幅按键按下时候对应电平变化的波形图一样：


 

 

而实际中，由于按键的弹片接触的时候，并不是一接触就紧紧的闭合，它还存在一定的抖动，尽管这个时间非常的短暂，但是对于我们执行时间以us为计算单位的微控制器来说，

它太漫长了。因而，实际的波形图应该如下面这幅示意图一样。


 


这样便存在这样一个问题。假设我们的系统有这样功能需求：在检测到按键按下的时候，将某个I/O的状态取反。由于这种抖动的存在，使得我们的微控制器误以为是多次按键的按下，从而将某个I/O的状态不断取反，这并不是我们想要的效果，假如该I/O控制着系统中某个重要的执行的部件，那结果更不是我们所期待的。于是乎有人便提出了软件消除抖动的思想，道理很简单：抖动的时间长度是一定的，只要我们避开这段抖动时期，检测稳定的时候的电平不久可以了吗？听起来确实不错，而且实际应用起来效果也还可以。于是，各种各样的书籍中，在提到按键检测的时候，总也不忘说道软件消抖。就像下面的伪代码所描述的一样。(假设按键按下时候，低电平有效)

 

 

If(0 == io_KeyEnter)

//如果有键按下了

{


Delayms(20) ;
//先延时20ms避开抖动时期


If(0 == io_KeyEnter)
//然后再检测，如果还是检测到有键按下


{


return KeyValue ;
//是真的按下了，返回键值


}


else

{


return KEY_NULL
//是抖动，返回空的键值

}


while(0 == io_KeyEnter) ;
//等待按键释放

}

 

乍看上去，确实挺不错，实际中呢？在实际的系统中，一般是不允许这么样做的。为什么呢？首先，这里的Delayms(20) , 让微控制器在这里白白等待了20 ms 的时间，啥也没干，考虑我在《学会释放CPU》一章中所提及的几点，这是不可取的。其次while(0 == io_KeyEnter) ;更是程序设计中的大忌(极少的特殊情况例外)。任何非极端情况下，都不要使用这样语句来堵塞微控制器的执行进程。原本是等待按键释放，结果CPU就一直死死的盯住该按键，其它事情都不管了，那其它事情不干了吗？你同意别人可不会同意J所以合理的分配好微控制的处理时间，是编写按键程序的基础。

 

 

◎消除抖动有必要吗？

 

的确，软件上的消抖确实可以保证按键的有效检测。但是，这种消抖确实有必要吗？有人提出了这样的疑问。抖动是按键按下的过程中产生的，如果按键没有按下，抖动会产生吗？如果没有按键按下，抖动也会在I/O上出现，我会立刻把这个微控制器锤了，永远不用这样一款微控制器。所以抖动的出现即意味着按键已经按下，尽管这个电平还没有稳定。所以只要我们检测到按键按下，即可以返回键值，问题的关键是，在你执行完其它任务的时候，再次执行我们的按键任务的时候，抖动过程还没有结束，这样便有可能造成重复检测。所以，如何在返回键值后，避免重复检测，或者在按键一按下就执行功能函数，当功能函数的执行时间小于抖动时间时候，如何避免再次执行功能函数，就成为我们要考虑的问题了。这是一个仁者见仁，智者见智的问题，就留给大家去思考吧。所以消除抖动的目的是：防止按键一次按下，多次响应。