51单片机基础-独立按键

第七章 独立按键

1. 导入

在前几章中，我们学习了单片机的输出控制，包括LED、蜂鸣器和数码管。本章将引入输入设备 ------独立按键，实现人机交互的基本功能。

独立按键是最简单的输入装置，广泛应用于各种嵌入式系统中。通过本章学习，你将掌握：

• 按键的硬件连接与消抖原理；
• 如何检测按键按下与释放；
• 实现按键控制LED、数码管等输出设备；
• 编写可靠的按键检测函数；
• 为后续学习矩阵键盘、中断按键打下基础。

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2. 硬件设计

2.1 按键工作原理

按键是一个机械开关，按下时导通，松开时断开。但在机械接触瞬间会产生抖动（Bounce），导致电平快速变化，可能被误判为多次按下。

2.2 硬件消抖

最简单的消抖方式是使用RC滤波电路，但教学中常用软件消抖，成本低、灵活性高。

2.3 按键连接方式

典型电路（共4个独立按键）：

• 按键一端接地（GND）；
• 另一端接单片机I/O口（如P3.0）；
• I/O口内部或外部接上拉电阻（10kΩ），使未按下时为高电平。

51单片机P0、P1、P2口有弱上拉，P3口也有上拉能力，可直接使用。

引脚分配示例：

按键	连接引脚	功能
K1	P3.0	启动/停止
K2	P3.1	加1
K3	P3.2	减1
K4	P3.3	模式切换

注意：P3.2和P3.3也可用于外部中断，后续可扩展。

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3. 软件设计

3.1 按键检测原理

• 未按下：I/O口为高电平（上拉）；
• 按下：I/O口被拉低，为低电平；
• 检测到低电平 → 可能按下 → 延时消抖 → 再次检测 → 确认按下。

3.2 简单按键检测函数

#include <reg52.h>

sbit KEY1 = P3^0;
sbit KEY2 = P3^1;

// 延时函数
void delay_ms(unsigned int ms) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++)
        for (j = 0; j < 125; j++);
}

// 检测按键是否按下（返回1：按下，0：未按下）
unsigned char key_press(sbit key) {
    if (key == 0) {           // 电平为低，可能按下
        delay_ms(10);         // 软件消抖延时
        if (key == 0) {       // 仍为低，确认按下
            while(key == 0);  // 等待释放（防止重复触发）
            return 1;
        }
    }
    return 0;
}

说明：while(key == 0)用于等待按键释放，避免一次按下触发多次。

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3.3 按键控制LED

实现：按下K1，LED状态翻转。

sbit LED = P1^0;
sbit KEY1 = P3^0;

void main() {
    while(1) {
        if (key_press(KEY1)) {
            LED = ~LED;  // 翻转LED状态
        }
    }
}

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3.4 多按键检测

unsigned char key_scan() {
    if (P3 == 0xFE) {  // K1按下（P3.0=0，其余=1）
        delay_ms(10);
        if (P3 == 0xFE) {
            while(P3 != 0xFF);  // 等待释放
            return 1;
        }
    }
    else if (P3 == 0xFD) { // K2按下（P3.1=0）
        delay_ms(10);
        if (P3 == 0xFD) {
            while(P3 != 0xFF);
            return 2;
        }
    }
    return 0;
}

优点：可同时检测多个按键状态；缺点：占用P3口全部引脚。

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3.5 按键控制数码管数字增减

目标：K2加1，K3减1，数码管显示当前值。

#include <reg52.h>

sbit KEY_ADD = P3^1;
sbit KEY_SUB = P3^2;

unsigned char code seg_code[] = {0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};
unsigned char num = 0;

void delay_ms(unsigned int ms) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++)
        for (j = 0; j < 125; j++);
}

void display_digit(unsigned char n) {
    P0 = seg_code[n];
    P2 = 0x0E;  // 选中第一位数码管
    delay_ms(5);
}

void key_action() {
    if (KEY_ADD == 0) {
        delay_ms(10);
        if (KEY_ADD == 0) {
            num++;
            if (num > 9) num = 0;
            while(KEY_ADD == 0);
        }
    }
    if (KEY_SUB == 0) {
        delay_ms(10);
        if (KEY_SUB == 0) {
            num--;
            if (num > 9) num = 9;  // 防止溢出（无符号数）
            while(KEY_SUB == 0);
        }
    }
}

void main() {
    while(1) {
        key_action();
        display_digit(num);
    }
}

说明：num--后若为-1，无符号数变为255，故用 if(num > 9) num = 9; 拦截。

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3.6 支持长按功能（扩展）

void key_long_press() {
    static unsigned char count = 0;
    if (KEY_ADD == 0) {
        delay_ms(10);
        if (KEY_ADD == 0) {
            count++;
            if (count >= 50) {  // 长按500ms
                num++;          // 连续加
                count = 40;     // 控制加速度
            }
        }
    } else {
        count = 0;
    }
}

可结合定时器实现更精准长按检测。

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3.7 编译与下载

• Keil中创建工程；
• 确认按键与I/O连接正确；
• 编译生成HEX文件；
• 下载至单片机；
• 按下按键，观察LED或数码管是否响应。

若无响应：

• 检查按键是否接地；
• 确认上拉电阻存在；
• 测量按下时引脚是否为低电平。

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##4. 小结

本章通过引入独立按键，实现了人机交互的基本功能，主要内容包括：

• 硬件连接：掌握按键的上拉接法与消抖电路设计；
• 软件检测：编写可靠的按键检测函数，支持单击、消抖、等待释放；
• 应用实例：实现按键控制LED翻转、数码管数字增减；
• 扩展功能：支持多按键识别与长按操作；
• 开发流程：完成输入-处理-输出的完整闭环。

4.1 常见问题与解决

问题	原因	解决方法
按键无反应	未接上拉电阻、接地不良	检查电路，确保默认高电平
误触发多次	消抖不充分	增加延时或改进检测逻辑
按键卡死	未等待释放	加入while(key == 0)等待松手
数码管闪烁	显示时间过长	缩短display_digit延时至1~2ms

4.2 下一步学习建议

• 学习外部中断，实现按键快速响应；
• 设计矩阵键盘，节省I/O资源；
• 结合定时器，实现非阻塞按键扫描；
• 应用于电子钟、密码锁等综合项目。

本章标志着你已掌握基本输入能力，下一章将进入定时器/计数器模块的深入学习，实现精准时间控制与中断响应。

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