悬铃木下的青春

【51单片机实验笔记】开关篇（一）独立按键

前言

本节内容，我们学习一下物理按键的结构与控制方式。按键是一种典型的输入元器件，认识了按键，我们就可以和之前的章节所学的元器件们联动起来了。

硬件介绍

在物理电路中，我们最熟知的一个词就是开关，那其实就是现实世界中按键（Key）的理想模型。

按键在我们日常生活中几乎无处不在：手机的音量键、电脑键盘、日光灯的开关、电视机的电源按钮…

自锁与自复位

从机械结构来说，按键分为自锁式和自复位式。两者的应用场景并不相同。

自锁式：按键按下和未按下的状态不同，对用户有引导作用。一般应用于没有明显的用户交互界面的场景，用户可以自行判断按键状态。但价格稍贵。
自复位式：按键按下和未按下的状态相同，仅从按键本身并不能判断是否（曾）被按下。一般应用于有明显的用户交互界面的场景，例如手机音量键，用户不用关注按键状态，只需观察屏幕反馈即可。

以上两种类型与按键的电气特性无关，仅仅是为了介绍全面，多啰嗦几句。本文研究的是自复位式独立按键。

按键响应事件

对于一个独立按键，它有两种状态：按下和释放。这就意味着每次按键动作都有两个状态可以被观测，称为按下响应和释放响应。

在有些场景下，按键响应我们只希望它执行一次，例如一次点击就打开一个应用（而不是按一次就弹出来许多）；在其他场景下，我们希望按住按键可以使响应连续执行，例如调节音量（否则从 0 按到 100 将相当痛苦）。这即是单次响应与连续响应。

还有一种情况，我希望在按下某个按键时不会受其他按键的干扰。这即为按键屏蔽问题。

因此，联系手机或键盘的按键操作，大致可以将按键事件分为以下几类：

短按： 计算按下响应和释放响应的时间间隔 t，若小于设定的阈值，则视为短按事件。
1. 按下立刻执行（无论释放与否）
2. 释放立刻执行（按下没有反应）
3. 按下执行，释放也执行
长按： 若大于设定的阈值，则视为长按事件。
- 单次执行：如手机关机
- 连续执行：如调节音量
双击： 若同个按键两次按下响应的时间间隔小于设定的阈值，则视为双击事件。
- 必是两个短按事件，如鼠标双击打开应用
组合键： 若两个不同的按键按下响应的时间间隔小于设定的阈值，则视为组合键事件。
- 短按：如截屏
- 长按：如强制重启

按键抖动

另外，在真实按键中，由于按键物理结构的限制，必存在机械振动，俗称按键抖动。如何防抖，什么时候防抖是关键所在。一般可分为硬件防抖和软件防抖两种。

硬件防抖：在稳定性要求高的场景，应当优先考虑。比软件防抖稳定，但会增加成本。
- 低通滤波电路：在按键两端并联电容，由于电容两端电压不能突变，必定存在一个电容充放电的时间常数，从而滤去抖动。
- RS触发器：利用RS触发器来吸收按键的抖动。一旦有键按下，触发器立即翻转，按键的抖动便不会再对输出产生影响，按键释放时也一样。
软件防抖：一般的按键抖动时间为5~10ms，而人不太可能以大于100Hz的频率去按键。所以通过延时可以消除抖动带来的影响，也不会过滤掉人的正常操作。

按键抖动是一种不可消除的机械振动形式，客观存在。其影响是，按一次可能会导致MCU执行多次。抖动时间依赖于按键的机械结构设计，越优质的结构和材料抖动时间越短。需要强调的是，无论是硬件还是软件防抖都不能过滤人为的误触（时间量级不一样）。

为防止误触，一般将比较重要的功能以长按、双击、组合键的形式设置。

在工业或是军事场景中，按键响应除了要满足高度实时的要求，还必须高度可靠，最有效的方法即检测多次。例如，在10ms内检测10次按键状态，当全部有效时，才视为按键按下，而普通的软件延时仅仅检测了2次，显然可靠性不及前者。在定时器章节，我们将利用这种思想实现最佳按键检测。

原理图分析

独立按键

观察独立按键，共有四个引脚，其中两组间距较短，而另两组间距较长。间距长的两组引脚之间是连接在一起的，而短间距引脚之间初始状态是断开的，当按键被按下时，四个引脚被接通，可视作一根导线。

一般情况下，独立按键只需要接两个脚即可使用。其中一个引脚接地，另一个引脚由单片机IO口控制。

开发板上独立按键的硬件原理图如上。

软件实现

注：本节暂不讨论长按和双击事件，在后续章节中通过定时器实现。

单键单次与连续响应

实验效果：四个独立按键，分别控制四个LED的开关，实现不同的按键效果。数码管显示按键编号。

按键1按下，LED6亮灭状态转变。按键1松开，不执行操作。（按下响应）
按键2按下，不执行操作。按键2松开，LED7亮灭状态转变。（松开响应）
按键3按下，LED8亮灭状态转变。按键3松开，LED8亮灭状态转变。（按下松开均响应）
按键4按下，数码管显示数值持续增加。按键4松开，数码管清零。（连续响应）

delay.h

#ifndef _DELAY_H_
#define _DELAY_H_

#include 


#define false 0
#define true 1

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

void delay_10us(u16);
void delay_ms(u16);

#endif

delay.c

#include "delay.h"
/** 
 **  @brief    通用函数
 **  @author   QIU
 **  @date     2023.08.23
 **/

/*-------------------------------------------------------------------*/

/**
 **  @brief   延时函数(10us)
 **  @param   t:0~65535，循环一次约10us
 **  @retval  无
 **/
void delay_10us(u16 t){
	while(t--);
}


/**
 **  @brief   延时函数（ms）
 **  @param   t:0~65535,单位ms
 **  @retval  无
 **/
void delay_ms(u16 t){
	while(t--){
		delay_10us(100);
	}
}

led.h

#ifndef _LED_H_
#define _LED_H_

#include "delay.h"

#define LED_PORT P2

void led_on(u8);
void led_turn(u8);
void led_stream(u16);
void led_run(u16);

#endif

led.c

#include "led.h"

/** 
 **  @brief    LED控制程序
 **  @author   QIU
 **  @date     2023.08.23
 **/

/*-------------------------------------------------------------------*/


/**
 **  @brief  指定某个LED亮
 **  @param  pos: 位置(1~8)
 **  @retval 无
 **/
void led_on(u8 pos){
	LED_PORT &= ~(0x01<<(pos-1));
}


/**
 **  @brief  指定某个LED灭
 **  @param  pos: 位置(1~8)
 **  @retval 无
 **/
void led_off(u8 pos){
	LED_PORT |= 0x01<<(pos-1);
}


/**
 **  @brief   指定位置LED翻转
 **  @param   pos：1—8
 **  @retval  无
 **/
void led_turn(u8 pos){
	u8 port;
	port = (LED_PORT>>(pos-1))&0x01;
	if(port){
		led_on(pos);
	}else{
		led_off(pos);
	}
}


/**
 **  @brief   LED流水灯
 **  @param   time 延时时间
 **  @retval  无
 **/
void led_stream(u16 time){
	u8 i;
	for(i=0;i<8;i++){
		led_on(i+1);
		delay_10us(time);
	}
	
	// 全部熄灭
	for(i=0;i<8;i++){
		led_off(i+1);
	}
}


/**
 **  @brief   LED跑马灯
 **  @param   time 延时时间
 **  @retval  无
 **/
void led_run(u16 time){
	u8 i;
	for(i=0;i<8;i++){
		led_on(i+1);
		delay_10us(time);
		led_off(i+1);
	}
}

smg.h

#ifndef _SMG_H_
#define _SMG_H_

#include "delay.h"

#define SMG_PORT P0
 
// 位选引脚，与38译码器相连
sbit A1 = P2^2;
sbit A2 = P2^3;
sbit A3 = P2^4;

void smg_showChar(u8,u8);
void smg_showString(u8*, u8);

#endif

smg.c

#include "smg.h"
/** 
 **  @brief    数码管功能封装
 **  @author   QIU
 **  @date     2023.08.31
 **/

/*-------------------------------------------------------------------*/


//共阴极数码管字形码编码
u8 code smgduan[] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, //0 1 2 3 4
					 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f, //5 6 7 8 9
					 0x77,0x7c,0x58,0x5e,0x79, //A b c d E
					 0x71,0x76,0x30,0x0e,0x38, //F H I J L
					 0x54,0x3f,0x73,0x67,0x50, //n o p q r
					 0x6d,0x3e,0x3e,0x6e};     //s U v y  

					 
/**
 **  @brief   指定第几个数码管点亮，38译码器控制位选（不对外声明）
 **  @param   pos：从左至右，数码管位置 1~8
 **  @retval  无
 **/
void select_38(u8 pos){
	u8 temp_pos = 8 - pos; // 0~7
	A1 = temp_pos % 2; //高位
	temp_pos /= 2;
	A2 = temp_pos % 2; 
	temp_pos /= 2;
	A3 = temp_pos % 2; //低位
}


/**
 **  @brief   解析数据并取得相应数码管字形码编码
 **  @param   dat:想要显示的字符
 **  @retval  对应字形码编码值
 **/
u8 parse_data(u8 dat){
	switch(dat){
		case 0:
		case 1:
		case 2:
		case 3:
		case 4:
		case 5:
		case 6:
		case 7:
		case 8:
		case 9:return smgduan[dat];
		case '0':
		case '1':
		case '2':
		case '3':
		case '4':
		case '5':
		case '6':
		case '7':
		case '8':
		case '9':return smgduan[dat-'0'];
		case 'a':
		case 'A':return smgduan[10];
		case 'b':
		case 'B':return smgduan[11];
		case 'c':
		case 'C':return smgduan[12];
		case 'd':
		case 'D':return smgduan[13];
		case 'e':
		case 'E':return smgduan[14];
		case 'f':
		case 'F':return smgduan[15];
		case 'h':
		case 'H':return smgduan[16];
		case 'i':
		case 'I':return smgduan[17];
		case 'j':
		case 'J':return smgduan[18];
		case 'l':
		case 'L':return smgduan[19];
		case 'n':
		case 'N':return smgduan[20];
		case 'o':
		case 'O':return smgduan[21];
		case 'p':
		case 'P':return smgduan[22];
		case 'q':
		case 'Q':return smgduan[23];
		case 'r':
		case 'R':return smgduan[24];
		case 's':
		case 'S':return smgduan[25];
		case 'u':
		case 'U':return smgduan[26];
		case 'v':
		case 'V':return smgduan[27];
		case 'y':
		case 'Y':return smgduan[28];
		default:return 0x00; //不显示
	}
}



/**
 **  @brief   显示一个字符（1字节）
 **  @param   dat：字符数据
 **  @param   pos：显示位置 1~8
 **  @retval  无
 **/
void smg_showChar(u8 dat, u8 pos){
	// 解析点亮哪一个数码管
	select_38(pos);
	// 解析数据
	SMG_PORT = parse_data(dat);
}



/**
 **  @brief   显示字符串（动态显示）
 **  @param   dat[]：字符串
 **  @param   pos：显示位置 1~8
 **  @retval  无
 **/
void smg_showString(u8 dat[], u8 pos){
	u8 i;
	// 超出部分直接截断
	for(i=0;(i<9-pos )&&(dat[i]!='\0');i++){
		smg_showChar(dat[i], pos+i);
		delay_10us(100); //延时1ms
		SMG_PORT = 0x00; //消影
	}
}

key.h

#ifndef __KEY_H__
#define __KEY_H__

#include "delay.h"

// 按键单次响应（0）或连续响应（1）开关
#define KEY1_MODE 0
#define KEY2_MODE 0
#define KEY3_MODE 0
#define KEY4_MODE 1

// 引脚定义
sbit key1 = P3^1; 
sbit key2 = P3^0;
sbit key3 = P3^2;
sbit key4 = P3^3;

// 按键状态枚举
typedef enum{
	KEY_UNPRESS = 0,
	KEY1_PRESS,
	KEY2_PRESS,
	KEY3_PRESS,
	KEY4_PRESS,
	KEY_NON_DEAL,
}Key_State;


void scan_key();
void check_key();

#endif

key.c

#include "key.h"

// 按键状态、前状态
Key_State key_state, key_pre_state;

// 按键累积值，反映按键时长
u16 num = 0;


/** 
 **  @brief    独立按键的函数封装
 **  @author   QIU
 **  @date     2023.08.31
 **/

/*-------------------------------------------------------------------*/


// 包含的头文件（按需求修改）
#include "led.h"
#include "smg.h"
#include 


/**
 **  @brief   按键1按下函数（可以按需求修改）
 **  @param   无
 **  @retval  无
 **/
void key1_pressed(){
	smg_showChar(1, 1);
	led_turn(6);
}

/**
 **  @brief   按键2按下函数（可以按需求修改）
 **  @param   无
 **  @retval  无
 **/
void key2_pressed(){
	;
}

/**
 **  @brief   按键3按下函数（可以按需求修改）
 **  @param   无
 **  @retval  无
 **/
void key3_pressed(){
	smg_showChar(3, 1);
	led_turn(8);
}


/**
 **  @brief   按键4按下函数（可以按需求修改）
 **  @param   无
 **  @retval  无
 **/
void key4_pressed(){
	u8 str[8];
	num++;
	sprintf(str,"%d",num/10);
	smg_showString(str, 1);
}

/**
 **  @brief   按键1松开函数（可以按需求修改）
 **  @param   无
 **  @retval  无
 **/
void key1_unpressed(){
	;
}

/**
 **  @brief   按键2松开函数（可以按需求修改）
 **  @param   无
 **  @retval  无
 **/
void key2_unpressed(){
	smg_showChar(2, 1);
	led_turn(7);
}

/**
 **  @brief   按键3松开函数（可以按需求修改）
 **  @param   无
 **  @retval  无
 **/
void key3_unpressed(){
	key3_pressed();
}

/**
 **  @brief   按键4松开函数（可以按需求修改）
 **  @param   无
 **  @retval  无
 **/
void key4_unpressed(){
	smg_showChar(0, 1);
	num = 0;
}


/*-------------------------------------------------------------------*/


/**
 **  @brief   按键松开响应
 **  @param   无
 **  @retval  无
 **/
void key_unpress(){
	switch(key_pre_state){
		case KEY_UNPRESS: break;
		case KEY1_PRESS: key1_unpressed();break;
		case KEY2_PRESS: key2_unpressed();break;
		case KEY3_PRESS: key3_unpressed();break;
		case KEY4_PRESS: key4_unpressed();break;
	}
}


/**
 **  @brief   （轮询方式）扫描独立按键，判断哪个键按下
 **  @param   无
 **  @retval  无
 **/
void scan_key(){
	static u8 flag = 1; // 开关（按下至完全松开为一轮判断）

	// 如果有按键按下
	if(flag && (!key1||!key2||!key3||!key4)){
		flag = 0; // 清零
		delay_ms(10); // 延时10ms消抖
		// key1往下屏蔽（屏蔽组合键）
		if(!key1) key_state = KEY1_PRESS; 
		else if(!key2) key_state = KEY2_PRESS;
		else if(!key3) key_state = KEY3_PRESS;
		else if(!key4) key_state = KEY4_PRESS;
		else key_state = KEY_UNPRESS;
	// 如果按键松开
	}else if(key1&&key2&&key3&&key4){
		flag = 1;
		delay_ms(10); // 延时10ms消抖,松开响应有逻辑判断时，需要加上消抖。否则可以省略。
		if(key1&&key2&&key3&&key4)key_state = KEY_UNPRESS;
	}
}


/**
 **  @brief   （轮询方式）判断按键, 进行相应处理
 **  @param    无
 **  @retval   无
 **/
void check_key(){
	switch(key_state){
		case KEY_UNPRESS:
			// 松开响应
			key_unpress();
			// 记录当前按键状态
			key_pre_state = KEY_UNPRESS;
			break;
		
		case KEY1_PRESS:
			// 记录当前按键状态
			key_pre_state = KEY1_PRESS;
			// 如果是单次响应
			if(!KEY1_MODE) key_state = KEY_NON_DEAL;
			key1_pressed();
			break;
		
		case KEY2_PRESS:
			// 记录当前按键状态
			key_pre_state = KEY2_PRESS;
			// 如果是单次响应
			if(!KEY2_MODE) key_state = KEY_NON_DEAL;
			break;
		
		case KEY3_PRESS:
			// 记录当前按键状态
			key_pre_state = KEY3_PRESS;
			// 如果是单次响应
			if(!KEY3_MODE) key_state = KEY_NON_DEAL;
			key3_pressed();
			break;
		
		case KEY4_PRESS:
			// 记录当前按键状态
			key_pre_state = KEY4_PRESS;
			if(!KEY4_MODE) key_state = KEY_NON_DEAL;
			key4_pressed();
			break;
		
		case KEY_NON_DEAL:
			// 按下不处理
			break;
	}
}

main.c

#include "key.h"
#include "smg.h"
/** 
 **  @brief    独立按键单键的单次响应与连续响应
 **            1. 按键1按下，LED6亮灭状态转变。按键1松开，不执行操作。（按下响应）
 **            2. 按键2按下，不执行操作。按键2松开，LED7亮灭状态转变。（松开响应）
 **            3. 按键3按下，LED8亮灭状态转变。按键3松开，LED8亮灭状态转变。（按下松开均响应）
 **            4. 按键4按下，数码管显示数值持续增加。按键4松开，数码管清零。（连续响应）
 **  @author   QIU
 **  @date     2023.08.31
 **/

/*-------------------------------------------------------------------*/


void main(){
	
	smg_showChar(0, 1); // 初始为0
	while(1){
		// 扫描按键
		scan_key();
		// 检查按键
		check_key();
	}
}

本例联动了之前篇章的LED、数码管等元器件，所以代码文件略多。

核心代码是在key.h和key.c中，主要的逻辑是：通过scan_key()函数不断轮询4个独立按键状态，一旦发生改变，延时10ms消抖，再次检测，以确定是否存在按键按下或是松开。然后判断是哪一个按键被按下，记录当前状态。此后，用check_key()轮询按键状态，并在该函数内实现各个按键所执行的逻辑。

对于一些需要松开响应的场景，应当用变量key_pre_state记录前一个按键状态，以判断时哪一个键被松开。

对于一些需要连续响应的场景，应当用宏定义KEYx_MODE 来设置按键的响应模式。例如开灯的时候，我们只希望在按下时执行一次，而在调节音量时，我们希望在按下时能持续执行。

注意：

if .. else if语句具有向下屏蔽的特点。在此例中，按键1会屏蔽按键2~4的响应，即按下按键1时，按下其他的按键并不响应。
按下和松开都存在抖动，但如果只需对按下事件做出响应时，松开消抖延时可以省略。

组合键单次与连续响应

实验效果：

按键1和按键2同时按下，LED切换为流水灯模式。
按键2和按键3同时按下，LED切换为跑马灯模式。
按键3和按键4同时按下，LED模式速度持续加快。