独立按键的四大要素（自锁，消抖，非阻塞，清零式滤波）
鸿哥是我的一位单片机学习的启蒙老师，在此分享来自于他的一篇文章。
【92.1 独立按键的硬件电路简介。】
上图92.1.1 独立按键电路
按键有两种驱动方式，一种是独立按键，一种是矩阵按键。1个独立按键要占用1个IO口，IO口不能共用。而矩阵按键的IO口是分时片选复用的，用少量的IO口就可以驱动翻倍级别的按键数量。比如，用8个IO口只能驱动8个独立按键，但是却可以驱动16个矩阵按键（4x4）。因此，按键少的时候就用独立按键，按键多的时候就用矩阵按键。这两种按键的驱动本质是一样的，都是靠识别输入信号的下降沿（或上升沿）来识别按键的触发。
独立按键的硬件原理基础，如上图，P2.2这个IO口，在按键K1没有被按下的时候，P2.2口因为单片机内部自带上拉电阻把电平拉高，此时P2.2口是高电平的输入状态。当按键K1被按下的时候，按键K1左右像一根导线连接到电源的负极（GND），直接把原来P2.2口的电平拉低，此时P2.2口变成了低电平的输入状态。编写按键驱动程序，就是要识别这个电平从高到低的过程，这个过程也叫下降沿。多说一句，51单片机的P1,P2,P3口是内部自带上拉电阻的，而P0口是内部没有上拉电阻的，需要外接上拉电阻。除此之外，很多单片机内部其实都没有上拉电阻的，因此，建议大家在做独立按键电路的时候，养成一个习惯，凡是按键输入状态都外接上拉电阻。
识别按键的下降沿触发有四大要素：自锁，消抖，非阻塞，清零式滤波。
“自锁”，按键一旦进入到低电平，就要“自锁”起来，避免不断触发按键，只有当按键被松开变成高电平的时候，才及时“解锁”为下一次触发做准备。
“消抖”，按键是一个机械触点器件，在接触的瞬间必然存在微观上的机械抖动，反馈到电平的瞬间就是“高，低，高，低...”这种不稳定的电平状态是一种干扰，但是，按键一旦按下去稳定了之后，这种状态就消失，电平就一直保持稳定的低电平。消抖的本质就是滤波，要把这种接触的瞬间抖动过滤掉，避免按键的“一按多触发”。
“非阻塞”，在处理消抖的时候，必须用到延时，如果此时用阻塞的delay延时就会影响其它任务的运行效率，因此，用非阻塞的定时延时更加有优越性。
“清零式滤波”，在消抖的时候，有两种境界，第一种境界是判断两次电平的状态，中间插入“固定的时间”延时，这种方法前后一共判断了两次，第一次是识别到低电平就进入延时的状态，第二次是延时后再确认一次是否继续是低电平的状态，这种方法的不足是，“固定的时间”全凭经验值，但是不同的按键它们的抖动时间长度是不同的，除此之外，前后才判断了两次，在软件的抗干扰能力上也弱了很多，“密码等级”不够高。第二种境界就是“清零式滤波”，“清零式滤波”非常巧妙，抗扰能力超强，它能自动过滤不同按键的“抖动时间”，然后再进入一个“稳定时间”的“N次识别判断”，更加巧妙的是，在“抖动时间”和“稳定时间”两者时间内，只要发现一次是高电平的干扰，就马上自动清零计时器，重新开始计时。“稳定时间”一般取20ms到30ms之间，而“抖动时间”是隐藏的，在代码上并没有直接描写出来，但是却无形地融入了代码之中，只有慢慢体会才能发现它的存在。
具体的代码如下，实现的功能是按一次K1或者K2按键，就触发一次蜂鸣器鸣叫。
1
2
3
4
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); //按键识别的驱动函数，放在定时中断里
15void KeyTask(void); //按键任务函数，放在主函数内
16
17sbit P3_4=P3^4;
18sbit KEY_INPUT1=P2^2; //K1按键识别的输入口。
19sbit KEY_INPUT2=P2^1; //K2按键识别的输入口。
20
21volatile unsigned char vGu8BeepTimerFlag=0;
22volatile unsigned int vGu16BeepTimerCnt=0;
23
24volatile unsigned char vGu8KeySec=0; //按键的触发序号，全局变量意味着是其它函数的接口。
25
26void main()
27{
28SystemInitial();
29Delay(10000);
30PeripheralInitial();
31 while(1)
32{
33 KeyTask(); //按键任务函数
34 }
35}
36
37void T0_time() interrupt 1
38{
39VoiceScan();
40KeyScan(); //按键识别的驱动函数
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/* 注释一：
105* 独立按键扫描的详细过程，以按键K1为例，如下：
106* 第一步：平时没有按键被触发时，按键的自锁标志,去抖动延时计数器一直被清零。
107* 第二步：一旦有按键被按下，去抖动延时计数器开始在定时中断函数里累加，在还没累加到
108* 阀值KEY_FILTER_TIME时，如果在这期间由于受外界干扰或者按键抖动，而使
109* IO口突然瞬间触发成高电平，这个时候马上把延时计数器Su16KeyCnt1清零了,这个过程
110* 非常巧妙，非常有效地去除瞬间的杂波干扰。以后凡是用到开关感应器的时候，
111* 都可以用类似这样的方法去干扰。
112* 第三步：如果按键按下的时间达到阀值KEY_FILTER_TIME时，则触发按键，把编号vGu8KeySec赋值。
113* 同时，马上把自锁标志Su8KeyLock1置1，防止按住按键不松手后一直触发。
114* 第四步：等按键松开后，自锁标志Su8KeyLock1及时清零（解锁），为下一次自锁做准备。
115* 第五步：以上整个过程，就是识别按键IO口下降沿触发的过程。
116*/
117void KeyScan(void) //此函数放在定时中断里每1ms扫描一次
118{
119 static unsigned char Su8KeyLock1; //1号按键的自锁
120 static unsigned int Su16KeyCnt1; //1号按键的计时器
121 static unsigned char Su8KeyLock2; //2号按键的自锁
122 static unsigned int Su16KeyCnt2; //2号按键的计时器
123
124 //1号按键
125 if(0!=KEY_INPUT1)//IO是高电平，说明按键没有被按下，这时要及时清零一些标志位
126 {
127 Su8KeyLock1=0; //按键解锁
128 Su16KeyCnt1=0; //按键去抖动延时计数器清零，此行非常巧妙，是全场的亮点。
129 }
130 else if(0==Su8KeyLock1)//有按键按下，且是第一次被按下。这行很多初学者有疑问，请看专题分析。
131 {
132 Su16KeyCnt1++; //累加定时中断次数
133 if(Su16KeyCnt1>=KEY_FILTER_TIME) //滤波的“稳定时间”KEY_FILTER_TIME，长度是25ms。
134 {
135 Su8KeyLock1=1; //按键的自锁,避免一直触发
136 vGu8KeySec=1; //触发1号键
137 }
138 }
139
140 //2号按键
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; //触发2号键
153 }
154 }
155
156
157}
158
159void KeyTask(void) //按键任务函数，放在主函数内
160{
161if(0==vGu8KeySec)
162{
163return; //按键的触发序号是0意味着无按键触发，直接退出当前函数，不执行此函数下面的代码
164}
165
166switch(vGu8KeySec) //根据不同的按键触发序号执行对应的代码
167{
168 case 1: //1号按键
169
170 vGu8BeepTimerFlag=0;
171vGu16BeepTimerCnt=KEY_VOICE_TIME; //触发按键后，发出固定长度的声音
172 vGu8BeepTimerFlag=1;
173vGu8KeySec=0; //响应按键服务处理程序后，按键编号必须清零，避免一致触发
174break;
175
176 case 2: //2号按键
177
178 vGu8BeepTimerFlag=0;
179vGu16BeepTimerCnt=KEY_VOICE_TIME; //触发按键后，发出固定长度的声音
180 vGu8BeepTimerFlag=1;
181vGu8KeySec=0; //响应按键服务处理程序后，按键编号必须清零，避免一致触发
182break;
183
184}
185}
【92.2 专题分析：else if(0==Su8KeyLock1)。】
疑问：
1if(0!=KEY_INPUT1)
2 {
3 Su8KeyLock1=0;
4 Su16KeyCnt1=0;
5 }
6 else if(0==Su8KeyLock1)//有按键按下，且是第一次被按下。为什么？为什么？为什么？
7 {
8 Su16KeyCnt1++;
9 if(Su16KeyCnt1>KEY_FILTER_TIME)
10 {
11 Su8KeyLock1=1;
12 vGu8KeySec=1;
13 }
14 }
解答：
首先，我们要明白C语言的语法中，
1if(条件1)
2{
3
4}
5else if(条件2)
6{
7
8}
以上语句是一对组合语句，不能分开来看。当（条件1）成立的时候，它是绝对不会判断（条件2）的。当（条件1）不成立的时候，才会判断（条件2）。
回到刚才的问题，当程序执行到（条件2） else if(0==Su8KeyLock1)的时候，就已经默认了（条件1） if(0!=KEY_INPUT1)不成立，这个条件不成立，就意味着0==KEY_INPUT1，也就是有按键被按下，因此，这里的else if(0==Su8KeyLock1)等效于else if(0==Su8KeyLock1&&0==KEY_INPUT1)，而Su8KeyLock1是一个自锁标志位，一旦按键被触发后，这个标志位会变1，防止按键按住不松手的时候不断触发按键。这样，按键只能按一次触发一次，松开手后再按一次，又触发一次。
【92.3 专题分析：if(0!=KEY_INPUT1)。】
疑问：为什么不用if(1==KEY_INPUT1)而用if(0!=KEY_INPUT1)？
解答：其实两者在功能上是完全等效的，在这里都可以用。之所以本教程优先选用后者if(0!=KEY_INPUT1)，是因为考虑到了代码在不同单片机平台上的可移植性和兼容性。很多32位的单片机提供的是库函数，库函数返回的按键状态是一个字节变量来表示，当被按下的时候是0，但是，当没有按下的时候并不一定等于1，而是一个“非0”的数值。
【92.4 专题分析：把KeyScan函数放在定时器中断里。】
疑问：为什么把KeyScan函数放在定时器中断里？
解答：中断函数里放的函数或者代码越少越好，但是KeyScan函数是特殊的函数，是涉及到IO口输入信号的滤波，滤波就涉及到时间的及时性与均匀性，放在定时中断函数里更加能保证时间的一致性。比如，蜂鸣器驱动，动态数码管驱动，按键扫描驱动，我个人都习惯放在定时中断函数里。
【92.5 专题分析：if(0==vGu8KeySec)return。】
疑问：if(0==vGu8KeySec)return是不是多此一举？
解答：在KeyTask函数这里，if(0==vGu8KeySec)return这行代码删掉，对程序功能是没有影响的，这里之所以多插入这行判断语句，是因为，当按键多达几十个的时候，避免主函数每次进入KeyTask函数，都挨个扫描判断switch的状态进行多次判断，如果增加了这行if(0==vGu8KeySec)return代码，就可以直接退出省事，在理论上感觉更加运行高效。其实，不同单片机不同的C编译器可能对switch语句的翻译不一样，因此，这里的是不是更加高效我不敢保证。但是可以保证的是，加了这行代码也没有其它副作用。
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