32单片机学习记录2之按键

凉夜十三2025-02-13 19:07

32单片机学习记录2之按键

前置

按键检测需要高速轮询但是流水灯的延迟函数会卡CPU执行时间，通过按键开启流水灯能不能实现？

不要延迟函数要计数思想达到相同效果，就不会卡CPU了。

原理图

分析

看不懂电路图，K2,3,4是同一组IO口，不是给低电平亮就是给高电平亮。

K1同样给高低电平测试。

K1 电路特性（与 PA0 相连）

  1. 按键 K1 的一端连接到 GND（地），另一端通过上拉电阻 R24 (10kΩ) 接到 +3.3V，并同时连接到 IO 引脚 PA0。
  2. 特殊之处：
    • PA0 除了作为普通 GPIO，还标注了 WKUP（唤醒功能），可能与系统的低功耗唤醒机制有关。

K2、K3、K4 的电路特性

  1. 按键 K2、K3、K4 的接法相同：
    • 一端连接到 GND（地）。
    • 另一端通过各自的上拉电阻（R12、R23、R26，均为 10kΩ）接到 +3.3V，并同时连接到 IO 引脚 PE2、PE3、PE4。
  2. 功能对比：
    • K2、K3、K4 的按键电路用于普通 GPIO 按键检测 ，主要用于用户输入。

电平分析（K1 与 K2~K4 的共同点与区别）

K1（PA0）的电平变化：

  • 未按下 ：PA0 的电平通过下拉电阻（接地） R24 拉至低电平（GND）。
  • 按下：按键 K1 闭合，PA0 直接接地，电平变为高电平（+3.3V）。

K2、K3、K4 的电平变化：

  • 未按下：PE2、PE3、PE4 的电平通过各自的上拉电阻拉至高电平（+3.3V）。
  • 按下：按键闭合，对应的 PE2、PE3、PE4 直接接地，电平变为低电平（0V）。

区别：

K1 与 K2~K4 的接法本质一致（上拉和接地相结合），电平变化规则完全相同，区别在于：

  • K1 的功能特殊 ：PA0 同时具备普通 GPIO 和 唤醒功能（WKUP）。
  • 唤醒功能在低功耗模式下可能检测边沿触发的信号（高变低或低变高）来唤醒系统。

IO 配置建议

  1. K1（PA0，带唤醒功能） ：
    • 配置为输入模式。检测传递过来的电平值
    • 若使用唤醒功能，需根据芯片规格手册选择唤醒边沿（通常是下降沿触发，即高变低）。
    • 如果不使用唤醒功能，则按普通 GPIO 输入使用即可。
  2. K2、K3、K4（PE2、PE3、PE4） ：
    • 配置为输入模式，用于普通按键检测。
    • 直接读取对应 GPIO 引脚电平，高电平表示未按下，低电平表示按下。

疑问1

IO口应该配置输出还是输入？是输出电平？还是接收电平？

在这个按键电路中，IO 口应该配置为输入模式，用于接收按键的电平信号。以下是详细解释：

按键电路的原理回顾

  1. 每个按键（K2~K4）与 IO 引脚相连，同时通过上拉电阻拉至高电平：
    • 按键未按下：上拉电阻使 IO 引脚维持高电平（+3.3V）。
    • 按键按下：按键闭合，IO 引脚通过按键直接连接到地（GND），电平变为低电平（0V）。
  2. 因此，IO 引脚的任务是检测电平变化（高电平和低电平），用以判断按键状态。

为什么 IO 口应该配置为输入？

  • 输入模式的作用 ：
    • 配置为输入模式后，IO 引脚能够检测外部电路（如按键）产生的电平信号。
    • 它不会主动输出电平，而是依赖电路（如上拉电阻和按键状态）来确定输入信号的高低。
  • 输出模式不适合的原因 ：
    • 若配置为输出模式，IO 引脚会主动驱动电平（高或低），与按键电路的设计目的冲突。
    • 例如：按键按下时，IO 引脚被按键短路到地，若同时输出高电平，将引发电流冲突，甚至可能损坏芯片。

IO 配置细节

  1. 模式 ：
    • 配置为输入模式。
    • 若硬件电路中已接有外部上拉电阻（接+3.3V）（如 10kΩ），不需要再启用内部上拉功能。
  2. 电平读取 ：
    • 高电平（+3.3V）：按键未按下（默认状态）。
    • 低电平（0V）：按键按下。
  3. 特殊情况（针对 PA0 的唤醒功能） ：
    • 如果使用唤醒功能，需在低功耗模式下配置 IO 引脚为边沿触发模式（例如下降沿触发），以检测按键按下事件。

疑问2

如果外部没有上拉电阻呢？是不是要开启上拉电阻提供一个参考电平？

是的，如果外部没有上拉电阻（比如电路中没有10kΩ电阻），就需要启用 IO 引脚的内部上拉电阻，以提供一个稳定的参考电平。以下是详细解释：

为什么需要上拉电阻？

  1. 提供默认状态（高电平） ：
    • 当按键未按下时，IO 引脚必须通过上拉电阻连接到高电平 (+3.3V)，确保默认电平稳定。
    • 如果没有上拉电阻，IO 引脚的电平可能悬空（浮空），容易受到外界噪声干扰，导致检测结果不可靠。
  2. 工作原理 ：
    • 按键未按下时：上拉电阻将 IO 引脚拉到高电平。
    • 按键按下时：按键将 IO 引脚直接接地，电平变为低电平。

外部没有上拉电阻的情况下

  • 如果外部电路未提供上拉电阻（比如 10kΩ 上拉电阻缺失），则需要启用芯片内部的上拉功能。
  • 大多数微控制器（如 STM32）都支持内部上拉功能，具体方法是在配置 IO 口时设置为输入模式 + 内部上拉。

配置步骤

  1. 设置 IO 引脚为输入模式 ：
    • 配置 GPIO 为输入模式，能够检测外部电平。
  2. 启用内部上拉电阻 ：
    • 在 IO 配置寄存器中启用内部上拉电阻（通常是 GPIO_PUPDR 或类似的寄存器）。
    • 启用后，IO 引脚在未按下时会通过内部上拉电阻（通常是几十 kΩ）保持高电平。

注意事项

  • 内部上拉电阻 vs 外部上拉电阻 ：
    • 内部上拉电阻的阻值通常较大（一般 30kΩ ~ 50kΩ），相比外部电阻（如 10kΩ），拉高能力稍弱。
    • 如果电路对噪声抗干扰要求较高，建议使用外部 10kΩ 上拉电阻来代替内部上拉。
  • 不要同时使用外部和内部上拉 ：
    • 如果已经接了外部上拉电阻，就不需要再启用内部上拉，避免多重上拉影响电路性能。

为什么加一下普通电阻就拉高了电平呢？K1就更不理解了，因为有一端接地了，加一个电阻，也可以把K1拉高？

在这四个电路中,加入普通电阻确实能够拉高电平。这是因为这些电路存在上拉电阻的设计。

对于K1电路,即使一端接地,加入上拉电阻能将K1拉低。这是因为:

  1. K1的另一端连接到WKUP/PA0引脚,这个引脚通常是一个输入引脚。
  2. 当K1保持断开状态时,WKUP/PA0引脚的电平就会被下拉电阻R24拉低到0V。
  3. 当K1闭合时,WKUP/PA0引脚会被拉高到+3.3V。

所以,即使K1一端连接到GND,加上电阻R24后,WKUP/PA0引脚能够被拉低到0V。这样设计可以确保在K1断开时,WKUP/PA0引脚处于低电平状态,以便单片机能够检测到按键的松开。

分析一下K2、K3、K4这些电路。它们的电路结构是相似的。

以K2为例:

  • K2的一端连接到KEY2/PE2引脚
  • K2的另一端连接到正常的3.3V电源
  • 在K2断开的情况下,KEY2/PE2引脚会通过R12这个10K的上拉电阻被拉高到3.3V
  • 当K2闭合时,KEY2/PE2引脚会被拉低到接地

这种上拉电阻的设计能够确保在按键断开时,微控制器能检测到高电平信号,从而识别按键松开的状态。当按键闭合时,则会被拉低到接地电平,微控制器能检测到按键按下。

这就是为什么在这些电路中不使用微控制器内部的上拉/下拉电阻,而是在外部加上独立的上拉电阻的主要原因。

内部上拉/下拉电阻的驱动能力通常较弱,无法可靠地拉高或拉低电平,尤其是当电路中有较大的电容负载时。相比之下,在外部加上10K等较大阻值的上拉电阻,能够可靠地将引脚电平拉高到VCC电源电平,提高电路的抗干扰能力和稳定性。

同时,使用外部上拉电阻还能提供一定的电流源,有助于微控制器引脚的电平检测。内部上拉电阻通常只能提供微弱的电流,很容易受到噪音干扰。而外部10K上拉电阻能够为微控制器引脚提供足够的驱动能力,提高检测的准确性。

所以,在这种简单的按键检测电路中,使用外部独立的上拉电阻是一个较为常见且稳妥的做法,可以很好地满足电路设计的需求。

配置

不是矩阵按键，直接不断的扫描轮询这四个按键即可。

  • PA0

    c 复制代码 
    开对应总线的时钟使能
RCC->AHB1ENR |= 1U;

清空第0和1位，置0,其他位不动
GPIOA->MODER &= ~(3U)

清空第0和1位，置0,其他位不动
GPIOA->PUPDR &= ~(3U)

  • PE2

    c 复制代码 
    开对应总线的时钟使能
RCC->AHB1ENR |= (1U<<4);

清空第2和3位，置0,其他位不动
GPIOA->MODER &= ~((3U<<4)|(3U<<6)|(3U<<8))

清空第0和1位，置0,其他位不动
GPIOA->PUPDR &= ~((3U<<4)|(3U<<6)|(3U<<8))

  • 判断电平

    c 复制代码 
    #define KEY1 ((GPIOA->IDR) & 1U)
#define KEY2 !(((GPIOE->IDR) & (1U<<2))>>2)
#define KEY3 !(((GPIOE->IDR) & (1U<<3))>>3)
#define KEY4 !(((GPIOE->IDR) & (1U<<4))>>4)

按键扫描问题

c 复制代码 
//轮询按键的状态
u8 checkKey(){
	u8 key_val = 0xff;
	
	//KEY1没有按下是0，按下是1
	if(KEY1){
		//软件消抖
		delay_ms(15);
		//再检测一次
		if(KEY1){
			//赋值键值
			key_val = 1;
		}
		//等待按键释放
		while(KEY1);
		
		//返回键值
		return key_val;
	}
    return 0;
}
  • 蜂鸣器没有问题，但是流水灯按键执行会被卡住 （按键不松手的话CPU会卡住）
  • 这里还是单独检测按键状态即可，把状态返回出去，由其他函数把执行按键状态改变后的动作
  • 如果按下按键不松开的话，CPU会卡死在程序里，无法进行其他操作

思考：

​ 按键等待抬起的过程CPU在等待。导致执行程序卡死

​ 怎么才能把等待抬起替换？

优化要求：

​ ①不能卡程序（不能用等待抬起）

​ ②按一次按键只能返回一次键值（按键按下去，就不会再次赋值键值）

改进1

c 复制代码 
//轮询按键的状态
u8 checkKey(){
	//保存上一次的状态，用于检测是否释放，初始化为没有按下
	static u8 key_val = 0;
	
	//KEY1没有按下是0，按下是1
	if(KEY1){
		//软件消抖
		delay_ms(15);
		//再检测一次
		if(KEY1){
			//还没松手直接return保证一次按下只会触发一次
			if(key_val==1){
				return 0;
			}
			//赋值键值
			key_val = 1;
		}
		
		//返回键值
		return key_val;
	}
	
	//执行到这里就是所有按键都没有按下，键值改为没有按下状态
	key_val = 0;
	
	
	return key_val;
	
}

这个改进的问题就是虽然不用使用循环等待释放。但是每增加一个按钮就要判断新的值来确定赋值没有，不太方便。可见借鉴51的按键检测程序。先判断标志位再赋值

改进2的问题

重复进入消抖逻辑：一直按下不松手，以及没按都会进入消抖逻辑。导致流水灯计时异常。

你的流水灯被卡住的原因主要是以下几点：

  1. waterLed的计时依赖循环频率
    主循环中还执行了按键扫描和按键处理的逻辑，导致waterLed的计时变量time无法及时累加，影响流水灯状态更新。
  2. 按键扫描中的delay_ms阻塞问题
    按键消抖中频繁调用delay_ms（例如每次20ms），会让CPU停滞执行其他代码，阻塞了waterLed的运行，尤其是在按键状态复杂时。
  3. 主循环任务冲突
    主循环既要处理流水灯逻辑，又要扫描按键并切换灯的状态，二者之间存在时间分配上的冲突，导致某一方（如流水灯）运行不正常。

我没按啊？高速扫描按键状态和执行流水灯会冲突吗？他们有先后顺序啊？

确实，从代码上看，流水灯逻辑和按键扫描是有明确的先后顺序的，理论上不应该产生直接的冲突。如果没有按键操作，导致流水灯"卡住"的问题可能是由以下原因之一引起的：

waterLed逻辑问题

  • 计时单位误差
    time的累加依赖于主循环执行的速度。如果循环速度过慢，可能导致time累加的时间远远超过预期。例如：
c 复制代码 
if (time >= (speed * 50000))

中的50000是一个"经验值"，如果主循环执行速度不够快，这个值可能需要重新调整。

变量范围溢出
time是u32，如果在某些编译器设置下超出范围，可能会导致溢出错误，间接导致流水灯逻辑异常。

主循环执行时间问题

虽然waterLed和key_scan是按顺序执行，但每次主循环都需要耗费一定的时间：

  • 如果key_scan的延时（delay_ms(20)）频繁执行，将显著拖慢整个循环。
  • waterLed计时的逻辑就会受影响，表现为流水灯卡住。

即使没有按键按下，key_scan中每次检查都会触发delay_ms，这些累加的延时会让waterLed的时间判断被拖延。

按键状态的干扰

按键状态的浮动（比如由于硬件没有外接上拉或下拉电阻）可能导致虚假的按键"按下"被检测到。虽然你没有按键操作，程序可能仍然检测到按键触发，导致多余的逻辑执行。

c 复制代码 
// 按键检测函数
u8 key_scan(void)
{
	//循环很快，当按下时会被记录一次状态，没有松开，当再一次进入循环时，状态还是按下状态，不会返回值
	//只有按下后松开，松开逻辑才会把状态改为松开状态，那么下一次按下时才会返回值
	static u8 key_state = KEY_UNPRESS;  // 记录上一次的按键状态
	
	// 检测KEY1
	if(KEY1 == 1)  // 第一次检测到按下
	{
		delay_ms(20);  // 消抖
		if(KEY1 == 1)  // 确认按下
		{
			if(key_state == KEY_UNPRESS)  // 之前是未按下状态，可以赋值新状态
			{
				key_state = KEY1_PRESS;
				return KEY1_PRESS;
			}
		}
	}
	else if(KEY2 == 1)  // 检测KEY2
	{
		delay_ms(20);
		if(KEY2 == 1)
		{
			if(key_state == KEY_UNPRESS)
			{
				key_state = KEY2_PRESS;
				return KEY2_PRESS;
			}
		}
	}
	else if(KEY3 == 1)  // 检测KEY3
	{
		delay_ms(20);
		if(KEY3 == 1)
		{
			if(key_state == KEY_UNPRESS)
			{
				key_state = KEY3_PRESS;
				return KEY3_PRESS;
			}
		}
	}
	else if(KEY4 == 1)  // 检测KEY4
	{
		delay_ms(20);
		if(KEY4 == 1)
		{
			if(key_state == KEY_UNPRESS)
			{
				key_state = KEY4_PRESS;
				return KEY4_PRESS;
			}
		}
	}
	else  // 所有按键都未按下或者按下后松开了
	{
		delay_ms(20);  // 松开消抖
		if(KEY1 == 0 && KEY2 == 0 && KEY3 == 0 && KEY4 == 0)  // 确认都松开
		{
			key_state = KEY_UNPRESS;  // 恢复未按下状态，static局部变量
		}
	}
	
	return KEY_UNPRESS;  // 返回未按下状态
}

在这个按键扫描函数中，一旦进入了某个按键的 if 分支，其他 else if 分支就不会被执行了。这是 C 语言条件语句的基本特性。

具体来说，一旦 KEY1 == 1 这个条件为真，程序会执行 if 块内的代码，并且不会再检查后续的 else if (KEY2 == 1) 和其他按键条件。这意味着如果同时按下多个按键，只有第一个被检测到的按键会被识别和处理。

改进2的疑问

如果我按下不松开的话，他就会一直进入一个循环，但是没有操作，这样没有返回值合法吗？

这是一个很好的观察。在这个函数中，如果按键保持按下状态，函数的行为确实会有一些特点：

  1. 当首次按下按键时，函数会返回对应的按键值（如 KEY1_PRESS）。
  2. 只要按键保持按下状态，后续的函数调用会进入相应的 if 分支，但因为 key_state 已经被设置为非 KEY_UNPRESS，所以不会再次返回按键值。
  3. 函数会不断执行，但不会有返回值变化。

从技术上讲，这是合法的。函数总是会返回 KEY_UNPRESS，这意味着在按键持续按下期间，调用者会不断接收到 KEY_UNPRESS 的返回值。

也就是说我一直按下不松开，他会先进入一个if，进而进入到if分支，但是不会返回了，程序结束之后，会执行到最下面返回未按下状态，但是函数局部的按键状态依旧是按下状态？

  1. 首次按下按键时：
    • 会进入第一个 if(KEY1 == 1) 分支
    • 通过消抖
    • 检查 key_state 是 KEY_UNPRESS
    • 返回按键值（例如 KEY1_PRESS）
    • 将 key_state 设置为按下状态
  2. 继续按住不放时：
    • 会再次进入 if 分支
    • 但因为 key_state 已经不是 KEY_UNPRESS
    • 不会再返回按键值
    • 会执行到函数末尾
    • 返回 KEY_UNPRESS
  3. 关键点是 key_state是 static类型的局部变量：
    • 即使函数返回 KEY_UNPRESS
      • 外面的switch语句会默认直接跳出，进而一直不松开，一直触发无操作
    • key_state 的值仍然保持为按下状态
    • 这意味着下次调用函数时，仍然知道按键是按下的

这种设计可以防止重复触发，确保只有在按键状态从未按下变为按下时才返回按键值。

改进2最佳实践(逻辑绕死了，不建议)

解决：长按时重复进入消抖延迟逻辑

c 复制代码 
// 按键检测函数
u8 key_scan(void)
{
    static u8 key_state = KEY_UNPRESS;  // 上次按键状态记录
    u8 current_key = KEY_UNPRESS;      // 当前按下的按键状态

    // 检测按键
    if (KEY1 == 1) current_key = KEY1_PRESS;
    else if (KEY2 == 1) current_key = KEY2_PRESS;
    else if (KEY3 == 1) current_key = KEY3_PRESS;
    else if (KEY4 == 1) current_key = KEY4_PRESS;

    if (current_key != KEY_UNPRESS) // 检测到按键按下
    {
        if (key_state == KEY_UNPRESS) // 之前未按下，当前是第一次按下
        {
            delay_ms(20); // 消抖
            if (current_key != KEY_UNPRESS) // 确认按下状态
            {
                key_state = current_key; // 更新按键状态
                return current_key;      // 返回当前按键值
            }
        }
    }
    else // 没有按键按下
    {
        if (key_state != KEY_UNPRESS) // 检测到松开
        {
            delay_ms(20); // 松开消抖
            if (KEY1 == 0 && KEY2 == 0 && KEY3 == 0 && KEY4 == 0) // 确认松开
            {
                key_state = KEY_UNPRESS; // 恢复未按下状态
            }
        }
    }

    return KEY_UNPRESS; // 返回未按下状态
}

改进点

  1. 减少重复分支 ：通过一个变量 current_key 统一记录当前按键状态，避免重复的按键检测逻辑。
  2. 优化消抖逻辑：按下和松开的消抖操作更明确且分离，确保不会多次进入消抖逻辑。
  3. 易于扩展 ：若需要增加更多按键，只需在 if (KEYX == 1) 中添加分支即可。

优势

  • 避免冗余消抖：只有状态发生变化时才会进行消抖。
  • 逻辑清晰：按键状态管理更集中，便于阅读和维护。
  • 性能优化：减少了不必要的状态判断和延迟操作，提高了代码效率。

最佳实践

单加一个标志位锁住按键状态。和标志位一起判断

这个只能一次检测单个按键的状态

c 复制代码 
// 按键检测函数
u8 key_scan(void)
{
	u8 key_val = 0;
	static u8 key_flag = 1; // 开锁
	
	// 同时检测四个按键和锁定状态
	if((KEY1 || KEY2 || KEY3 ||KEY4) && key_flag)  // 有一个按键按下且没锁
	{
		delay_ms(20);  // 消抖
		if(KEY1)  // 确认按下是哪个键？
		{
			key_val = 1;
			//锁住
			key_flag = 0;
		}else if(KEY2){
			key_val = 2;
			//锁住
			key_flag = 0;
		}else if(KEY3){
			key_val = 3;
			//锁住
			key_flag = 0;
		}else if(KEY4){
			key_val = 4;
			//锁住
			key_flag = 0;
		}
	}
	
	//检测按键抬起
	if(!KEY1 && !KEY2 && !KEY3 && !KEY4){//所有按键都抬起才解锁，一次只能检测一次按键操作
		//解锁
		key_flag = 1;
	}
	return key_val;  //返回键值
}

F103最小系统板按键

怎么记接法？

  • IO口接在阳极上，则为推挽接法。

  • IO口接在阴极上，则为开漏接法。

  • 阳能推和拉，阴能漏。


按键的接线

输入上拉模式：

  • 弱上拉，可以轻易被IO口的电平影响。仅在没有外部信号时做参考使用
  • 按下，形成回路导通为0，松开回路断开，处于浮空状态，由于上拉的关系，还是呈现1
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