我在高职教STM32——GPIO入门之按键输入（1）

大家好，我是老耿，高职青椒一枚，一直从事单片机、嵌入式、物联网等课程的教学。 对于高职的学生层次，同行应该都懂的，老师在课堂上教学几乎是没什么成就感的。正因如此，才有了借助 CSDN 平台寻求认同感和成就感 的想法。在这里，我准备陆续把自己花了很多心思的教学设计分享出来，主要面向广大师生朋友，单片机老鸟就略过吧。欢迎点赞+关注，各位的支持是本人持续输出的动力，多谢多谢！

前面，我们介绍了STM32的IO口作为输出的使用，这一章，我们将向大家介绍如何使用IO口作为输入。在本章中，我们将利用开发板上的按键来控制LED的亮灭。通过本章的学习，我们将明白按键的电路原理，了解按键消抖是怎么回事，巩固GPIO的初始化配置，学习GPIO端口输入函数等知识。

【学习目标】

了解按键防抖、锁存的方法
巩固GPIO初始化的过程，独立完成代码编写
理解按键单击、双击、长按的程序算法

**按键是初学嵌入式的第一类输入器件，****入门不难，但是一旦按法多样化（单击/双击/长按），或是结合其他被控器件，就需要用上中断、定时器、状态机等知识，难度也就上来了。**本章还是基于GPIO输入电平的传统方法来按键，计划分两个部分，本文是第一部分。

一、认识按键开关

1.1 按键开关的形态和结构

按键开关主要是指轻触式按键开关，广泛用于各种电器和电子消费品中，有各种各样不同的形态，如图1所示，用圈标注的是我们开发板使用的类型。不管何种形态，它都是一种电子开关，使用时以满足操作力的条件向开关操作方向施压，开关可以闭合接通，当撤销压力时开关即断开，其内部结构是靠金属弹片受力变化来实现通断的。
图1 不同形态的按键开关

如图2所示，我们的开发板上一共有4个按键开关，用KEYx来表示。这种开关虽然有四个引脚，但我们来看图3，内部①脚和②脚是常闭的，③脚和④脚也是常闭的，这样其实相当于只有两个引脚了。
图2 开发板上的四个按键
图3 四脚按键开关的内部结构示意

1.2 按键的抖动和消抖

按键机械触点断开或闭合时，由于触点的弹性作用，按键开关不会马上稳定接通或一下子断开，使用按键时会产生带波纹信号，如图4所示，所以需要对波纹信号进行消抖处理，否则可能会引起误判。
图4 按键接通或断开瞬间的抖动纹波

显然上图中的纹波是我们不希望的，因此就需要想办法消抖。消抖的办法有两种：硬件消抖和软件消抖，硬件消抖是在按键两端并联一个0.1uF的电容，利用电容充放电的延时，消除波纹。硬件消抖很少采用，更普遍的做法是通过软件消抖，通过延时10~20ms的方式避开抖动，也可以采用连续多次检测电平的方式避开抖动。

二、按键控制LED编程实践

2.1 任务描述

本实验的任务是用一个按键实现对一个LED的控制，每按一次，LED的状态就改变一次。在控制方式上，使用了无锁存和有锁存两种方法，分别实现了按下有效和松开有效。

2.2 硬件电路

图5是开发板上四个按键与STM32连接的电路原理图，连接方式都是一样的，这里就以SW1（KEY1）为例进行介绍。当SW1按下时，KEY1端（PC13）与GND接通，为低电平；当SW1松开时，KEY1端电平被上拉电阻R48拉高。这样，我们通过检测PC13的输入电平就知道KEY1是按下还是松开了。同理，KEY2、KEY3、KEY4的状态需要分别检测PC11、PC12、PD2的输入电平。
图5 四个按键的原理图

2.3 工程文件清单

本实验的工程文件清单如图6所示，在HARDWARE目录中添加了一对按键的驱动文件 key.c 和 key.h。由于用到了LED，因此之前的 led.c 和 led.h 需要保留。
图6 按键工程文件清单

2.4 工程代码剖析

1. key.h文件源码

头文件里依然是与IO有关的宏和函数声明，如代码清单1所示。

cpp 复制代码

//-------------------------------------------------------
// 代码清单1：key.h
//-------------------------------------------------------

#ifndef  _KEY_H_
#define  _KEY_H_

#include "stm32f10x.h"

//-------------------------------------------------------
// 必要的宏定义
//-------------------------------------------------------
#define  KEY1_PIN     GPIO_Pin_13
#define  KEY2_PIN     GPIO_Pin_11
#define  KEY3_PIN     GPIO_Pin_12
#define  KEY4_PIN     GPIO_Pin_2

//-------------------------------------------------------
// 库函数操作宏定义
//-------------------------------------------------------
#define  READ_KEY1	GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, KEY1_PIN)
#define  READ_KEY2	GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, KEY2_PIN)
#define  READ_KEY3	GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, KEY3_PIN)
#define  READ_KEY4	GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, KEY4_PIN)

//--------------------------------------------------------
// 函数声明
//--------------------------------------------------------
void Key_Init(void);	//按键初始化函数

#endif

这里，我们用 GPIO_ReadInputDataBit() 这个库函数来读取一个IO口的电平，函数名虽然长了点，但确实见名就能知意。它有两个参数：GPIOx和GPIO_Pin_x，返回值就是读到的电平（1或0），确实也很直观。

2. key.c文件源码

该文件里就一个函数 Key_Init()，用来初始化按键的IO口，如代码清单2所示。

cpp 复制代码

/*
 ************************************************************************
 * 代码清单2：key.c
 * 描    述：按键的初始化、驱动
 * 平    台：麒麟座V3.2
 * 作    者：老耿
 * 日    期：yyyy-mm-dd
 * 固 件 库：ST3.5.0
 * 版    本：V1.0
 * 修改记录：无
 ************************************************************************
*/

//必要的头文件
#include "key.h"
#include "delay.h"

/**
 ************************************************************************
 * 函 数 名：Key_Init
 * 功    能：按键端口初始化
 * 入口参数：无
 * 出口参数：无
 * 说    明：将按键端口设置成输入模式
 ************************************************************************
**/
void Key_Init(void)
{
	//定义一个GPIO初始化对象（结构体）
	GPIO_InitTypeDef  gpio_initstruct;
	
	//打开必要的外设时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD, ENABLE);
	
	//填充初始化结构体，上拉输入模式，并执行生效
	gpio_initstruct.GPIO_Pin = KEY1_PIN | KEY2_PIN | KEY3_PIN;
	gpio_initstruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	//输入模式不用配置Speed参数
	//gpio_initstruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOC, &gpio_initstruct);
	
	//KEY4与KEY1/2/3不是一组端口，单独再初始化
	gpio_initstruct.GPIO_Pin = KEY4_PIN;
	GPIO_Init(GPIOD, &gpio_initstruct);
}

虽然本实验只使用到了KEY1，但在代码中，我们将KEY2、KEY3、KEY4的IO口也一并进行了初始化。需要注意的是，GPIO要配置为输入模式。由于按键松开时对应的引脚为高电平，所以我们将其配置为上拉输入模式。

那为什么没有配置为下拉输入模式呢？那是因为下拉模式，引脚默认为低电平，这相当于按键被按下的状态。这样的话，程序将无法检测按键是否被按下，因为无论按键是否被按下，引脚电平都为低电平了。当然，配置成浮空输入模式当然也是可以的。

还有一点大家是否发现，上面代码中，没有配置引脚的速度，那是因为引脚处于输入模式时，并不需要配置引脚速度。引脚速度仅是指单片机向引脚刷新电平的频率，所以只有在引脚处于输出模式时才有效。

3. main.c文件源码

主程序里编写了无锁存和有锁存两种按键控灯的方法，如代码清单3所示，大家测试的时候请保留一种方式的代码，注释掉另一种，来体会这两种方式的差异。

cpp 复制代码

/**
 ******************************************************
 * 代码清单3：main.c
 * 项    目：按键控制LED
 * 任务描述：按一次KEY1，变一次LED
 * 实验平台：OneNET STM32开发板V3.2
 * 作    者：老耿
 * 日    期：yyyy/mm/dd
 ******************************************************
**/
 
//-----------------------------------------------------
// 必要的头文件
//-----------------------------------------------------
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "key.h"


//-----------------------------------------------------
// 主函数
//-----------------------------------------------------
int main()
{
	delay_init();	//延时初始化
	Led_Init();		//LED初始化
	Key_Init();		//按键初始化
	
    while(1)    //以下两种方式保留一种，注释掉另一种
    {
        /*-------------- 无锁存方式 -------------*/
//      if(!READ_KEY1)  //按住红灯亮
//          RED_ON;
//      else
//          RED_OFF;    //松开红灯灭

        /*-------------- 有锁存方式 -------------*/
        if(!READ_KEY1)      //按下KEY1
        {
            delay_ms(10);   //延时消抖
            if(!READ_KEY1)  //确认按下
            {
                while(!READ_KEY1);  //等待松开
                RED_TOG;    //红灯变化
            }
        }
    }
}

2.5 验证与测试

我们对两种方式分别下载和测试后，大家应该可以发现，无锁存方式下需要按住不放，LED才亮着，一旦松开，LED就灭了。而有锁存的方式下，需要完成按下和松开这一组动作（即单击）才能改变LED的状态，实现这个效果的就是代码清单3中的第36行，当按键被按下时，while的条件将永远成立，这样将导致程序一直停留在此处，只有按键松开时，后续代码才可以得到执行，也就达到了通过按键锁存程序状态的目的。

此外，在有锁存方式中，当按键被按下后，并不是马上进行后续动作，而是延时了10ms，再次判断按键是否被按下，这样就避免了按键因电平抖动造成被误判的可能。大家也可以尝试去掉消抖这条语句，看每次按键按下的操作是否都能有效。

（第一部分完，共两部分）