按键硬件设计的四种方案

    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。

    DY种设计是Z简单、Z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Z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。