按键硬件设计的四种方案
mouser 2021-11-18

在单片机系统里,按键是常见的输入设备。本文将介绍四种按键硬件设计上的方案和一些软件设计方面的技巧。

一、直接检测GPIO口单个按键,如图1所示。

“图1:方案一”图1:方案一

二、在按键较多的情况下,则使用矩阵键盘,如图2所示。

“图2:方案二”图2:方案二

三、将按键接到外部中断引脚上,利用按键按下产生的边沿信号进行按键检测,如图3所示。

“”图3:方案三

四、利用单片机的数字转换器(ADC - Analog-to-digital converter),设定按键按下前后经过ADC接口电压的不同,根据电压的差別来识别按键,如图4所示。

“图4:方案四”图4:方案四

以上四种设计分別各有优点和不足。

第一种设计是最简单、最基础的做法,对于单片机初学者很容易理解和使用,但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”。

第二种设计的优点是能够在GPIO数量有限的情况下,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。

第三种设计的效率最高,不需要循环检测按键是否按下,但缺点是需要单片机有足够的外部中断接口供使用。

第四种设计的优点是只需要单片机有一个ADC接口、一根线,就能对多个按键进行识别,缺点是按键内部一旦接触不良,则可能导致按键串位,并且按键产生的抖动有可能会造成识别错误。

在以上常见按键设计的基础上,分享一下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。这改动令电路不需要循环扫描,大大提高了效率。方案如图5所示。只需要在每个按键对应地增加一个二极管,利用二极管的线与特性,就可以实现按下任何按键都能产生中断信号,同時按键之间互不影响。二极管选用普通整流二极管即可,经过测试,可靠可行。

“图5:改进一”图5:改进一

改进二:在原有ADC按键的基础上,也可以增加二极管的方式,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6所示。

“图6:改进二”图6:改进二

改进三:按键时难免会作成抖动,因此必需按键消抖。消抖也可以通过硬件消抖和软件消抖,这里分享一个十分简单且有效的硬件消抖方法:给按键并联一个104左右的电容,这样软件上基本不用处理即可消除抖动。

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,按键或会发生长短不一的“失灵”。对此可以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的情况,在不受主循环的影响下解析出按键的不同状态。(按下、按住、弹起和未按下)

如果都設置了以上的改进,仍要注意以下两点:

一、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、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,尽量不要在中断服务函数内占用太多时间。 

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