单片机按键的控制

《单片机按键的控制》课程内容

一、课程导入

在上一节课中，我们成功实现了对 LED 灯的多种控制，让 LED 灯按照我们的想法点亮、闪烁甚至形成流水效果。但这些控制都是程序预先设定好的，缺乏交互性。在实际应用中，我们常常需要通过外部输入来改变设备的状态，比如用按键控制灯的开关。这节课，我们就来学习单片机按键的控制，让单片机能够 “感知” 我们的操作，并做出相应的反应。按键控制是单片机与外部交互的基础，掌握它能让我们的单片机应用更加灵活多样。

二、按键的基本原理

（一）按键的结构与工作特性

按键是一种电子开关，由按键本体和引脚组成。未按下时，按键处于断开状态，引脚之间没有电气连接；按下时，按键内部的金属触点接触，引脚之间导通。就像我们日常生活中使用的电灯开关，未按下时灯不亮，按下时灯亮。

不过，按键在按下和松开的瞬间，由于机械触点的弹性作用，会出现短暂的抖动现象，即触点会快速接通和断开几次，然后才稳定下来。这种抖动会导致单片机误判按键状态，所以在按键控制中需要进行消抖处理。

（二）单片机检测按键状态的原理

单片机通过 I/O 接口连接按键，将按键的状态（按下或未按下）转换为电信号（高电平或低电平）进行检测。常见的按键连接方式有两种：

1. 拉电流方式：按键一端接单片机 I/O 引脚，另一端接地。未按下时，I/O 引脚通过内部上拉电阻接高电平；按下时，I/O 引脚被拉低为低电平。单片机检测到 I/O 引脚为低电平时，判断按键按下。

2. 灌电流方式：按键一端接单片机 I/O 引脚，另一端接电源。未按下时，I/O 引脚为低电平；按下时，I/O 引脚被拉高为高电平。单片机检测到 I/O 引脚为高电平时，判断按键按下。

我们以拉电流方式为例进行后续讲解，这种方式在单片机应用中更为常见。

（三）硬件电路连接

以 51 单片机开发板为例，按键与单片机的硬件电路连接如下：

（单片机、按键、上拉电阻（如果单片机内部没有上拉电阻则需要外接）、电源等元件。连接关系：按键一端连接到单片机的 P3.0 引脚，另一端连接到电源地 GND，单片机内部上拉电阻使 P3.0 引脚在按键未按下时为高电平）

可以看出，按键未按下时，P3.0 引脚通过内部上拉电阻接高电平；当按键按下时，P3.0 引脚直接接地，变为低电平。单片机通过检测 P3.0 引脚的电平状态，就能知道按键是否被按下。

三、按键消抖

（一）按键抖动现象

按键在按下和松开的过程中，会产生抖动，其电平变化所示：

（显示按键未按下时为高电平，按下瞬间电平快速波动几次后稳定为低电平；松开瞬间电平又快速波动几次后稳定为高电平）

可以看到，按键按下时，并非直接从高电平稳定变为低电平，而是有一段抖动时间（通常为 5-10ms）；松开时也是如此。如果不进行消抖处理，单片机可能会把抖动过程中的电平变化误认为是多次按键操作。

（二）消抖方法

1. 硬件消抖：在按键两端并联一个电容，利用电容的充放电特性来吸收抖动信号，使电平稳定。硬件消抖电路简单，但需要额外的元件。

   （在按键两端并联一个电容，标注出电容的参数，如 104 瓷片电容）

2. 软件消抖：通过程序延时的方式，避开抖动时间。当检测到按键状态变化时，先延时一段时间（如 10ms），再检测按键状态，如果状态保持不变，则认为按键状态稳定。软件消抖不需要额外元件，应用更为灵活，我们这节课主要学习软件消抖。

四、按键控制程序编写

（一）程序的基本结构

按键控制程序在 LED 灯控制程序的基础上，增加了按键状态检测和消抖的部分，基本结构如下：

1. 头文件包含：引入单片机寄存器定义等信息。

2. 引脚定义：定义按键和 LED 灯连接的引脚。

3. 延时函数：用于软件消抖和控制 LED 灯状态变化的时间。

4. 主函数：在主函数中循环检测按键状态，根据按键状态控制 LED 灯。

（二）按键控制 LED 灯亮灭（图文讲解）

1. 引脚定义

#include <reg51.h>sbit KEY = P3^0; // 定义按键连接的引脚sbit LED = P1^0; // 定义LED灯连接的引脚

这部分代码定义了按键连接到 P3.0 引脚，LED 灯连接到 P1.0 引脚，方便后续程序中对它们进行操作。

（左边是引脚定义代码，右边画出 P3.0 引脚与按键的连接、P1.0 引脚与 LED 灯的连接，分别标注出 “KEY” 和 “LED”）

1. 延时函数

// 延时函数，大约延时10ms，用于软件消抖void Delay10ms(void){unsigned int i, j;for(i = 10; i > 0; i--)for(j = 112; j > 0; j--);}

这个延时函数用于软件消抖，当检测到按键状态变化时，调用该函数延时 10ms，避开抖动时间。

![延时函数说明图]

（此处配一张简单的示意图，展示延时函数的作用：左边是按键抖动的电平变化，右边是经过延时后稳定的电平，体现延时避开抖动的效果）

1. 主函数

void main(void){LED = 1; // 初始状态LED灯熄灭while(1){if(KEY == 0) // 检测到按键按下（低电平）{Delay10ms(); // 延时消抖if(KEY == 0) // 再次检测，确认按键按下{LED = \~LED; // 翻转LED灯的状态（亮变灭，灭变亮）while(KEY == 0); // 等待按键松开Delay10ms(); // 延时消抖，避开松开时的抖动}}}}

• “LED = 1”：初始时让 LED 灯处于熄灭状态。

• “if (KEY == 0)”：检测按键是否按下，当按键按下时，P3.0 引脚为低电平。

• “Delay10ms ()”：第一次检测到按键按下后，延时 10ms 进行消抖。

• 再次检测 “KEY == 0”：如果仍然为低电平，确认按键被按下。

• “LED = ~LED”：“~” 是取反运算符，将 LED 灯的状态翻转，实现按下按键切换 LED 灯亮灭的效果。

• “while (KEY == 0)”：等待按键松开，避免按键一直按下时 LED 灯不断切换状态。

• 按键松开后再次延时 10ms：避开松开时的抖动。

  ![主函数执行流程图]

  （此处配一张流程图，展示主函数的执行流程：从初始 LED 熄灭开始，进入循环检测按键；按键未按下时继续检测；按键按下后延时、再次检测、翻转 LED 状态、等待松开、延时，然后回到循环检测）

（三）程序编译与下载

按照之前学习的方法，在 Keil 软件中编译程序，生成 “.hex” 文件，然后通过 STC-ISP 软件下载到单片机开发板中。

五、经典案例拓展

（一）按键控制 LED 灯闪烁频率

1. 案例介绍：通过两个不同的按键，分别控制 LED 灯闪烁频率的加快和减慢，让我们进一步掌握多按键的控制方法。

2. 硬件电路：一个 LED 灯连接到 P1.0 引脚，按键 1 连接到 P3.0 引脚（控制频率加快），按键 2 连接到 P3.1 引脚（控制频率减慢）。

   ![按键控制 LED 闪烁频率硬件电路]

电路原理说明：该电路以单片机为核心控制单元，按键通过上拉电阻连接至单片机的 GPIO 引脚，用于检测按键按下与释放状态。LED 经限流电阻连接至单片机另一 GPIO 引脚，实现电流控制。当按键按下时，单片机检测到电平变化，根据预设程序调整定时器参数，进而改变 LED 闪烁频率。此外，电路中还包含电源滤波电容，用于稳定电源电压，减少干扰，确保系统稳定运行。（此处配一张硬件电路连接图，清晰展示 LED 灯和两个按键与单片机引脚的连接）

1. 程序编写

#include <reg51.h>sbit LED = P1^0;sbit KEY1 = P3^0; // 控制频率加快sbit KEY2 = P3^1; // 控制频率减慢unsigned int delay\_time = 500; // 初始延时时间，单位ms// 延时函数void Delayms(unsigned int t){unsigned int i, j;for(i = t; i > 0; i--)for(j = 112; j > 0; j--);}// 按键检测函数void KeyScan(void){if(KEY1 == 0){Delayms(10);if(KEY1 == 0){if(delay\_time > 100) // 限制最小延时时间delay\_time -= 100; // 每次减少100ms，频率加快while(KEY1 == 0);Delayms(10);}}if(KEY2 == 0){Delayms(10);if(KEY2 == 0){if(delay\_time < 1000) // 限制最大延时时间delay\_time += 100; // 每次增加100ms，频率减慢while(KEY2 == 0);Delayms(10);}}}void main(void){while(1){KeyScan(); // 按键扫描LED = 0;Delayms(delay\_time);LED = 1;Delayms(delay\_time);}}

1. 程序说明

• 定义了一个变量 “delay_time” 来存储延时时间，初始值为 500ms。

• “KeyScan” 函数用于检测两个按键的状态，当按键 1 按下时，在延时时间大于 100ms 的情况下，减少 100ms；当按键 2 按下时，在延时时间小于 1000ms 的情况下，增加 100ms。

• 主函数中循环调用按键扫描函数，并根据当前的延时时间控制 LED 灯闪烁。

1. 效果展示

   （展示初始闪烁状态、按下按键 1 后闪烁加快、按下按键 2 后闪烁减慢的效果，标注出对应的延时时间）

（二）按键控制流水灯模式

1. 案例介绍：通过按键切换流水灯的两种模式，一种是从左到右依次点亮，另一种是从右到左依次点亮，感受按键在复杂控制中的应用。

2. 硬件电路：8 个 LED 灯分别连接到 P1 口的 P1.0-P1.7 引脚，按键连接到 P3.0 引脚。

   （硬件电路连接图，展示 8 个 LED 灯与 P1 口引脚的连接以及按键与 P3.0 引脚的连接）

3. 程序编写

#include <reg51.h>
#define LED_PORT P1 // 定义LED灯端口
sbit KEY = P3^0;
unsigned char mode = 0; // 模式标志，0为从左到右，1为从右到左
unsigned char led = 0xfe;
void Delay500ms(void)
{unsigned int i, j;for(i = 500; i > 0; i--)for(j = 112; j > 0; j--);
}void KeyScan(void)
{if(KEY == 0){Delay500ms(); // 这里延时稍长，避免误触if(KEY == 0){mode = ~mode; // 切换模式mode &= 0x01; // 只保留最低位，确保模式在0和1之间切换while(KEY == 0);Delay500ms();}}}void main(void){while(1){KeyScan();LED_PORT = led;if(mode == 0) // 从左到右{led = led << 1;if(led == 0x00)led = 0xfe;}else // 从右到左{led = led >> 1;if(led == 0x00)led = 0x7f; // 二进制01111111，最右边LED灯点亮}Delay500ms();}}

1. 程序说明

• “mode” 变量用于表示流水灯模式，0 为从左到右，1 为从右到左。

• 按键扫描函数检测到按键按下后，将 “mode” 取反并限制为 0 或 1，实现模式切换。

• 主函数中根据 “mode” 的值控制流水灯的方向，当模式为 0 时，led 变量左移；模式为 1 时，led 变量右移。

1. 效果展示

   （展示从左到右流水模式、按下按键后切换为从右到左流水模式的效果）

六、常见问题及解决方法

（一）按键无反应

1. 问题分析：可能是按键引脚定义错误、硬件连接不良、消抖处理不当或程序逻辑错误。

2. 解决方法

• 检查按键引脚定义是否与实际连接的引脚一致。

• 查看按键是否损坏、连接是否松动，可更换按键或重新连接。

• 确认消抖延时时间是否合适，过短可能无法避开抖动，过长可能影响响应速度。

• 逐步调试程序，在按键检测部分加入 LED 灯指示（如检测到按键按下时点亮一个 LED 灯），判断程序是否执行到按键检测部分。

（二）按键误触发

1. 问题分析：主要是消抖处理不彻底，或者按键周围有干扰。

2. 解决方法

• 增加软件消抖的延时时间，或采用硬件消抖辅助。

• 检查按键周围是否有强电磁干扰，可采取屏蔽措施。

• 优化程序，在按键检测时增加多次检测，确保按键状态稳定。

（三）多按键控制冲突

1. 问题分析：多个按键控制不同功能时，可能出现同时按下或程序处理顺序不当导致的冲突。

2. 解决方法

• 在程序中合理安排按键检测的顺序，避免同时处理多个按键。

• 为每个按键设置独立的标志位，明确区分不同按键的操作。

• 增加按键按下的优先级，当多个按键同时按下时，只响应优先级高的按键。

七、总结与回顾

1. 主要内容回顾：本节课我们学习了单片机按键的控制原理，包括按键的基本特性、单片机检测按键状态的方法、按键消抖处理，详细讲解了按键控制 LED 灯亮灭程序的编写，还拓展学习了按键控制 LED 灯闪烁频率和流水灯模式的经典案例。通过图文结合，清晰了解了按键控制的整个过程。

2. 重点强调：按键消抖是按键控制中非常重要的环节，无论是硬件消抖还是软件消抖，目的都是确保单片机正确检测按键状态。在多按键控制中，要合理设计程序逻辑，避免出现控制冲突。

3. 下节课预告：下一节课我们将学习单片机定时器的应用，利用定时器来实现更精确的时间控制，让我们的单片机应用在时间精度上有更大的提升。

通过本节课的学习，相信你已经掌握了单片机按键控制的基本方法。你可以尝试自己设计一些按键控制的小项目，比如用三个按键分别控制三个 LED 灯的亮灭，进一步巩固所学知识。如果在实践中遇到问题，欢迎随时交流。