Arduino程序设计（五）按键中断+按键状态检测

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前言

• 本文主要介绍两种按键检测实验，分别是：
• 1、外部中断实现按键控制LED灯；
• 2、按键单击、双击和长按的状态检测。

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一、按键中断

1、中断的基本概念

• 中断装置和中断处理中断处理程序统称为中断系统。中断（Interrupt）是计算机的一个重要概念，现代计算机普遍采用中断技术。

• 当计算机执行正常程序时，系统中会出现某些急需处理的异常情况和特殊请求，此时 CPU 会暂时中止现行程序，转去对随机发生的更为紧迫的事件进行处理，处理完毕后，CPU 自动返回原来的程序继续执行，此过程就叫做中断。实现中断功能的硬件和软件统称中断系统。一个完整的中断处理过程包括中断请求、中断响应、中断处理和中断返回。

• （1）中断请求 中断过程是从中断源向 CPU 发出中断请求而开始的，其中断请求信号应该至少保持到 CPU 做出响应为止。

• （2）中断响应 CPU检测到中断请求后，在一定的条件和情况下进行响应。

• （3）中断处理 CPU响应中断结束后，返回原先被中断的程序并继续执行。

• （4）中断返回 中断返回是指把运行程序从中断服务程序转回到被中断的主程序中。

中断结构如下图所示：

• 我们从一个生活中的例子引入。你正在家中看书，突然电话铃响了，你放下书本，去接电话，和来电话的人交谈，然后放下电话，回来继续看你的书。这就是生活中的“中断”的现象，就是正常的工作过程被外部的事件打断了。

• Arduino有两种类型的中断：外部中断和定时器中断

• ① 外部中断是指当某个外部事件发生时，Arduino会立即停止当前的程序，执行中断服务程序，处理完中断后再返回原来的程序。

• ② 定时器中断是指当定时器计数器达到设定的值时，Arduino会执行中断服务程序，处理完中断后再返回原来的程序。

• 注意：如果没有中断的话，arduino 是一直运行 loop 内的代码，一遍一遍重复运行。当有中断产生时候，单片机会停止 loop 的代码，开始运行中断服务函数的代码，运行一遍中断服务函数后，继续回到 loop 内接着刚才运行的代码运行。

本文介绍的按键中断属于外部中断，重点介绍外部中断的工作模式，定时中断以后再详细介绍。

2、外部中断

• 外部中断是由外部设备发起请求的中断。要想使用外部中断，就需了解中断引脚的位置，根据外部设备选择中断模式，以及编写一个中断被触发后需执行的中断函数。

• （1）在Arduino上，有两种类型的外部中断：INT0和INT1。INT0对应的引脚是数字引脚2（D2），而INT1对应的引脚是数字引脚3（D3）。这两个引脚都支持上升沿、下降沿和任何电平变化触发中断。

• （2）使用外部中断，需要先将相应的引脚配置为输入模式，再使用attachInterrupt()函数来设置中断触发条件和中断处理函数。

• （3）中断函数介绍：

• attachInterrupt()

• 描述：外部中断配置函数。

• 函数原型：attachInterrupt(interrupt, ISR, mode)

• 参数解释：
  ① interrupt: 中断号。不同Arduino开发板中断号不同。Uno R3有两个外部中断，分别为数字管脚2(中断0)和数字管脚3(中断1)。
  ② ISR: 中断处理函数。此函数不带参数，没有返回值。
  ③ mode: 中断触发方式。

• 其中mode的触发方式分为：

• LOW: 低电平触发

• CHANGE:管脚状态改变触发

• RISING:上升沿触发

• FALLING:下降沿触发

3、示例代码

当使用Arduino进行按键中断检测时，attachInterrupt()函数来设置中断并指定相应的中断处理函数。以下是一个示例代码：

const int buttonPin = 2;  // 按钮连接到Arduino的2号引脚
volatile int buttonState = 0;  // 按钮的状态变量

void setup() {
  pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);  // 设置按钮引脚为输入模式，使用内部上拉电阻
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(buttonPin), buttonInterrupt, CHANGE);  // 将中断函数与按钮引脚进行关联
  Serial.begin(9600);  // 初始化串口通信
}

void loop() {
  // 在主循环中可以执行其他任务
}

void buttonInterrupt() {
  buttonState = digitalRead(buttonPin);  // 获取按钮引脚的状态

  if (buttonState == HIGH) {
    Serial.println("Button pressed");
    // 执行按钮按下后的操作
  }
}

在上述代码中，我们将按钮连接到Arduino的2号引脚，并将该引脚设为输入模式。使用attachInterrupt()函数将一个中断处理函数buttonInterrupt()与按钮引脚相关联，并指定中断触发条件为状态改变（CHANGE）。当按钮状态发生改变时，中断处理函数会被调用。

在buttonInterrupt()函数中，我们通过digitalRead()函数获取按钮引脚的状态，并将其存储在buttonState变量中。如果按钮按下（状态为HIGH），则会在串口上打印"Button pressed"，你可以根据需要在这里执行其他操作。

4、按键中断实验

• （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，其中按键消抖方式采用硬件消抖实现。

• （2）按键中断的电路图如下图所示：
  

• （3）实现功能：

• ① 未按下按键，LED灯熄灭

• ② 按下按键，LED灯点亮500ms,熄灭500ms,重复操作

代码实现：

//按键中断实验(硬件消抖)
//未按下按键，LED灯熄灭
//按下按键，LED灯点亮500ms,熄灭500ms,重复操作

const int LED = 9;    //LED灯引脚
const int buttonPin = 2;  // 按钮连接到Arduino的2号引脚

int KEY_state = 1;//按键状态标志，未按下按键为1，按下按键为0
int LED_state = 0;//LED状态标志，点亮为1，熄灭为0

void setup() {
  pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);  // 设置按钮引脚为输入模式，使用内部上拉电阻
  pinMode(LED, OUTPUT); //设置LED为输出模式
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(buttonPin), buttonInterrupt, FALLING);  // 将中断函数与按钮引脚进行关联
}

void loop() {
  digitalWrite(LED,LOW);//按键未按下，LED灯熄灭
  if (LED_state == 1) {
    digitalWrite(LED, HIGH);
    delay(500);
    digitalWrite(LED, !digitalRead(LED));
    delay(500);
  }
  else {
    digitalWrite(LED, LOW);
  }
}

//中断处理函数
void buttonInterrupt() {
  KEY_state = digitalRead(buttonPin);
  if (KEY_state == 0) {
    LED_state = 1;
  }
  else {
    LED_state = 0;
  }
}

二、按键状态检测

1、按键单击、双击和长按的工作原理

单击、双击、长按电平时序图：

• 从三种时序图我们可以看出：三种操作方式的区别就在于，当按键按下后低电平和高电平的时间，通过判断高低电平的变化时间就可以把这三种方式区别开。

单击和长按的区别：

• 单击和长按的时序图非常相似，最大的区别就是按键按下后低电平的持续时间，这里我们对比单击和长按的时序图，可知长按的低电平时间要比单击的要长很多。
• 所以，我们假设单击时低电平的时间为S1，长按时低电平的时间为S2，我们只要在单击和长按之间加一个判断时间，这里我们加入S3作为判断。当按键按下时低电平的时间超过了S3，则判断为长按，若低电平时间小于S3，则判断为单击。我们可以根据自己的需要，设定S3的时间，规定什么是长按，什么是单击。

单击和双击的区别：

• 通过时序图我们可以看到，双击相当于两次单击，双击时第一次按键放开到第二次按键按下有一个时间间隔，这里我们用D1表示。而双击和单击的区别在于在D1时间过后，单击的电平一直处于高电平状态，而双击则会再次出现一段低电平。
• 我们可以加一个定时器在第一次按键放开后开始计时，计时的最大值为D2，这里我们只要判断在D2时间内是否出现了低电平。如果出现了低电平则双击，如果没有出现低电平则为单击。如果出现低电平的时间超过了D2则为两次单击而不是双击。可以通过更改D2的时间来改变双击的速度。

2、按键状态检测实验

• （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，其中按键消抖方式采用硬件消抖实现。

• （2）按键状态检测的电路图如下图所示：
  

• （3）实现功能：
  ① 按键单击时，LED亮100ms后熄灭(闪烁一次），串口打印"singleclick"；
  ② 按键双击时，LED亮300ms，熄灭300ms，然后，LED亮300ms，熄灭300ms（闪烁两次），串口打印"doubleclick"；
  ③ 按键长按时，第一次长按，LED常亮，串口打印"longclick"和"start"，第二次长按，LED熄灭，串口打印"longclick"和"end"。

• （4）注意：编译代码前，需要下载安装OneButton库文件，并在程序中添加 #include 和 #include 两个头文件 。

代码实现：

//按键单击、双击、长按的状态检测实验
/*实验现象：
 ① 按键单击时，LED亮100ms后熄灭(闪烁一次），串口打印"singleclick"；
 ② 按键双击时，LED亮300ms，熄灭300ms，然后，LED亮300ms，熄灭300ms（闪烁两次），串口打印"doubleclick"；
 ③ 按键长按时，第一次长按，LED常亮，串口打印"longclick"和"start"，第二次长按，LED熄灭，串口打印"longclick"和"end"。
 */
 
#include 
#include 

#define PIN_INPUT 7
#define PIN_LED 10

OneButton button(PIN_INPUT, true);

//单击
void click()
{
  Serial.println("singleclick");
  for (size_t i = 0; i < 2; i++)
  {
    digitalWrite(PIN_LED, !digitalRead(PIN_LED));
    delay(100);
  }
}

//双击
void doubleclick()
{
  Serial.println("doubleclick");
  for (size_t i = 0; i < 4; i++)
  {
    digitalWrite(PIN_LED, !digitalRead(PIN_LED));
    delay(300);
  }
}

//长按
void longclick()
{
  Serial.println("longclick");
  digitalWrite(PIN_LED, !digitalRead(PIN_LED));
  if (digitalRead(PIN_LED))
    Serial.println("start");
  else
    Serial.println("end");
}

void setup()
{
  Serial.begin(115200);//打开串口
  pinMode(PIN_LED, OUTPUT);//设置LED引脚为输出模式
  button.attachClick(click);//关联单击事件
  button.attachDoubleClick(doubleclick);//关联双击事件
  button.attachLongPressStart(longclick);//关联长按事件
}
void loop()
{
  button.tick();//按键扫描
  delay(10);
}

参考资料

参考资料1: Arduino基础入门篇13—外部中断
参考资料2: Arduino基础篇（三）-- 带你了解Arduino中断的秘密
参考资料3: stm32多功能按键设计（单击、双击、长按）
参考资料4: ESP32 Arduino(十一) 按键控制库 OneButton