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#include "REG52.H"   2  3#define KEY_VOICE_TIME   50 //按键触发后发出的声音长度   4#define KEY_FILTER_TIME  25 //按键滤波的“稳定时间”25ms  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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