任务3.3独立按键的实现课案

任务3.3 独立按键

3.3.1 任务介绍

在数字钟中有四个独立按键，功能分别是调整、加、减、确定，用以调整系统的时间。在单片机系统中，键盘是基本和常用的接口，它是构成人机对话通话的一种常用方式，实现向单片机系统输入数据、传送命令等功能，是人工干预、设置和控制系统运行的主要手段。

本节的任务要求：

利用开发板上的四个按键，配合任务3.2数码管显示程序，实现数字钟的调时，为了简化程序，用3个LED的亮灭来代替对应数码管的闪烁（数码管的闪烁在这里有些难）。正常走时，3个LED都不点亮，当按下“调整”键时，“小时”对应的LED点亮，再次按下“调整”键，则“分”对应的LED点亮，然后再按下“调整”键，则“秒”对应的LED点亮，依次循环，直到按下“确定”键，三个LED返回到不点亮的状态。当按下“调整”键后，按下“加”或者“键”按键，则对应的数码管的显示值每次加1或者减1。

3.3.2 知识准备

1、轻触按键的认识

键盘分为编程键盘和非编程键盘。键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器来实现的为编程键盘，如计算机键盘；闭合键的识别由软件来实现的为非编程键盘,轻触按键属于非编程键盘。轻触按键具有结构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统中。图3.3.1所示的是市面常见的轻触按键，从封装来区分，有贴片的，也有直插的；从引脚的数量来区分，有2个引脚的，也有4个引脚的。开发板上使用的按键时4引脚直插按键，尺寸为6×6×5，如图3.3.2所示。

图3.3.3 各种形状的按键图3.3.2 开发板使用的按键

2、按键的硬件电路和识别方法

图3.3.3是轻触按键的内部结构图，按键的4个引脚两两连通（可以用万用表测量），不连通的引脚，当按键被按下时，在金属弹片和反作用弹簧的作用下也会连通，当按键释放后，弹簧不起作用，引脚不连通。

图3.3.3 轻触按键内部结构图3.3.4 轻触按键的接口电路

图3.3.4是轻触按键的单片机接口电路，按键一端接地，另外一端接I/O口，同时通过上拉电阻接电源（上拉电阻大小5K～10K）。简单分析一下按键检测的原理：当按键没有按下的时候，单片机I/O通过上拉电阻R接到VCC，我们在程序中读取该I/O的电平的时候，其值为1(高电平); 当按键按下的时候，该I/O被短接到GND，在程序中读取该I/O的电平的时候，其值为0(低电平) 。这样，按键的按下与否，就和与该按键相连的I/O的电平的变化相对应起来。结论：我们在程序中通过检测到该I/O口电平的变化与否，即可以知道按键是否被按下，从而做出相应的响应。

3、检测按键按下

按键的检测原理看起来比较简单，我们按照上述的原理先试着写一段任务中的程序看看运行效果怎么样。程序实现的内容为：百位数内的计数器，，按键每按下一次，计数器加1，将计数器的值显示在开发板的两位数码管上。程序如下：

#incldue

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit KeyInput=P1^0; //按键接口

//段码

uchar code Seg7Code[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; uchar code Seg7Posit[]={0xfe,0xfd}; //位码

uchar DispBuffer[2]; //缓冲区

//void DelayMs(uint xms ) ms级延时函数，省略

//void Seg7Display() 2位数码管显示函数，省略

void main(void)

{

uchar DispCnt=0; //按键加1计数器

while(1)

{

Seg7Display(); //动态扫描

if(KeyInput==0) //检测到按键按下

{

DispBuffer[0]=DispCnt/10;

DispBuffer[1]=DispCnt%10; //计数值的个位和十位的分解

if(++DispCnt>=100) //每按一次，计数器加1,超过99，归0

DispCnt=0;

}

}

}

程序编译好后烧录到单片机中，看一下运行效果。上电后，数码管显示“00”，按一下按键，数码管向上加数，但是每按一下，向上加好几个数，如果按键不弹起，会连续加1，程序中没有实现我们想要的按一下加1的效果。

我们回到刚才编写的程序中，在大循环while(1)中，不停的监测按键是否按下，如果按下则加1，逻辑是正确的。按键按下到按键释放大约需要0.2秒到0.5秒，而程序扫描的速度非常快，按键每按下一次，程序中已经扫描多次了，所以才会出现上述的现象。怎样才能实现按键每按一次加1的效果呢？

4、等待按键释放

我们在之前按键检测程序上结尾加这样一条语句：While(!key_value); 编译后烧录到单片机中，就可以实现按一次按键加1的效果了。

if(KeyInput==0) //检测到按键按下

{

DispBuffer[0]=DispCnt/10;

DispBuffer[1]=DispCnt%10;

if(++DispCnt>=100) //每按一次，计数器加1,超过99，归零

DispCnt=0;

While(!KeyInput); //如果按键没有弹起，程序指针就会停在这里， } //直到按键释放

While(!key_value); 这个语句是怎么消除了按一下加多个数的问题呢？程序中初次检测到了按键按下，则执行数值分解语句和加1语句，最后执行While(!key_value);按键按下后，key_value的值为0，取反后，为1，则while语句的条件为真，程序指针会停在这里，不停的检测按键是否释放，按键释放后，key_value的值变为1，取反后变为0，条件为假，程序指针向下执行。这样实现了按下一次加1的效果了。

如果不停的按下按键，我们会发现，大多数按下的时候会加1，但有的时候还是会出现按一下加几个数的现象，这又是什么原因造成的呢？

5、按键消抖动

按键的开关为机械弹性触点开关，它是利用机械点接触和分离实现电路的通断。由于机械点的弹性作用，加上人们按键时的力度、方向的不同以，按键开关从按下到接触稳定要经过数毫秒的弹跳抖动，即在按下的几十毫秒里会连续产生多个脉冲。释放按键时，电路也不会一下断开，同样会产生抖动。这两次抖动的时间分别为10-20ms左右，而按键的稳定闭合通常大于0.3-0.5秒。因此，为了确保MCU对一次按键动作只确认一次，按键闭合时，必须要进行消抖处理。否则由于MCU执行的速度较快，会将抖动的多个脉冲误认为为多次的按键。图3.3.5是按键按下抖动示意图。

图3.3.5 按键按下抖动示意图

按键的消抖动既可以采用硬件方法，也可以采用软件的方法。使用硬件消抖的方式，需要在按键连接的硬件设计上增加硬件消抖电路，如RS触发器或者RC积分电路等。采用硬件消抖方式增加了系统的成本，而利用软件方式消抖则是比较经济的做法，但增加了软件设计的复杂性。

软件方式消抖的基本原理是在软件中对按键进行两次确认，既在第一次检测到按键按下后，间隔10ms左右再次检测该按键是否按下，只有两次都检测到按键按下时才最终确认有键

按下，从而跳过了按键的抖动，消除了抖动的影响。程序如下：

if(KeyInput==0) //检测到按键按下

{

DelayMs(10); //延时消抖

if(KeyInput==0) //再次检测按键是否按下

{

DispBuffer[0]=DispCnt/10;

DispBuffer[1]=DispCnt%10;

if(++DispCnt>=100) //每按一次，计数器加1,超过

DispCnt=0;

while(!KeyInput); //等待按键释放

}

}

}

检测按键按下，10ms消抖，等待按键弹起，称之为按键检测三部曲，但本节教程的程序仅能作为功能演示用，在实际项目中有很大的弊端，第4单元任务1给出了按键高效扫描方法。

3.3.2 任务实施

本节的任务实现程序如下：

include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

//按键接口

sbit KeyInput1=P2^0; //“调整”键

sbit KeyInput2=P2^1; //“增减”键

sbit KeyInput3=P2^2; //“减少”键

sbit KeyInput4=P2^3; //“确定”键

//状态灯

sbit LedHour=P3^0;

sbit LedMinute=P3^1;

sbit LedSecond=P3^2;

//段码

uchar code Seg7Code[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; uchar code Seg7Posit[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf};//位码

uchar DispBuffer[6]; //缓冲区

//ms级延时函数

void DelayMs(uint xms)

{

uint i,j;

for(i=0;i

for(j=0;j<122;j++);

}

//6位数码管显示子函数，在第二位和第四位上显示小数点

void Seg7Display()

{

uchar i;

for(i=0;i<6;i++)

{

P1=0xff; //消隐

P0=Seg_7[DispBuffer[i]]; //送段码

if((i==1)||(i==3)) P0&=~0x80; //在第二位和第四位数码管上加小数点

P1=Posit[i]; //送位选

DelayMs(1); //延时

}

}

//主函数

void main(void)

{

uchar Cnt; //时间计数器

uchar Hour=9; //“小时”初值

uchar Minute=23; //“分”初值

uchar Second=37; //“秒”初值

uchar KeyValue=0; //按键值

uchar AdjustNum=0; //按下“调整”按键时对应的调整值

LedHour=LedMinute=LedSecond=1; //三个状态灯初始时都不点亮

while(1)

{

KeyValue=GetKeyValue(); //检测按键是否按下，并返回键值

if(KeyValue==0x01) //按下确定键，进入到调整界面

{

if(++AdjustNum>=4) //AdjustNum的取值为1、2、3

AdjustNum=1; //分别对应"小时"、"分"、"秒"

if(AdjustNum==1) //点亮"小时"对应的LED

{

LedHour=0;

LedMinute=LedSecond=1;

}

if(AdjustNum==2) //点亮"分"对应的LED {

LedMinute=0;

LedHour=LedSecond=1;

}

if(AdjustNum==3) //点亮"秒"对应的LED {

LedSecond=0;

LedHour=LedMinute=1;

}

}

if(KeyValue==0x02) //按下“增加”按键

{

if(AdjustNum==1) //小时加1

{

if(++Hour>=24)

Hour=0;

}

if(AdjustNum==2)

{ //分加1

if(++Minute>=60)

Minute=0;

}

if(AdjustNum==3) //秒加1

{

if(++Second>=60)

Second=0;

}

}

if(KeyValue==0x04) //返回正常界面

{

AdjustNum=0; //状态灯熄灭，把AdjustNum赋值为0 LedHour=LedMinute=LedSecond=0;

}

TimeToBuff(Hour,Second,Minute); //把待显示的值送入缓冲区Seg7Display(); //动态扫描，1ms×6=6ms

if(++Cnt>=166) //Cnt计数83次×12=996ms

{

Cnt=0;

if(++Second>=60) //1秒计数60次，为1分钟

{

Second=0;

if(++Minute>=60) //1分钟计数60次，为1小时

{

Minute=0;

if(++Hour>=24) //24小时后清零

Hour=0;

}

}

}

}

}

程序解释如下：

（1）程序中加粗的是有关于本节按键程序的，其余部分是上一节中的内容，在这里我们只解释和按键相关的程序。按键的程序分两部分，一部分是按键检测函数，另外一部分是主程序中的键值处理程序。

（2）按键检测由两个子函数来完成。KeyScan()和GetKeyValue()。KeyScan()函数完成按键状态的扫描，并返回状态值（temp），temp取值为0x01、0x02、0x03、0x04分别对应4个按键的按下，如果没有按键按下，则temp为0xff。

在GetKeyValue()中依照按键检测“三部曲”来取出按键的键值。首先判断KeyScan()函数返回的值是不是0xff，如果不是，则说明有按键按下，经过10ms消抖后，再次执行KeySc an()函数判断有无按键按下，返回值不为0xff，则确定按键按下，返回键值，然后不停的检测KeyScan()返回的值是否为0xff，如果不是，说明按键还没有释放，就一直不停地检测并等待，直到按键释放。

如果没有按键按下，GetKeyValue()返回的键值为初值0x00，如果有按键按下，4个按键返回的键值依次为0x01，0x02，0x03，0x04。获取了按键的键值后，就可以根据编写键值处理函数了。

（3）键值处理函数在主程序中完成，通过调节变量AdustNum的值完成各个按键的任务。

AdustNum初始化为0，如果“调整”键按下去，AdjustNum的值在1、2、3之间转换，如果“确定”键按下去，其值返回到初始状态0，当“增加”或者“减少”按键按下时，首先判断Adj ustNum的值，如果为0，则说明系统不在调整状态，如果不为0，则根据AdustNum的值，分别对“小时”、“分”和“秒”的值加‘1’或减‘1’。另外系统中用3个LED来指示调整状态。系统不在调整状态，则3LED都不良，如果系统处于“小时”的调整状态，则“小时”对应的LED被点亮，对于“分”和“秒”也如此。

总结：本节的任务相对于初学者来说，复杂程度比之前的程序要大一些，但如果认真的琢磨程序的架构和细节，会收获颇多。

（1）按键的程序被分成了三个部分，并没有全部放到主程序中区完成。KeyScan()负责检测哪个按键被按下，属于硬件驱动层；GetKeyValue()负责对被按下的按键一次完整的检测，属于中间层；在主函数中，完成键值的处理函数，属于应用层。这三个部分各司其职，分工明确。如果需要增加按键个数，只需要相应的修改硬件驱动层和应用层就可以了。这种思想称之为“软件分层”，是软件技术的重点之一。

（2）键值处理程序中，用一个变量(AdjustNum)来实现了各个按键之间的关联。初学者可能想到的思路是用多个变量对应按键的状态，当然也可以实现任务，但整个程序不够简洁。