CW32數(shù)字電壓電流表軟件教程（二）：按鍵檢測的控制原理解析

3.1.獨立按鍵基礎(chǔ)知識

3.1.1.獨立按鍵結(jié)構(gòu)組成

獨立按鍵實際上是一個非自鎖的輕觸開關(guān)，有左右兩個觸點，當(dāng)按下時左右兩個觸點閉合，當(dāng)松開時左右兩個觸點斷開。

3.1.2.獨立按鍵控制原理

想要使用外部的按鍵控制單片機有兩種比較常見的方法：IO掃描和外部中斷。

對于IO掃描的方式而言，需要單片機以比較高的頻率去不間斷地判斷IO口的輸入電平，隨后根據(jù)IO電平來執(zhí)行后續(xù)的邏輯。外部中斷的方式會在章節(jié)十二中進(jìn)行詳細(xì)介紹，本章著重介紹IO掃描的控制方式。（單片機通過檢測按鍵按下前后的高低電平變化，來判斷按鍵是否按下。通過程序的控制，就可以實現(xiàn)不同的功能與設(shè)置。機械式按鍵在按下或者釋放時，由于機械彈性作用的影響，通常伴隨有一定時間的觸點機械抖動，然后其觸點才穩(wěn)定下來。抖動時間長短與開關(guān)的機械特性有關(guān)，一般為5-10ms。在觸點抖動期間檢測按鍵的按下與否，可能會導(dǎo)致判斷錯誤，為了克服機械抖動所產(chǎn)生的影響，必須采取消抖措施，可分為硬件消抖和軟件消抖。）

3.1.3.按鍵亞穩(wěn)態(tài)與按鍵消抖

對于一個IO而言，在將其配置為輸入模式之后，該引腳上的電平受外部電路影響，基本可以分為三種狀態(tài)：高電平、低電平、浮空。高低電平很好理解，這里說明浮空的意義，浮空就是不對該IO進(jìn)行任何電氣屬性的連接，此時該IO上的電平是未知的（雖然從直觀感受上來看此時IO電壓應(yīng)該是0，但是空氣中會有噪聲，電路板上也會有噪聲，某些電磁干擾也會充當(dāng)噪聲，所以浮空輸入的IO電壓實際上是未知的）。

典型的浮空輸入型IO電路如圖3-1所示：

圖3-1 浮空輸入IO電路

當(dāng)開關(guān)閉合，IO電壓等于VCC電壓，當(dāng)開關(guān)斷開，IO電壓未知，此時IO電壓可能會受到不明來源的干擾，如果使用該電路作為IO掃描的電路方案，抗干擾能力會不好，容易造成誤觸發(fā)，故此應(yīng)用場景下不考慮使用該電路。

和浮空輸入相比，比較好的辦法是使用上拉電阻或下拉電阻將IO的電壓固定下來，帶上拉電阻或下拉電阻電路如圖3-2所示：

圖3-2 上拉電阻（左） 和 下拉電阻（右）電路

上拉電阻可以將IO電壓固定在VCC電壓，當(dāng)開關(guān)閉合時，IO接地使其電壓變?yōu)镚ND電壓；下拉電阻可以將IO電壓固定在GND電壓，當(dāng)開關(guān)閉合時，IO電壓其實就是電阻R2的電壓，此時R2的電壓就是VCC。使用上拉/下拉電阻可以很好地提高IO掃描的抗干擾性能，一般情況這兩個電路不會有很大區(qū)別，挑一個你喜歡的用就好。

按鍵通過金屬導(dǎo)體的相互接觸來控制電信號，由于機械特性，這種接觸實際上并不可靠，手指按下按鍵不代表按鍵真的閉合且保持穩(wěn)定，這種情況就是按鍵抖動，抖動過程中按鍵控制的信號處于亞穩(wěn)態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)的信號不可靠，不能將其作為IO掃描的最終結(jié)果，為了獲取正確的按鍵狀態(tài)，我們需要對按鍵進(jìn)行消抖處理，按鍵消抖大概可以分為兩種方式：

硬件消抖：硬件消抖一般會在按鍵兩端并聯(lián)電容，通過電容的充放電作用將按鍵按下時的高頻振蕩吸收掉，當(dāng)開關(guān)處于亞穩(wěn)態(tài)時，IO電壓不規(guī)則變化，電容會吸收這些不穩(wěn)定電壓進(jìn)行充電，這對IO電壓有平緩的效果，以此達(dá)到消抖的目的，硬件消抖電路如圖3-3所示。

圖3-3 硬件消抖電路

簡單的軟件消抖：極為簡單的軟件消抖一般是通過延時的辦法來跳過亞穩(wěn)態(tài)階段，當(dāng)檢測到按鍵按下時，不會立即去檢測電平，而是經(jīng)過短暫的延時之后，再去檢測當(dāng)前引腳的電平，這能在一定程度上消除亞穩(wěn)態(tài)帶來的影響，但需要對按鍵按下和抬起都進(jìn)行延時判斷才能更為有效。

更好的軟件消抖：在監(jiān)測到IO電平發(fā)生變化后的一小段時間內(nèi)快速采集IO的電平狀態(tài)，如果這一小段時間內(nèi)IO電平全都屬于有效電平，則認(rèn)為按鍵已按下（這種利用數(shù)學(xué)進(jìn)行消抖的方式達(dá)到了對數(shù)字信號的篩選作用，所以他也是一種簡易濾波器）。

在條件允許的情況下，硬件消抖的效果會更好，如果PCB沒有多余的空間留給這個消抖電容，使用軟件消抖同樣是一個不錯的方案。

3.2.獨立按鍵原理圖

CW32F003核心板上一共有兩個按鍵，一個復(fù)位和一個用戶按鍵，復(fù)位作為單片機的特殊功能，不可以作為按鍵使用，故只有用戶按鍵可以作為按鍵使用。 CW32F003核心板關(guān)于獨立按鍵的原理圖如圖3-4所示。

圖3-4 CW32F003按鍵電路

3.3.獨立按鍵驅(qū)動流程

通過上面的原理圖可以了解到，按鍵的一端接到了地，另一端接到單片機的PB2引腳上。通過檢測PB2引腳的電平狀態(tài)，判斷按鍵是否按下。當(dāng)按鍵松開的時候，PB2檢測到的電平為高電平，當(dāng)按鍵按下的時候，PB2檢測到的電平為低電平。

外部電路不含上下拉電阻，對IO而言是浮空輸入，因此需要使用單片機內(nèi)部的上下拉電阻；電路不含消抖電容，故編程上需要對按鍵進(jìn)行軟件消抖。

3.4.按鍵控制LED燈亮滅

3.4.1.配置流程

一般我們使用GPIO的輸入功能，都需要有以下幾個步驟。

開啟GPIO的端口時鐘

配置GPIO的模式

配置GPIO的輸入

編寫消抖函數(shù)

從開發(fā)板原理圖了解到按鍵接的是單片機的PB2。我們要使能按鍵就需要配置GPIOB端口。下面我們就以按鍵連接的PB2進(jìn)行介紹。

3.4.1.1.開啟GPIO的端口初始化

由于時鐘的配置在之前的章節(jié)已有說明，故不再贅述，我們直接對端口進(jìn)行初始化。初始化的代碼與上文GPIO輸出的配置略有不同，完整代碼如下：

void Gpio_Init(void)
{
  __RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();//打開GPIOC的時鐘，PC0控制LED亮滅
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  GPIO_InitStruct.Pins = GPIO_PIN_0;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.IT = GPIO_IT_NONE;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_HIGH;
  GPIO_Init(CW_GPIOC, &GPIO_InitStruct);
        
  __RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();//打開GPIOB的時鐘，PB2控制按鍵輸入
  GPIO_InitStruct.Pins = GPIO_PIN_2;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT_PULLUP;  //沒有輸入時PB2默認(rèn)為高電平
  GPIO_InitStruct.IT = GPIO_IT_NONE;
  GPIO_Init(CW_GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}

3.4.1.2.編寫消抖函數(shù)

本次實驗采用軟件消抖，消抖函數(shù)的編寫思路為：設(shè)置按鍵檢測標(biāo)志位（Flag_Key），當(dāng)單片機檢測到按鍵按下，即PB2為低電平時，將標(biāo)志位置1；在后續(xù)的條件判斷中如果標(biāo)志位為1，則檢測按鍵是否松開，若已松開則完成本次判斷，認(rèn)為按鍵已經(jīng)按下過一次。這種方式可以不用延時判斷，節(jié)約軟件資源。

完整的按鍵檢測程序如下：

uint8_t Flag_Key;         //按鍵標(biāo)志位
extern uint8_t Flag_LED;         //LED顯示標(biāo)志位
void Key_Scan(void)
{
  if(GPIO_ReadPin(CW_GPIOB,GPIO_PIN_2) == GPIO_Pin_RESET)  //檢測PB2是否為低電平
    {
          Flag_Key = 1;
    }
  if(Flag_Key)     //接著判斷標(biāo)志位
    {
      if(GPIO_ReadPin(CW_GPIOB,GPIO_PIN_2) == GPIO_Pin_SET)    //如果按鍵已經(jīng)松開
        {
          Flag_Key = 0;   //清零標(biāo)志位，等待下一次按鍵檢測
          if(Flag_LED == 0) Flag_LED = 1; //按鍵按下該變LED顯示標(biāo)志位的值，由顯示標(biāo)志位控制LED   
          else Flag_LED = 0;
        }
    }
}

3.4.1.3.LED顯示函數(shù)

在按鍵按下更改LED顯示標(biāo)志位后，需要根據(jù)顯示標(biāo)志位的值來控制LED燈的亮滅。

uint8_t Flag_LED;       


void LED_Init(void)
{
  GPIO_WritePin(CW_GPIOC,GPIO_PIN_0,GPIO_Pin_SET);  //初始化讓LED燈處于熄滅狀態(tài)
}
void LED_Lighting(void)
{
  if(Flag_LED == 1)
    {
      GPIO_WritePin(CW_GPIOC,GPIO_PIN_0,GPIO_Pin_RESET);        //亮
    }
  else 
    {
      GPIO_WritePin(CW_GPIOC,GPIO_PIN_0,GPIO_Pin_SET);       //滅
    }
}

最終主函數(shù)里只需要運行相應(yīng)的初始化函數(shù)和上面的函數(shù)：

int main()
{
  RCC_Configuration();
  Gpio_Init();
  LED_Init();
   
  while(1)
   {

審核編輯：劉清