详解单片机的按键检测与控制

按键在单片机控制系统中起到人机交互的作用，通过按键可以输入数据、命令和各种参数，按键侧键测处理是单片机系统设计和开发中一个重要的内容，关系到整个系统的交互性能和稳定性。按键处理形式在单片机系统中有两种形式：直接按键和矩阵编码键盘，下面分别对这两种按键检测电路的特点及编程思路和方法进行分析和介绍。

按键抖动问题产生的原因及解决方法

按键的抖动问题是指按键的触点在闭合和断开瞬间由于接触情况不稳定，从而导致电压信号的抖动现象(由按键的机械特性造成，不可避免)。图8-1所示为一次按键的抖动过程，在按键的前沿和后沿都会有5～10ms的抖动。

图8-1　按键抖动示意图

对于时钟是微秒级的单片机而言，键盘的抖动有可能造成单片机对一次按键的多次处理。为了提高系统的稳定性，我们必须采用有效的方式消除抖动。

去除抖动可以采用硬件方式和软件方式。硬件方式一般是在按键与单片机的输入通道上安装硬件去抖电路(如RS触发器)。软件方式的实现方法是：当查询到电路中有按键按下时，先不进行处理，而是先执行10～20ms的延时程序，延时程序结束后，再次查询按键状态，若此时按键仍为按下状态，则视为按键被按下。

按键检测电路及应用

1. 独立式按键

独立式键盘相互独立，每个按键占用一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他按键的工作状态，CPU可直接读取该I/O线的高/低电平状态。这种按键硬件、软件结构简单，判键速度快，使用方便，但占用I/O口线较多，适用于按键数量较少的系统中。

独立连接式键盘连接如图8-2所示。当没有键被按下时，所有的数据输入线均为高电平;当任意一个按键被按下时，与之相连的数据输入线将变为低电平;通过相应指令，可以判断是否有键被按下。

图8-2　独立式键盘接口设计

【例8-1】 利用单片机的P1.0～P1.34个I/O口检测4个按键的触发信息，以实现不同功能的控制。

硬件电路参见图8-2所示，C51参考程序如下：

2. 矩阵式按键

在单片机系统中，当按键数量较多时，为了减少IO口的使用，通常将按键排列成矩阵型式。例如下例中的16个按键，被排列成了如图8-3所示的4X4矩阵方式。该矩阵式键盘由4根行线和4根列线组成，每个行线和列线的交叉点是一个按键。

【例8-2】 将矩阵式键盘的按键值通过数码管显示出来。

电路连接如图8-3所示(电源和震荡电路未标出)。

图8-3　矩阵式键盘按键显示电路图

如何判断被按下的键值呢?

分析如下：

根据下面的电路图，如果已知P1.0端口被置为低电平“0”，那么当按键K0被按下时，可以肯定P1.4端口的电平也变为了低电平“0”。基于这个原理，总结矩阵键盘识别按键的步骤如下：

a)首先判断是否有按键被按下

本例中矩阵键盘中P1端口低4位连接的是列线，高4位连接的是行线。将全部行线置为低电平“0”，全部列线置为高电平“1”。然后检测列线的状态。只要有一根列线的电平为低，则表示有按键被按下。否则没有按键按下。

b)按键消抖

当判断到有按键被按下后，还要进行消抖处理，以确认真正有按键被按下。

c)按键识别

当确认有键被按下后，采用逐行扫描的方法来确定是哪一个按键被按下。先扫描第一行，即将第一行输出低电平“0”，然后读取列值，那一列出现低电平“0”，则说明该列与第一行交叉处的按键被按下。如果读入的列值全部为"1"，说明与第一行连接的按键均没有被按下。那么接下来开始扫描第二行，以此类推。直到完成全部行线的扫描。

C51程序如下：

矩阵式键盘与I/O接口应用

【例8-3】 四位数字密码锁

四位数字密码锁功能：通过键盘输入密码，当输入密码与内置密码相同时，继电器动作，表示密码锁解开。为了简化功能，该密码锁只使用12个键(即4x3键盘)，其中S1~S9为1~9数字键，S10为0数字键，S11为“*”键作为确认键使用，而S12为“#”键作为复位键，键盘接口电路如图8-4所示，键值布局如表8-1所示。

图8-4　行列式键盘电路连接图

表8-1　键盘布局表

单片机上电时，数码管显示“0000”，此时输入数字，数码管将显示按键值，数字逐个向左递增，四次输入完毕，四个数码管显示输入的数，此时按“*”号按键将启动比较，若输入数字与内设密码相同，继电器动作。如不同，则系统复位等待重新输入密码。当按“#”号键，系统复位，数码管显示“0000”。

在上面键扫描程序基础上增加的源程序如下：

单片机按键设计方案

第一种是最简单和最基础的，对于单片机初学者很容易理解和使用，但是缺点是，需要在主循环中不断检测按键是否按下，并且需要做消抖处理。若主循环中某个函数任务占用时间较长，则按键会有不同程度的“失灵”。

第二种，优点是能够在有限的GPIO情况下，扩展尽可能多的按键。但缺点同上，需要不停检测按键是否按下。

第三种方式是效率最高，不需要循环检测按键是否按下，但是缺点是，需要单片机有足够的外部中断接口以供使用。

第四种的优点是，只需要单片机的一个ADC接口，一根线，就能对多个按键进行识别，缺点是按键一旦内部接触不良，则可能按键串位，且按键产生的抖动，会造成一定的识别错误。

在以上的三种常见按键设计的基础上，现在分享我学习和工作中总结的按键方案。

改进一：在原方案一的基础上，加上与门电路，使得任何一个按键按下，都能产生中断，然后在中断里面识别是哪个按键被按下。因此不需要循环扫描，大大提高了效率。方案如图1.5所示。只需要每个按键对应地增加一个二极管，利用二极管的线与特性，可以实现按下任何按键，都能产生中断信号，但是按键之间互不影响。二极管选用普通整流二极管即可，本人亲测可行。

改进二：在原有的ADC按键的基础上，也可用增加二极管的方式，实现按键中断，并在中断服务程序里进行AD转换，从而识别按键。电路如图1.6所示。

改进三：因为按键不可避免的有抖动，因此按键消抖可以通过硬件消痘和软件消抖。现在分享一个十分简单且有效的硬件消痘方法：给按键并联一个104左右的电容。软件上基本不用处理即可避免抖动。

改进四：在按键扫描检测的方案下，如果主循环中有某个函数占用时间较长，则按键会发生或长或短的“失灵”，现分享我的一个解决方案。将按键扫描放到定时器中断里面，这样就可周期性地检测按键按下情况，不受主循环的影响。

并且，能解析出按键的不同状态，即按下、按住、弹起、为按下这四种状态，用以实现更丰富的功能。

但需注意两点：一是定时器的定时时间，不可过长也不可过短，过长容易检测不到按下，过短会占用大量时间资源。二是中断服务程序需简单明了，只做检测用，通过全局变量传递，在主循环内完成按键响应，中断服务函数内尽量不要占用太多时间。

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