Arduino程序设计(四)按键消抖+按键计数

按键消抖+按键计数

  • 前言
  • 一、按键消抖
  • 二、按键计数
    • 1、示例代码
    • 2、按键计数实验
  • 参考资料


前言

  • 本文主要介绍两种按键控制LED实验:
  • 第一种是采用软件消抖的方法检测按键按下的效果;
  • 第二种是根据按键按下次数,四个LED灯呈现不同的流水灯效果。

一、按键消抖

  • 按键在按下时,由于机械和物理特定的原因,经常会产生一些开关变换,而这些变换会让程序误认为是短时间内进行了多次按键。
  • 如何对输入信号进行消抖?也就是在一段短时间内进行两次检查来确保按键确实被按下。如果没有消抖的话,按下一次按键会产生很多不可预知的结果。
  • 所以Arduino按键消抖是为了解决按键在物理接触瞬间可能产生多次触发的现象。
  • 下面介绍两种常见的按键消抖方法:
  • ① 使用外部电容(硬件消抖):通过在按键引脚和地之间并联一个适当大小的电容(例如:MCU复位电路采用0.1uF陶瓷电容),减少了按键连接和断开时产生的电压突变,同时也可以减少按键在短时间内多次触发的可能性。MCU复位电路如下图所示:
    Arduino程序设计(四)按键消抖+按键计数_第1张图片
  • ② 软件消抖:利用Arduino的延时函数或计时器来检测按键状态的变化,只有在按键状态保持一段时间后才认为按键有效。例如,当检测到按键按下时,可以设定一个延时时间,在延时时间内如果检测到按键保持按下状态,则认为按键有效。

按键消抖实验:

  • 1、本实验采用Arduino UNO R3开发板及自主搭建电路的方式,实现预设功能。

  • 2、按键消抖的电路图如下图所示:
    Arduino程序设计(四)按键消抖+按键计数_第2张图片

  • 3、功能实现:按下一个按键,控制LED灯亮50ms然后熄灭。

  • 4、实验要求:采用延时消抖(方法1),编写按键扫描程序(方法2),计数器消抖(方法3)三种按键消抖方式实现功能。

代码实现(方法1):

//延时消抖,按键控制LED
//按下一个按键,控制LED灯亮50ms然后熄灭

int buttonPin = 7;
int ledPin = 12;

void setup() {
  pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);
  pinMode(ledPin, OUTPUT);

}
void loop() {
  if (digitalRead(buttonPin) == LOW)
  {
    delay(10);
    if (digitalRead(buttonPin) == LOW)
    {
      digitalWrite(ledPin, HIGH);
      delay(50);
      digitalWrite(ledPin, LOW);
      while (digitalRead(buttonPin) == LOW);
    }
  }
}

代码实现(方法2):

//编写按键扫描程序,实现按键消抖
//按下一个按键,控制LED灯亮50ms然后熄灭

#define LED 12
#define KEY 7

int KEY_NUM = 0;                   //按键键值存放变量,不等于1说明有按键按下

void setup()
{
  pinMode(LED, OUTPUT);         //定义LED为输出引脚
  pinMode(KEY, INPUT_PULLUP);   //定义KEY为带上拉输入引脚
}

void loop()
{
  ScanKey();                   //按键扫描程序,当按键按下时候,该子程序会修改KEY_NUM的值
  if (KEY_NUM == 1)            //是否按键按下
  {
    digitalWrite(LED, HIGH);
    delay(50);
    digitalWrite(LED, LOW);
  }
}

void ScanKey()                        //按键扫描程序
{
  KEY_NUM = 0;                        //清空变量
  if (digitalRead(KEY) == LOW)        //有按键按下
  {
    delay(10);                        //延时去抖动
    if (digitalRead(KEY) == LOW)      //有按键按下
    {
      KEY_NUM = 1;                    //变量设置为1
      while (digitalRead(KEY) == LOW); //等待按键松手
    }
  }
}

代码实现(方法3):

//计数器消抖,按键控制LED
//按下一个按键,控制LED灯亮50ms然后熄灭

const int buttonPin = 7;  // 按键引脚
const int ledPin = 12;    //LED引脚

int buttonState = HIGH;   // 按键状态
int lastButtonState = HIGH;  // 上一次的按键状态
unsigned long lastDebounceTime = 0;  // 上一次的触发时间
unsigned long debounceDelay = 10;    // 消抖延时

void setup() {
  pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);
  pinMode(ledPin,OUTPUT);
}

void loop() {
  int reading = digitalRead(buttonPin);  // 读取按键引脚状态

  // 如果当前状态与上一次状态不同,更新上一次状态和触发时间
  if (reading != lastButtonState) {
    lastDebounceTime = millis();
  }

  // 如果经过了消抖延时,且当前状态与按键状态不同,更新按键状态
  if ((millis() - lastDebounceTime) > debounceDelay) {
    if (reading != buttonState) {
      buttonState = reading;

      // 按键按下时执行的操作
      if (buttonState == HIGH) {
        digitalWrite(ledPin, HIGH);
        delay(50);
        digitalWrite(ledPin, LOW);
      }
    }
  }

  lastButtonState = reading;
}

二、按键计数

1、示例代码

  • 使用Arduino来实现按键计数。简单的示例代码如下:
//按键计数示例
const int buttonPin = 2;   // 按钮连接到数字引脚2
int buttonState = 0;       // 保存按钮状态
int count = 0;             // 计数器

void setup() {
  pinMode(buttonPin, INPUT);     // 设置按钮引脚为输入模式
  Serial.begin(9600);            // 打开串口通信
}

void loop() {
  buttonState = digitalRead(buttonPin);   // 读取按钮状态

  if (buttonState == HIGH) {    // 如果按钮按下
    count++;                   // 计数器加1
    Serial.print("Button pressed. Count: ");
    Serial.println(count);
    delay(200);                // 等待200毫秒,避免连续多次计数
  }
}

示例中,我们将一个按钮连接到Arduino的数字引脚2。循环中,我们读取按钮的状态,如果按钮被按下(高电平),计数器就会加1,并通过串口打印出计数器的值。为了避免按钮按下时的抖动,我们在每次计数后延迟200毫秒。

上传这个代码到Arduino板,然后打开串口监视器(波特率设置为9600),当你按下按钮时,你将看到计数器的值递增。

2、按键计数实验

  • (1)本实验采用Arduino UNO R3开发板及自主搭建电路的方式,实现预设功能。

  • (2)按键计数的电路图如下图所示:
    Arduino程序设计(四)按键消抖+按键计数_第3张图片

  • (3)实现功能(基础):

  • ① 第一次按下按键,LED1点亮;

  • ② 第二次按下按键,LED1和LED2点亮;

  • ③ 第三次按下按键,LED1~LED3点亮;

  • ④ 第四次按下按键,LED1~LED4点亮;

  • ⑤ 第五次按下按键,LED1~LED4熄灭;

  • ⑥ 第六次按下按键,重复①现象;

  • ⑦ 第七次按下按键,重复②现象……,以此类推。

代码实现:

//编写按键扫描程序,实现按键计数
/*实验现象:
① 第一次按下按键,LED1点亮;
② 第二次按下按键,LED1和LED2点亮;
③ 第三次按下按键,LED1~LED3点亮;
④ 第四次按下按键,LED1~LED4点亮;
⑤ 第五次按下按键,LED1~LED4熄灭;
⑥ 第六次按下按键,重复①现象;
⑦ 第七次按下按键,重复②现象……,以此类推。
*/

const int KEY = 7;      //按键引脚
const int LED1 = 9;     //LED1引脚
const int LED2 = 10;    //LED2引脚
const int LED3 = 11;    //LED3引脚
const int LED4 = 12;    //LED4引脚

int KEY_count = 0;      //按键计数

void setup()
{
  pinMode(KEY, INPUT_PULLUP);    //定义KEY为带上拉输入引脚
  pinMode(LED1, OUTPUT);         //定义LED1为输出引脚
  pinMode(LED2, OUTPUT);         //定义LED2为输出引脚
  pinMode(LED3, OUTPUT);         //定义LED3为输出引脚
  pinMode(LED4, OUTPUT);         //定义LED4为输出引脚
}

void loop()
{
  ScanKey();                   //按键扫描程序,当按键按下时候,该子程序会修改KEY_count的值

  switch (KEY_count) {
    case 0:
      {
        digitalWrite(LED1, LOW);
        digitalWrite(LED2, LOW);
        digitalWrite(LED3, LOW);
        digitalWrite(LED4, LOW);
      }
      break;
    case 1:
      {
        digitalWrite(LED1, HIGH);
      }
      break;
    case 2:
      {
        digitalWrite(LED1, HIGH);
        digitalWrite(LED2, HIGH);
      }
      break;
    case 3:
      {
        digitalWrite(LED1, HIGH);
        digitalWrite(LED2, HIGH);
        digitalWrite(LED3, HIGH);
      }
      break;
    case 4:
      {
        digitalWrite(LED1, HIGH);
        digitalWrite(LED2, HIGH);
        digitalWrite(LED3, HIGH);
        digitalWrite(LED4, HIGH);
      }
      break;
    default:
      {
        KEY_count = 0;
      }
  }
}

void ScanKey()                        //按键扫描程序
{
  if (digitalRead(KEY) == LOW)        //有按键按下
  {
    delay(10);                        //延时去抖动
    if (digitalRead(KEY) == LOW)      //有按键按下
    {
      KEY_count++;                   //按键计数
      while (digitalRead(KEY) == LOW); //等待按键松手
    }
  }
}
  • (4)实现功能(进阶):
  • ① 第一次按下按键,LED1和LED3亮500ms后熄灭,间隔150ms后,LED2和LED4亮150ms后熄灭,间隔150ms后,LED1和LED3亮150ms后熄灭……,重复操作。
  • ② 第二次按下按键,LED1~LED4从左往右依次点亮,等LED4熄灭后,再从左往右依次点亮,重复操作,相邻两个LED灯亮灭的时间间隔为50ms。
  • ③ 第三次按下按键,LED1~LED4从右往左依次点亮,等LED1熄灭后,再从右往左依次点亮,重复操作,相邻两个LED灯亮灭的时间间隔为50ms。
  • ④ 第四次按下按键,LED1~LED4从左往右依次点亮,再从右往左依次点亮,重复操作,相邻两个LED灯亮灭的时间间隔为50ms。
  • ⑤ 第五次按下按键,LED1~LED4熄灭。
  • ⑥ 第六次按下按键,重复①现象
  • ⑦ 第七次按下按键,重复②现象……,以此类推。

代码实现:

//编写按键扫描程序,实现按键计数
//注意:按下按键后,即下一次按下按键前,时间间隔>10s
/*实验现象:
  ① 第一次按下按键,LED1和LED3亮150ms后熄灭,间隔150ms后,LED2和LED4亮150ms后熄灭,间隔150ms后,LED1和LED3亮150ms后熄灭……,重复操作。
  ② 第二次按下按键,LED1~LED4从左往右依次点亮,等LED4熄灭后,再从左往右依次点亮,重复操作,相邻两个LED灯亮灭的时间间隔为50ms。
  ③ 第三次按下按键,LED1~LED4从右往左依次点亮,等LED1熄灭后,再从右往左依次点亮,重复操作,相邻两个LED灯亮灭的时间间隔为50ms。
  ④ 第四次按下按键,LED1~LED4从左往右依次点亮,再从右往左依次点亮,重复操作,相邻两个LED灯亮灭的时间间隔为50ms。
  ⑤ 第五次按下按键,LED1~LED4熄灭。
  ⑥ 第六次按下按键,重复①现象
  ⑦ 第七次按下按键,重复②现象……,以此类推。
*/

const int KEY = 7;      //按键引脚
const int LED1 = 9;     //LED1引脚
const int LED2 = 10;    //LED2引脚
const int LED3 = 11;    //LED3引脚
const int LED4 = 12;    //LED4引脚

int KEY_count = 0;      //按键计数

void setup()
{
  pinMode(KEY, INPUT_PULLUP);    //定义KEY为带上拉输入引脚
  pinMode(LED1, OUTPUT);         //定义LED1为输出引脚
  pinMode(LED2, OUTPUT);         //定义LED2为输出引脚
  pinMode(LED3, OUTPUT);         //定义LED3为输出引脚
  pinMode(LED4, OUTPUT);         //定义LED4为输出引脚
}

void loop()
{
  ScanKey();                   //按键扫描程序,当按键按下时候,该子程序会修改KEY_count的值

  switch (KEY_count) {
    case 0:
      {
        digitalWrite(LED1, LOW);
        digitalWrite(LED2, LOW);
        digitalWrite(LED3, LOW);
        digitalWrite(LED4, LOW);
      }
      break;
    case 1:
      {
        //第一次按下按键
        digitalWrite(LED1, HIGH);
        digitalWrite(LED2, LOW);
        digitalWrite(LED3, HIGH);
        digitalWrite(LED4, LOW);
        delay(150);
        digitalWrite(LED1, !digitalRead(LED1));
        digitalWrite(LED2, !digitalRead(LED2));
        digitalWrite(LED3, !digitalRead(LED3));
        digitalWrite(LED4, !digitalRead(LED4));
        delay(150);
      }
      break;
    case 2:
      {
        //刷新LED1~LED4状态
        digitalWrite(LED1, LOW);
        digitalWrite(LED2, LOW);
        digitalWrite(LED3, LOW);
        digitalWrite(LED4, LOW);

        //第二次按下按键
        digitalWrite(LED1, HIGH);
        delay(50);
        digitalWrite(LED1, !digitalRead(LED1));
        digitalWrite(LED2, HIGH);
        delay(50);
        digitalWrite(LED2, !digitalRead(LED2));
        digitalWrite(LED3, HIGH);
        delay(50);
        digitalWrite(LED3, !digitalRead(LED3));
        digitalWrite(LED4, HIGH);
        delay(50);
        digitalWrite(LED4, !digitalRead(LED4));
        delay(50);
      }
      break;
    case 3:
      {
        //刷新LED1~LED4状态
        digitalWrite(LED1, LOW);
        digitalWrite(LED2, LOW);
        digitalWrite(LED3, LOW);
        digitalWrite(LED4, LOW);

        //第三次按下按键
        digitalWrite(LED4, HIGH);
        delay(50);
        digitalWrite(LED4, !digitalRead(LED4));
        digitalWrite(LED3, HIGH);
        delay(50);
        digitalWrite(LED3, !digitalRead(LED3));
        digitalWrite(LED2, HIGH);
        delay(50);
        digitalWrite(LED2, !digitalRead(LED2));
        digitalWrite(LED1, HIGH);
        delay(50);
        digitalWrite(LED1, !digitalRead(LED1));
        delay(50);
      }
      break;
    case 4:
      {
        //刷新LED1~LED4状态
        digitalWrite(LED1, LOW);
        digitalWrite(LED2, LOW);
        digitalWrite(LED3, LOW);
        digitalWrite(LED4, LOW);

        //第四次按下按键
        digitalWrite(LED1, HIGH);
        delay(50);
        digitalWrite(LED1, !digitalRead(LED1));
        digitalWrite(LED2, HIGH);
        delay(50);
        digitalWrite(LED2, !digitalRead(LED2));
        digitalWrite(LED3, HIGH);
        delay(50);
        digitalWrite(LED3, !digitalRead(LED3));
        digitalWrite(LED4, HIGH);
        delay(50);
        digitalWrite(LED4, !digitalRead(LED4));
        delay(50);
        digitalWrite(LED4, HIGH);
        delay(50);
        digitalWrite(LED4, !digitalRead(LED4));
        digitalWrite(LED3, HIGH);
        delay(50);
        digitalWrite(LED3, !digitalRead(LED3));
        digitalWrite(LED2, HIGH);
        delay(50);
        digitalWrite(LED2, !digitalRead(LED2));
        digitalWrite(LED1, HIGH);
        delay(50);
        digitalWrite(LED1, !digitalRead(LED1));
        delay(50);
      }
      break;
    default:
      {
        digitalWrite(LED1, LOW);
        digitalWrite(LED2, LOW);
        digitalWrite(LED3, LOW);
        digitalWrite(LED4, LOW);
        KEY_count = 0;
      }
  }
}

void ScanKey()                        //按键扫描程序
{
  if (digitalRead(KEY) == LOW)        //有按键按下
  {
    delay(10);                        //延时去抖动
    if (digitalRead(KEY) == LOW)      //有按键按下
    {
      KEY_count++;                   //按键计数
      while (digitalRead(KEY) == LOW); //等待按键松手
    }
  }
}

注意:按下按键后,即下一次按下按键前,时间间隔>10s。


参考资料

参考资料1: 【Arduino官方教程】数字处理示例(三):按键防抖
参考资料2: 【Arduino官方教程】数字处理示例(五):按键状态变化检测

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