Arduino程序设计（四）按键消抖+按键计数

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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。

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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：
  
• 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：
  

• 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：
  

• （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。

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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