前言

做完了GPIO點燈實驗，成就感滿滿，不知道小白的我是不是入門了，哈哈！開始做下一個GPIO按鍵檢測的實驗。

一、硬件電路設計

1.開發板用戶按鍵硬件電路

輕觸按鍵又稱輕觸開關（下文簡稱按鍵），是電路中常用的一種開關元器件，也是一種常用的人機接口。廣泛用于家電、數碼產品、便攜儀產品、電腦產品等電子設備中。
STC8A8K64S4A12開發板上設計了4個用戶按鍵KEY1、KEY2、KEY3、KEY4，當使用KEY1和KEY2時，可短接J26端子的P37||KEY1、P36||KEY2。程序中通過讀取這些按鍵對應的GPIO的狀態（高電平或低電平）可判斷該按鍵是否按下，這種電路的形式稱為高低電平接法，這種檢測按鍵的方法稱為按鍵高低電平檢測。

圖1：開發板按鍵檢測電路及實物圖

表1：用戶按鍵引腳分配

輕觸按鍵，顧名思義我們只需要施加很小的力量即可改變開關連接的狀態。輕觸按鍵在所需外力作用下（按下按鍵）觸點導通，無外力作用時（釋放按鍵）觸點斷開，如下圖所示：

圖2：輕觸按鍵原理

2.按鍵檢測接法

高低電平式接法是最常見的按鍵檢測的接法，顧名思義，該接法就是需要單片機引腳具有高低電平的檢測能力，也就是常見的GPIO引腳即可。高低電平式接法又可分為兩種：獨立式接法和行列式接法。
行列式接法是利用單片機的 GPIO口組成行與列，在行與列的每一個交點處連接按鍵。 故也稱為矩陣式按鍵，該接線方法最大的優勢是可以使用較少的GPIO口實現較多按鍵的檢測，這個在矩陣按鍵掃描實驗中會詳細介紹。
獨立式接法的含義就是使用單片機的一個GPIO引腳檢測一個按鍵的狀態，有多少按鍵需檢測就需要多少個GPIO引腳，對每個按鍵的檢測相互獨立。
獨立式按鍵接法一般會用低電平有效的方式，即按鍵按下是GPIO輸入為低電平，如下圖所示。

圖3：獨立式接法

上圖中的電阻R的作用是將GPIO輸入端口不確定的信號通過該電阻鉗位在高電平狀態。我們知道數字電路有三種狀態：高電平、低電平和高阻狀態，有些應用場合并不希望出現高阻狀態，這時加上拉電阻即可讓GPIO輸入端口保持確定的狀態。
按鍵釋放時，因為上拉電阻R的關系，GPIO輸入檢測是高電平，按鍵閉合時，GPIO短接到GND，輸入檢測是低電平。這樣，單片機根據GPIO的輸入狀態即可確定按鍵是否按下。

■ 按鍵檢測知識擴展：ADC通過電阻分壓檢測多個按鍵
按鍵檢測除了高低電平檢測的方法之外，還有一種方法是使用ADC通過電阻分壓檢測多個按鍵，這種按鍵檢測的電路形式稱為分壓式接法。
分壓式接法，使用的單片機引腳必須具有ADC功能，根據檢測口測得的不同的電壓值來識別是哪個按鍵被按下。如下圖所示，是分壓式接法的原理示意圖。這種方法最大的好處是節省IO資源，它只需一個具有ADC功能的IO即可實現多個按鍵的檢測，它適用于IO資源緊張的場合，如一些電磁爐的按鍵使用的就是這種方法。
相對于高低電平檢測，這種方法在編程上要復雜一些，需要事先計算好分壓的電壓值，存儲于“表”中，程序運行時，采樣到電壓值后查表即可獲知是哪個按鍵按下。

圖4：分壓式接法原理

3.按鍵檢測電路考慮因素

按鍵檢測電路設計的時候，需要我們考慮兩個方面：按鍵釋放時GPIO口狀態的確定和按鍵消抖。
1)按鍵釋放時GPIO口狀態的確定
按鍵檢測電路中，當按鍵釋放后要能保證GPIO口電平是確定的，即按鍵釋放時GPIO口固定為高電平或低電平。開發板RN1排阻就是滿足用戶按鍵釋放時，在單片機GPIO口上保持高電平。
2)按鍵消抖
對于按鍵硬件上的消抖，一般常用的方式是在按鍵上并接一個容值約0.1uF左右電容，利用電容兩端的電壓不能突變的特性，消除抖動時產生的毛刺電壓。雖然電容可以起到消除抖動的作用，但是在考慮按鍵靈敏度的情況下，電容時無法完全消除抖動的，消除抖動還需要軟件的配合。
開發板上按鍵電路沒有增加硬件消抖，開發板使用的是軟件消抖，這對于一般的按鍵檢測已經完全足夠。

3)GPIO口保護
開發板按鍵檢測電路中還串有排阻RN12，該排阻阻值100歐姆，串在單片機GPIO口和按鍵引腳中，起到保護GPIO口的目的。
分析：如果GPIO口不小心誤配置為輸出模式，并且輸出高電平，則分析下電路可知，此時如果沒有排阻RN12，若按下用戶按鍵，則單片機GPIO口（控制輸出高電平）直接和GND相連，會損壞GPIO口。

二、軟件設計

1.寄存器解析

1.1.端口數據寄存器

下圖是對端口數據寄存器P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7的描述，端口數據寄存器各位代表對應端口的GPIO口，在完成對配置寄存器設置后，可直接讀取端口引腳電平。

圖5：端口數據寄存器

1.2.端口上拉電阻控制寄存器

下圖是對端口上拉電阻控制寄存器P0PU、P1PU、P2PU、P3PU、P4PU、P5PU、P6PU、P7PU的描述，這些特殊功能寄存器不支持位尋址。端口上拉電阻控制寄存器各位代表對應端口的GPIO口是否使能其上拉電阻，在完成對該寄存器設置后，相應GPIO端口便在單片機內部有了上拉電阻。該功能使得GPIO口在硬件電路設計時具有了更多的靈活性。但務必知曉端口上拉電阻控制寄存器為擴展SFR，邏輯地址位于XDATA區域，訪問前需先將P_SW2寄存器的最高位（EAXFR）置1。

圖6：端口數據寄存器

2.GPIO輸入按鍵檢測實驗（單個c文件）

2.1.頭文件引用和路徑設置

■ 需要宏定義部分及引用的頭文件
因為在“main.c”文件中使用了STC8的頭文件“STC8.h”，所以需要引用下面的頭文件。在頭文件“STC8.h”中需要確定主時鐘取值，所以宏定義主時鐘值。

#define MAIN_Fosc       11059200L   //定義主時鐘  
#include    "STC8.H" 

在程序設計中會用到定義變量的類型，為了定義變量方便，將較為復雜的“unsigned int”和“unsigned char ”進行了宏定義。

#define  uint16   unsigned int    
#define  uint8    unsigned char   

這樣，再定義變量時可直接使用“uint16”和“uint8”來取代“unsigned int”和“unsigned char ”即可。

■ 需要包含的頭文件路徑
本例需要包含的頭文件路徑如下表：

表2：頭文件包含路徑

MDK中點擊魔術棒，打開工程配置窗口，按照下圖所示添加頭文件包含路徑。

圖7：添加頭文件包含路徑

2.2.編寫代碼

首先根據開發板按鍵及指示燈GPIO分配，定義寄存器位變量，代碼如下。

/********************** 
引腳別名定義 
***********************/  
sbit KEY=P0^7;      //用戶按鍵KEY3用IO口P07  
sbit LED_D3=P7^2;   //用戶指示燈D3用IO口P72      

然后，在主函數中先對P7.2和P0.7口進行模式配置，后主循環中檢測按鍵狀態，確認按鍵按下控制藍色指示燈D3亮。

int main(void)  
{  
      P7M1 &= 0xFB; P7M0 &= 0xFB;     //設置P7.2為準雙向口  
      P0M1 &= 0x7F;   P0M0 &= 0x7F;     //設置P0.7為準雙向口   
//    P0M1 |= 0x80; P0M0 &= 0x7F;     //設置P0.7為高阻輸入  
      
  while(1)  
  {  
         if(KEY == 0)  //檢測用戶按鍵KEY3對應引腳P0.7是否是低電平 (按鍵按下，引腳為低電平) 
       {  
         delay_ms(10);      //軟件延時10ms，如果延時后按鍵KEY3的電平依然沒有變化，說明按鍵確實被有效操作，簡稱按鍵消抖  
         if(KEY== 0)          //檢測用戶按鍵KEY3對應引腳P0.7是否依然是低電平  
         {  
                 LED_D3=0;           //點亮用戶指示燈D3  
             while(KEY == 0)         //等待按鍵KEY3釋放，即如果P0.7一直為低電平，會一直執行空命令  
                 {  
                     ;               //條件KEY == 0成立，會執行這個空命令  
                 }  
         LED_D3=1;                   //按鍵KEY3釋放，熄滅用戶指示燈D3  
        }  
       }  
    }  
}       

3.流水燈實驗（多個c文件）

3.1.工程需要用到的c文件

本例需要用到的c文件如下表所示，工程需要添加下表中的c文件。

表3：實驗需要用到的c文件

3.2.頭文件引用和路徑設置

■ 需要引用的頭文件
因為在“main.c”文件中使用了控制led的函數和延時函數（延時函數沒有在main.c中定義），所以需要引用下面的頭文件。

#include    "led.h"  
#include    "delay.h"  
#include    "key.h" 

■ 需要包含的頭文件路徑
本例需要包含的頭文件路徑如下表：

表4：頭文件包含路徑

MDK中點擊魔術棒，打開工程配置窗口，按照下圖所示添加頭文件包含路徑。

圖8：添加頭文件包含路徑

3.3.編寫代碼

首先在key.h中，宏定義4個用戶按鍵，引用延時函數的頭文件，聲明按鍵檢測函數供外部調用。代碼如下。

#include "delay.h"  
  
#define KEY_ON  0  
#define KEY_OFF 1  
  
  
#define KEYS_OFF    0             //沒有按鍵按下  
#define KEY1_ON     1             //按鍵KEY1按下  
#define KEY2_ON     2             //按鍵KEY2按下  
#define KEY3_ON     3             //按鍵KEY3按下  
#define KEY4_ON     4             //按鍵KEY4按下  
  
/******************************************** 
引腳別名定義 
*********************************************/            
sbit KEY_S1=P3^7;         //用戶按鍵KEY1用IO口P37  
sbit KEY_S2=P3^6;         //用戶按鍵KEY2用IO口P36  
sbit KEY_S3=P0^7;         //用戶按鍵KEY3用IO口P07  
sbit KEY_S4=P0^5;         //用戶按鍵KEY4用IO口P05  
  
extern uint8 Keys_Scan(uint8 mode);  

然后，在key.c文件中編寫一個按鍵檢測函數Keys_Scan，代碼如下。

程序清單：延時函數

/************************************************************************** 
功能描述：檢測開發板上的4個用戶按鍵(KEY1、KEY2、KEY3、KEY4) 
入口參數：uint8 mode 是否支持連按 
返回值：按鍵編號 
 *************************************************************************/  
uint8 Keys_Scan(uint8 mode)  
{  
     static uint8 Key_up=1;   //標志變量  
      
     if(mode==1)  //支持連按  
     {  
          Key_up=1;   //變量 Key_up會被重新賦值為1  
     }  
      
     //檢測按鍵KEY1、按鍵KEY2、按鍵KEY3、按鍵KEY4用IO口電平是否為低電平  
   if(Key_up&&((KEY_S1 == KEY_ON ) || (KEY_S2 == KEY_ON ) || (KEY_S3 == KEY_ON ) || (KEY_S4 == KEY_ON )))  
     {  
             delay_ms(10);     //軟件延時10ms，去抖  
           Key_up=0;         //變量 Key_up會被賦值為0  
       if(KEY_S1 == KEY_ON )    
         {    
         return KEY1_ON;  
       }  
       else if(KEY_S2 == KEY_ON )  
       {  
         return KEY2_ON;  
       }  
       else if(KEY_S3 == KEY_ON )  
       {  
         return KEY3_ON;  
       }  
       else if(KEY_S4 == KEY_ON )  
       {  
         return KEY4_ON;  
       }  
  
   }  
   else if((KEY_S1 == KEY_OFF )&&(KEY_S2 == KEY_OFF ) &&(KEY_S3 == KEY_OFF )&&(KEY_S4 == KEY_OFF )  )  
   {  
     Key_up=1;   //變量 Key_up會被賦值為1  
   }   
   return KEYS_OFF;  
} 

因為按鍵檢測函數Keys_Scan中使用了控制led的函數、有關KEY的宏定義和延時函數，所以需要在key.c文件中引用下面的頭文件。

#include "led.h"  
#include "key.h"  

最后，在主函數中先對4個用戶指示燈和4個用戶按鍵用到的GPIO口進行模式配置，后主循環中調用按鍵檢測函數，可觀察各用戶按鍵按下后用戶指示燈變化情況。

代碼清單：主函數

int main(void)  
{  
    uint8 temp;  
    P2M1 &= 0x3F;   P2M0 &= 0x3F;     //設置P2.6~P2.7為準雙向口  
    P7M1 &= 0xF9;   P7M0 &= 0xF9;     //設置P7.1~P7.2為準雙向口  
    P0M1 &= 0x5F;   P0M0 &= 0x5F;     //設置P0.5，P0.7為準雙向口  
//  P0M1 |= 0xA0;   P0M0 &= 0x5F;     //設置P0.5，P0.7為高阻輸入  
    P3M1 &= 0x3F;   P3M0 &= 0x3F;     //設置P3.6~P3.7為準雙向口  
//  P3M1 |= 0xC0;   P3M0 &= 0x3F;   //設置P3.6~P3.7為高阻輸入  
      
//  P_SW2 |= 0x80;                  //將EAXFR位置1，以訪問在XDATA區域的擴展SFR  
//  P0PU |= 0xA0;                 //設置P0.5，P0.7口有上拉電阻  
//  P3PU |= 0xC0;                 //設置P3.6~P3.7口有上拉電阻  
//  P_SW2 &= 0x7F;                  //將EAXFR位置0，恢復訪問XRAM          
      
  while(1)  
  {  
    temp=Keys_Scan(0);                 //獲取開發板用戶按鍵檢測值，不支持連按  
    if(temp == KEY1_ON)                //如果按鍵KEY1被操作  
    {  
      led_toggle(LED_1);               //控制用戶指示燈D1翻轉  
    }  
    else if(temp == KEY2_ON)           //如果按鍵KEY2被操作  
    {  
      led_toggle(LED_2);               //控制用戶指示燈D2翻轉  
    }   
    else if(temp == KEY3_ON)           //如果按鍵KEY3被操作  
    {  
      led_toggle(LED_3);               //控制用戶指示燈D3翻轉  
    }   
    else if(temp == KEY4_ON)           //如果按鍵KEY4被操作  
    {  
      led_toggle(LED_4);               //控制用戶指示燈D4翻轉  
    }       
        
    }  
}  

總結

以上就是今天要講的內容，希望對你有所幫助！