獨立按鍵的四大要素（自鎖，消抖，非阻塞，清零式濾波）

鴻哥是我的一位單片機學(xué)習(xí)的啟蒙老師，在此分享來自于他的一篇文章。

【92.1   獨立按鍵的硬件電路簡介。】

                上圖92.1.1  獨立按鍵電路

    按鍵有兩種驅(qū)動方式，一種是獨立按鍵，一種是矩陣按鍵。1個獨立按鍵要占用1個IO口，IO口不能共用。而矩陣按鍵的IO口是分時片選復(fù)用的，用少量的IO口就可以驅(qū)動翻倍級別的按鍵數(shù)量。比如，用8個IO口只能驅(qū)動8個獨立按鍵，但是卻可以驅(qū)動16個矩陣按鍵（4x4）。因此，按鍵少的時候就用獨立按鍵，按鍵多的時候就用矩陣按鍵。這兩種按鍵的驅(qū)動本質(zhì)是一樣的，都是靠識別輸入信號的下降沿（或上升沿）來識別按鍵的觸發(fā)。
     獨立按鍵的硬件原理基礎(chǔ)，如上圖，P2.2這個IO口，在按鍵K1沒有被按下的時候，P2.2口因為單片機內(nèi)部自帶上拉電阻把電平拉高，此時P2.2口是高電平的輸入狀態(tài)。當(dāng)按鍵K1被按下的時候，按鍵K1左右像一根導(dǎo)線連接到電源的負極（GND），直接把原來P2.2口的電平拉低，此時P2.2口變成了低電平的輸入狀態(tài)。編寫按鍵驅(qū)動程序，就是要識別這個電平從高到低的過程，這個過程也叫下降沿。多說一句，51單片機的P1,P2,P3口是內(nèi)部自帶上拉電阻的，而P0口是內(nèi)部沒有上拉電阻的，需要外接上拉電阻。除此之外，很多單片機內(nèi)部其實都沒有上拉電阻的，因此，建議大家在做獨立按鍵電路的時候，養(yǎng)成一個習(xí)慣，凡是按鍵輸入狀態(tài)都外接上拉電阻。
     識別按鍵的下降沿觸發(fā)有四大要素：自鎖，消抖，非阻塞，清零式濾波。
“自鎖”，按鍵一旦進入到低電平，就要“自鎖”起來，避免不斷觸發(fā)按鍵，只有當(dāng)按鍵被松開變成高電平的時候，才及時“解鎖”為下一次觸發(fā)做準備。
“消抖”，按鍵是一個機械觸點器件，在接觸的瞬間必然存在微觀上的機械抖動，反饋到電平的瞬間就是“高，低，高，低...”這種不穩(wěn)定的電平狀態(tài)是一種干擾，但是，按鍵一旦按下去穩(wěn)定了之后，這種狀態(tài)就消失，電平就一直保持穩(wěn)定的低電平。消抖的本質(zhì)就是濾波，要把這種接觸的瞬間抖動過濾掉，避免按鍵的“一按多觸發(fā)”。
“非阻塞”，在處理消抖的時候，必須用到延時，如果此時用阻塞的delay延時就會影響其它任務(wù)的運行效率，因此，用非阻塞的定時延時更加有優(yōu)越性。
“清零式濾波”，在消抖的時候，有兩種境界，第一種境界是判斷兩次電平的狀態(tài)，中間插入“固定的時間”延時，這種方法前后一共判斷了兩次，第一次是識別到低電平就進入延時的狀態(tài)，第二次是延時后再確認一次是否繼續(xù)是低電平的狀態(tài)，這種方法的不足是，“固定的時間”全憑經(jīng)驗值，但是不同的按鍵它們的抖動時間長度是不同的，除此之外，前后才判斷了兩次，在軟件的抗干擾能力上也弱了很多，“密碼等級”不夠高。第二種境界就是“清零式濾波”，“清零式濾波”非常巧妙，抗擾能力超強，它能自動過濾不同按鍵的“抖動時間”，然后再進入一個“穩(wěn)定時間”的“N次識別判斷”，更加巧妙的是，在“抖動時間”和“穩(wěn)定時間”兩者時間內(nèi)，只要發(fā)現(xiàn)一次是高電平的干擾，就馬上自動清零計時器，重新開始計時?！胺€(wěn)定時間”一般取20ms到30ms之間，而“抖動時間”是隱藏的，在代碼上并沒有直接描寫出來，但是卻無形地融入了代碼之中，只有慢慢體會才能發(fā)現(xiàn)它的存在。
     具體的代碼如下，實現(xiàn)的功能是按一次K1或者K2按鍵，就觸發(fā)一次蜂鳴器鳴叫。

 1#include "REG52.H"   2  3#define KEY_VOICE_TIME   50 //按鍵觸發(fā)后發(fā)出的聲音長度   4#define KEY_FILTER_TIME  25 //按鍵濾波的“穩(wěn)定時間”25ms  5  6void T0_time();  7void SystemInitial(void) ;  8void Delay(unsigned long u32DelayTime) ;  9void PeripheralInitial(void) ;  10  11void BeepOpen(void);  12void BeepClose(void);  13void VoiceScan(void);  14void KeyScan(void); //按鍵識別的驅(qū)動函數(shù)，放在定時中斷里  15void KeyTask(void); //按鍵任務(wù)函數(shù)，放在主函數(shù)內(nèi)  16  17sbit P3_4=P3^4;  18sbit KEY_INPUT1=P2^2; //K1按鍵識別的輸入口。  19sbit KEY_INPUT2=P2^1; //K2按鍵識別的輸入口。  20  21volatile unsigned char vGu8BeepTimerFlag=0;  22volatile unsigned int vGu16BeepTimerCnt=0;  23  24volatile unsigned char vGu8KeySec=0; //按鍵的觸發(fā)序號，全局變量意味著是其它函數(shù)的接口。  25  26void main()  27{  28SystemInitial();  29Delay(10000);  30PeripheralInitial();  31 while(1)  32{  33 KeyTask(); //按鍵任務(wù)函數(shù)  34 }  35}  36  37void T0_time() interrupt 1  38{  39VoiceScan();  40KeyScan(); //按鍵識別的驅(qū)動函數(shù)  41  42TH0=0xfc;  43TL0=0x66;  44}  45  46  47void SystemInitial(void)  48{  49TMOD=0x01;  50TH0=0xfc;  51TL0=0x66;  52EA=1;  53ET0=1;  54TR0=1;  55}  56  57void Delay(unsigned long u32DelayTime)  58{  59 for(;u32DelayTime>0;u32DelayTime--);  60}  61  62void PeripheralInitial(void)  63{  64  65}  66  67void BeepOpen(void)  68{  69P3_4=0;  70}  71  72void BeepClose(void)  73{  74P3_4=1;  75}  76  77void VoiceScan(void)  78{  79  80 static unsigned char Su8Lock=0;  81  82if(1==vGu8BeepTimerFlag&&vGu16BeepTimerCnt>0)  83 {  84 if(0==Su8Lock)  85 {  86 Su8Lock=1;  87BeepOpen();  88 }  89 else  90{  91  92 vGu16BeepTimerCnt--;  93  94 if(0==vGu16BeepTimerCnt)  95 {  96 Su8Lock=0;  97BeepClose();  98 }  99 100} 101 } 102} 103 104/* 注釋一： 105* 獨立按鍵掃描的詳細過程，以按鍵K1為例，如下： 106* 第一步：平時沒有按鍵被觸發(fā)時，按鍵的自鎖標(biāo)志,去抖動延時計數(shù)器一直被清零。 107* 第二步：一旦有按鍵被按下，去抖動延時計數(shù)器開始在定時中斷函數(shù)里累加，在還沒累加到 108*         閥值KEY_FILTER_TIME時，如果在這期間由于受外界干擾或者按鍵抖動，而使 109*         IO口突然瞬間觸發(fā)成高電平，這個時候馬上把延時計數(shù)器Su16KeyCnt1清零了,這個過程 110*         非常巧妙，非常有效地去除瞬間的雜波干擾。以后凡是用到開關(guān)感應(yīng)器的時候， 111*         都可以用類似這樣的方法去干擾。 112* 第三步：如果按鍵按下的時間達到閥值KEY_FILTER_TIME時，則觸發(fā)按鍵，把編號vGu8KeySec賦值。 113*         同時，馬上把自鎖標(biāo)志Su8KeyLock1置1，防止按住按鍵不松手后一直觸發(fā)。 114* 第四步：等按鍵松開后，自鎖標(biāo)志Su8KeyLock1及時清零（解鎖），為下一次自鎖做準備。 115* 第五步：以上整個過程，就是識別按鍵IO口下降沿觸發(fā)的過程。 116*/ 117void KeyScan(void) //此函數(shù)放在定時中斷里每1ms掃描一次 118{ 119 static unsigned char Su8KeyLock1; //1號按鍵的自鎖 120 static unsigned int Su16KeyCnt1; //1號按鍵的計時器 121 static unsigned char Su8KeyLock2; //2號按鍵的自鎖 122 static unsigned int Su16KeyCnt2; //2號按鍵的計時器 123 124 //1號按鍵 125 if(0!=KEY_INPUT1)//IO是高電平，說明按鍵沒有被按下，這時要及時清零一些標(biāo)志位 126 { 127 Su8KeyLock1=0; //按鍵解鎖 128 Su16KeyCnt1=0; //按鍵去抖動延時計數(shù)器清零，此行非常巧妙，是全場的亮點。  129 } 130 else if(0==Su8KeyLock1)//有按鍵按下，且是第一次被按下。這行很多初學(xué)者有疑問，請看專題分析。 131 { 132 Su16KeyCnt1++; //累加定時中斷次數(shù) 133 if(Su16KeyCnt1>=KEY_FILTER_TIME) //濾波的“穩(wěn)定時間”KEY_FILTER_TIME，長度是25ms。 134 { 135 Su8KeyLock1=1; //按鍵的自鎖,避免一直觸發(fā) 136 vGu8KeySec=1; //觸發(fā)1號鍵 137 } 138 } 139 140 //2號按鍵 141 if(0!=KEY_INPUT2) 142 { 143 Su8KeyLock2=0; 144 Su16KeyCnt2=0; 145 } 146 else if(0==Su8KeyLock2) 147 { 148 Su16KeyCnt2++; 149 if(Su16KeyCnt2>=KEY_FILTER_TIME) 150 { 151 Su8KeyLock2=1; 152 vGu8KeySec=2; //觸發(fā)2號鍵 153 } 154 } 155 156 157} 158 159void KeyTask(void) //按鍵任務(wù)函數(shù)，放在主函數(shù)內(nèi) 160{ 161if(0==vGu8KeySec) 162{ 163return; //按鍵的觸發(fā)序號是0意味著無按鍵觸發(fā)，直接退出當(dāng)前函數(shù)，不執(zhí)行此函數(shù)下面的代碼 164} 165 166switch(vGu8KeySec) //根據(jù)不同的按鍵觸發(fā)序號執(zhí)行對應(yīng)的代碼 167{ 168 case 1: //1號按鍵 169 170 vGu8BeepTimerFlag=0; 171vGu16BeepTimerCnt=KEY_VOICE_TIME; //觸發(fā)按鍵后，發(fā)出固定長度的聲音 172 vGu8BeepTimerFlag=1; 173vGu8KeySec=0; //響應(yīng)按鍵服務(wù)處理程序后，按鍵編號必須清零，避免一致觸發(fā) 174break; 175 176 case 2: //2號按鍵 177 178 vGu8BeepTimerFlag=0; 179vGu16BeepTimerCnt=KEY_VOICE_TIME; //觸發(fā)按鍵后，發(fā)出固定長度的聲音 180 vGu8BeepTimerFlag=1; 181vGu8KeySec=0; //響應(yīng)按鍵服務(wù)處理程序后，按鍵編號必須清零，避免一致觸發(fā) 182break; 183 184} 185}

【92.2   專題分析：else if(0==Su8KeyLock1)?！?/span>

疑問：

 1if(0!=KEY_INPUT1)  2 {  3 Su8KeyLock1=0;  4 Su16KeyCnt1=0;  5 }  6 else if(0==Su8KeyLock1)//有按鍵按下，且是第一次被按下。為什么？為什么？為什么？  7 {  8 Su16KeyCnt1++;  9 if(Su16KeyCnt1>KEY_FILTER_TIME) 10 { 11 Su8KeyLock1=1; 12 vGu8KeySec=1; 13 } 14 }

 解答：
       首先，我們要明白C語言的語法中，

1if(條件1) 2{ 3 4} 5else if(條件2) 6{ 7 8}

以上語句是一對組合語句，不能分開來看。當(dāng)（條件1）成立的時候，它是絕對不會判斷（條件2）的。當(dāng)（條件1）不成立的時候，才會判斷（條件2）。
       回到剛才的問題，當(dāng)程序執(zhí)行到（條件2） else if(0==Su8KeyLock1)的時候，就已經(jīng)默認了（條件1） if(0!=KEY_INPUT1)不成立，這個條件不成立，就意味著0==KEY_INPUT1，也就是有按鍵被按下，因此，這里的else if(0==Su8KeyLock1)等效于else if(0==Su8KeyLock1&&0==KEY_INPUT1)，而Su8KeyLock1是一個自鎖標(biāo)志位，一旦按鍵被觸發(fā)后，這個標(biāo)志位會變1，防止按鍵按住不松手的時候不斷觸發(fā)按鍵。這樣，按鍵只能按一次觸發(fā)一次，松開手后再按一次，又觸發(fā)一次。
【92.3   專題分析：if(0!=KEY_INPUT1)?！?/span>
       疑問：為什么不用if(1==KEY_INPUT1)而用if(0!=KEY_INPUT1)？
       解答：其實兩者在功能上是完全等效的，在這里都可以用。之所以本教程優(yōu)先選用后者if(0!=KEY_INPUT1)，是因為考慮到了代碼在不同單片機平臺上的可移植性和兼容性。很多32位的單片機提供的是庫函數(shù)，庫函數(shù)返回的按鍵狀態(tài)是一個字節(jié)變量來表示，當(dāng)被按下的時候是0，但是，當(dāng)沒有按下的時候并不一定等于1，而是一個“非0”的數(shù)值。
【92.4   專題分析：把KeyScan函數(shù)放在定時器中斷里?！?/span>
       疑問：為什么把KeyScan函數(shù)放在定時器中斷里？
       解答：中斷函數(shù)里放的函數(shù)或者代碼越少越好，但是KeyScan函數(shù)是特殊的函數(shù)，是涉及到IO口輸入信號的濾波，濾波就涉及到時間的及時性與均勻性，放在定時中斷函數(shù)里更加能保證時間的一致性。比如，蜂鳴器驅(qū)動，動態(tài)數(shù)碼管驅(qū)動，按鍵掃描驅(qū)動，我個人都習(xí)慣放在定時中斷函數(shù)里。
【92.5   專題分析：if(0==vGu8KeySec)return。】
       疑問：if(0==vGu8KeySec)return是不是多此一舉？
       解答：在KeyTask函數(shù)這里，if(0==vGu8KeySec)return這行代碼刪掉，對程序功能是沒有影響的，這里之所以多插入這行判斷語句，是因為，當(dāng)按鍵多達幾十個的時候，避免主函數(shù)每次進入KeyTask函數(shù)，都挨個掃描判斷switch的狀態(tài)進行多次判斷，如果增加了這行if(0==vGu8KeySec)return代碼，就可以直接退出省事，在理論上感覺更加運行高效。其實，不同單片機不同的C編譯器可能對switch語句的翻譯不一樣，因此，這里的是不是更加高效我不敢保證。但是可以保證的是，加了這行代碼也沒有其它副作用。

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