单片机中的按键防抖

按钮（按键）抖动是单片机开发中常见的硬件问题，本质是机械触点接触瞬间的物理弹跳导致的电信号不稳定。消除抖动（防抖）是确保按键状态检测准确的关键，下面从原理到实现详细讲解。

一、按钮抖动的原理：为什么需要防抖？

机械按钮的触点由金属弹片组成，按下或松开瞬间，弹片会因弹性发生多次快速接触与分离（持续时间通常为5~20ms），表现为单片机检测到的电平信号在高/低电平之间快速跳变：

未按下时：按钮断开，通常通过上拉电阻（内部或外部）使输入引脚为高电平（1）；
按下瞬间：触点弹跳，电平在1和0之间快速切换（抖动阶段）；
稳定按下：触点完全接触，电平稳定为低电平（0）；
松开瞬间：同样出现弹跳，电平从0跳变回1的过程中抖动。

若不处理，单片机会误将抖动中的"多次跳变"识别为"多次按键操作"（比如一次按下被当成多次触发），导致逻辑错误。

二、防抖的核心思路："等待稳定"或"过滤毛刺"

防抖的本质是忽略抖动阶段的不稳定信号，只识别稳定状态，常用两种方案：

1. 硬件防抖：通过电路消除抖动（适合批量生产）

通过RC滤波电路或专用防抖芯片，从硬件层面过滤抖动信号，优点是不占用CPU资源，缺点是增加硬件成本。

（1）RC滤波电路（最常用）

原理：利用电容充放电特性平滑抖动信号，电阻限制电流。
电路：按钮两端并联一个100nF电容（C），串联一个1kΩ电阻（R）到地，单片机引脚接在电阻与电容之间。
- 按下时，电容快速放电，电平稳定为低；
- 抖动时，电容充放电速度跟不上抖动频率，电平保持稳定。

（2）专用防抖芯片

如74HC14（施密特触发器），通过滞回特性将抖动信号整形为稳定的高低电平，适合对稳定性要求高的场景。

2. 软件防抖：通过程序逻辑消除抖动（灵活低成本）

硬件防抖有额外成本，实际开发中更常用软件防抖，核心是检测到电平变化后，等待一段时间（大于抖动时间，通常10~20ms），再确认按键状态。

软件防抖的关键逻辑：

检测到按键状态变化（如从高到低）；
启动定时器或延时，等待抖动结束（如10ms）；
再次检测按键状态，若与第一次变化一致，则确认有效（如确实按下）。

三、软件防抖的经典实现方法（附代码）

以"按下按键时电平从高变低"为例（上拉输入模式），介绍3种常用软件防抖方法：

方法1：延时函数防抖（简单直观，适合裸机单任务）

通过delay()函数等待抖动结束，再读取状态，适合对实时性要求不高的场景（如流水灯控制）。

原理：

检测到按键引脚为低电平时（可能是抖动），延时10ms；
延时后再次检测，若仍为低电平，则确认按键按下。

示例代码（STM32 HAL库）：

c 复制代码

#include "stm32f1xx_hal.h"

#define KEY_PIN GPIO_PIN_0
#define KEY_PORT GPIOA

// 按键扫描函数（返回1表示按下，0表示未按下）
uint8_t Key_Scan(void) {
  static uint8_t key_state = 0; // 按键状态（0：未按下，1：按下）
  
  // 第一次检测到按键按下（低电平）
  if (HAL_GPIO_ReadPin(KEY_PORT, KEY_PIN) == GPIO_PIN_RESET) {
    HAL_Delay(10); // 延时10ms，等待抖动结束
    // 再次检测，确认按下
    if (HAL_GPIO_ReadPin(KEY_PORT, KEY_PIN) == GPIO_PIN_RESET) {
      key_state = 1;
      return 1; // 按键有效按下
    }
  } else {
    // 按键松开，状态复位
    key_state = 0;
  }
  return 0;
}

// 主函数中调用
int main(void) {
  HAL_Init();
  // 初始化按键引脚为上拉输入
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  GPIO_InitStruct.Pin = KEY_PIN;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; // 内部上拉，未按下时为高电平
  HAL_GPIO_Init(KEY_PORT, &GPIO_InitStruct);
  
  while (1) {
    if (Key_Scan() == 1) {
      // 执行按键操作（如点亮LED）
      HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_5); // 假设LED接PB5
    }
  }
}

缺点：

HAL_Delay(10)会阻塞CPU，期间无法执行其他任务，不适合多任务或实时性要求高的场景（如电机控制）。

方法2：定时器中断防抖（无阻塞，推荐）

利用定时器定时触发中断（如1ms一次），在中断中记录按键状态变化的时间，通过时间差判断是否稳定，避免阻塞主程序。

原理：

定时器每1ms进入一次中断，更新"按键按下的持续时间"；
当持续时间超过10ms时，确认按键稳定按下。

示例代码（STM32 HAL库）：

c 复制代码

#include "stm32f1xx_hal.h"

#define KEY_PIN GPIO_PIN_0
#define KEY_PORT GPIOA

uint8_t key_pressed = 0; // 按键有效按下标志（1：有效）
uint16_t key_press_time = 0; // 按键按下的持续时间（ms）

// 定时器中断回调函数（1ms触发一次）
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
  if (htim->Instance == TIM2) { // 假设用TIM2
    // 检测按键是否按下（低电平）
    if (HAL_GPIO_ReadPin(KEY_PORT, KEY_PIN) == GPIO_PIN_RESET) {
      key_press_time++; // 持续按下，时间累加
      // 持续时间超过10ms，确认有效
      if (key_press_time >= 10) {
        key_pressed = 1;
        key_press_time = 10; // 防止溢出
      }
    } else {
      // 按键松开，复位
      key_press_time = 0;
      key_pressed = 0;
    }
  }
}

// 主函数中初始化定时器和按键
int main(void) {
  HAL_Init();
  // 初始化按键引脚（上拉输入）
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  GPIO_InitStruct.Pin = KEY_PIN;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  HAL_GPIO_Init(KEY_PORT, &GPIO_InitStruct);
  
  // 初始化定时器（1ms中断）
  TIM_HandleTypeDef htim2;
  htim2.Instance = TIM2;
  htim2.Init.Prescaler = 7200 - 1; // 72MHz / 7200 = 10kHz
  htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim2.Init.Period = 10 - 1; // 10kHz / 10 = 1kHz → 1ms
  HAL_TIM_Base_Init(&htim2);
  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2); // 启动定时器中断
  
  while (1) {
    if (key_pressed == 1) {
      // 执行按键操作
      HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_5);
      key_pressed = 0; // 清除标志（避免重复触发）
    }
    // 主循环可执行其他任务（无阻塞）
  }
}

优点：

定时器中断独立运行，不阻塞主程序，适合多任务场景；
时间控制精确，可灵活调整防抖阈值（如10ms/20ms）。

方法3：状态机防抖（处理复杂按键逻辑，如长按/短按）

通过状态机管理按键的"空闲→按下→稳定→松开"等状态，不仅能防抖，还能识别长按、短按、双击等复杂操作。

状态定义：

KEY_IDLE：空闲状态（未按下）；
KEY_PRESS_DETECT：检测到按下（可能抖动）；
KEY_PRESSED：稳定按下状态；
KEY_RELEASE_DETECT：检测到松开（可能抖动）。

示例代码（通用C语言，可移植）：

c 复制代码

#include <stdint.h>

// 按键状态枚举
typedef enum {
  KEY_IDLE,
  KEY_PRESS_DETECT,
  KEY_PRESSED,
  KEY_RELEASE_DETECT
} KeyState;

#define KEY_PIN 0 // 假设按键接在GPIO0
#define READ_KEY() (gpio_read(KEY_PIN)) // 读取按键电平（0：按下，1：未按下）
#define DEBOUNCE_TIME 10 // 防抖时间（ms）

KeyState key_state = KEY_IDLE;
uint16_t key_timer = 0; // 状态切换计时器
uint8_t key_short_press = 0; // 短按标志
uint8_t key_long_press = 0;  // 长按标志（如200ms）

// 每1ms调用一次，更新按键状态
void Key_Process(void) {
  switch (key_state) {
    case KEY_IDLE:
      if (READ_KEY() == 0) { // 检测到按下
        key_state = KEY_PRESS_DETECT;
        key_timer = 0;
      }
      break;
      
    case KEY_PRESS_DETECT:
      key_timer++;
      if (key_timer >= DEBOUNCE_TIME) { // 防抖时间到
        if (READ_KEY() == 0) { // 确认按下
          key_state = KEY_PRESSED;
          key_timer = 0; // 重置计时器，用于检测长按
        } else {
          key_state = KEY_IDLE; // 抖动，回到空闲
        }
      }
      break;
      
    case KEY_PRESSED:
      key_timer++;
      if (READ_KEY() == 1) { // 检测到松开
        key_state = KEY_RELEASE_DETECT;
        if (key_timer < 200) { // 短按（<200ms）
          key_short_press = 1;
        }
        key_timer = 0;
      } else if (key_timer >= 200) { // 长按（≥200ms）
        key_long_press = 1;
        key_state = KEY_IDLE; // 长按后直接回到空闲
      }
      break;
      
    case KEY_RELEASE_DETECT:
      key_timer++;
      if (key_timer >= DEBOUNCE_TIME) { // 防抖时间到
        key_state = KEY_IDLE; // 确认松开，回到空闲
      }
      break;
  }
}

// 主函数中使用
int main(void) {
  while (1) {
    Key_Process(); // 每1ms调用一次（可在定时器中断中调用）
    
    if (key_short_press) {
      key_short_press = 0;
      // 执行短按操作（如切换模式）
    }
    
    if (key_long_press) {
      key_long_press = 0;
      // 执行长按操作（如复位）
    }
  }
}

优点：

能区分短按、长按等复杂操作，扩展性强；
无阻塞，适合需要丰富交互的场景（如遥控器、智能设备）。

四、防抖方法的选择建议

简单场景（如一键控制LED）：用延时函数防抖（代码简单）；
多任务/实时性要求高（如同时控制电机和按键）：用定时器中断防抖；
复杂交互（需识别长按/双击）：用状态机防抖；
批量生产/硬件允许：加RC硬件防抖（减少软件负担）。

总结

按钮防抖的核心是"过滤5~20ms的抖动信号"，硬件方案适合量产，软件方案更灵活。实际开发中，推荐"硬件RC滤波+软件定时器防抖"的组合，兼顾可靠性和灵活性。掌握状态机防抖能应对绝大多数复杂按键场景，是单片机工程师的必备技能。