基于STC8A8K64S4A12开发板的GPIO按键检测实验

前言

做完了GPIO点灯实验，成就感满满，不知道小白的我是不是入门了，哈哈！开始做下一个GPIO按键检测的实验。

一、硬件电路设计

1.开发板用户按键硬件电路

轻触按键又称轻触开关（下文简称按键），是电路中常用的一种开关元器件，也是一种常用的人机接口。广泛用于家电、数码产品、便携仪产品、电脑产品等电子设备中。
STC8A8K64S4A12开发板上设计了4个用户按键KEY1、KEY2、KEY3、KEY4，当使用KEY1和KEY2时，可短接J26端子的P37||KEY1、P36||KEY2。程序中通过读取这些按键对应的GPIO的状态（高电平或低电平）可判断该按键是否按下，这种电路的形式称为高低电平接法，这种检测按键的方法称为按键高低电平检测。

图1：开发板按键检测电路及实物图

表1：用户按键引脚分配

轻触按键，顾名思义我们只需要施加很小的力量即可改变开关连接的状态。轻触按键在所需外力作用下（按下按键）触点导通，无外力作用时（释放按键）触点断开，如下图所示：

图2：轻触按键原理

2.按键检测接法

高低电平式接法是最常见的按键检测的接法，顾名思义，该接法就是需要单片机引脚具有高低电平的检测能力，也就是常见的GPIO引脚即可。高低电平式接法又可分为两种：独立式接法和行列式接法。
行列式接法是利用单片机的 GPIO口组成行与列，在行与列的每一个交点处连接按键。 故也称为矩阵式按键，该接线方法最大的优势是可以使用较少的GPIO口实现较多按键的检测，这个在矩阵按键扫描实验中会详细介绍。
独立式接法的含义就是使用单片机的一个GPIO引脚检测一个按键的状态，有多少按键需检测就需要多少个GPIO引脚，对每个按键的检测相互独立。
独立式按键接法一般会用低电平有效的方式，即按键按下是GPIO输入为低电平，如下图所示。

图3：独立式接法

上图中的电阻R的作用是将GPIO输入端口不确定的信号通过该电阻钳位在高电平状态。我们知道数字电路有三种状态：高电平、低电平和高阻状态，有些应用场合并不希望出现高阻状态，这时加上拉电阻即可让GPIO输入端口保持确定的状态。
按键释放时，因为上拉电阻R的关系，GPIO输入检测是高电平，按键闭合时，GPIO短接到GND，输入检测是低电平。这样，单片机根据GPIO的输入状态即可确定按键是否按下。

■ 按键检测知识扩展：ADC通过电阻分压检测多个按键
按键检测除了高低电平检测的方法之外，还有一种方法是使用ADC通过电阻分压检测多个按键，这种按键检测的电路形式称为分压式接法。
分压式接法，使用的单片机引脚必须具有ADC功能，根据检测口测得的不同的电压值来识别是哪个按键被按下。如下图所示，是分压式接法的原理示意图。这种方法最大的好处是节省IO资源，它只需一个具有ADC功能的IO即可实现多个按键的检测，它适用于IO资源紧张的场合，如一些电磁炉的按键使用的就是这种方法。
相对于高低电平检测，这种方法在编程上要复杂一些，需要事先计算好分压的电压值，存储于“表”中，程序运行时，采样到电压值后查表即可获知是哪个按键按下。

图4：分压式接法原理

3.按键检测电路考虑因素

按键检测电路设计的时候，需要我们考虑两个方面：按键释放时GPIO口状态的确定和按键消抖。
1)按键释放时GPIO口状态的确定
按键检测电路中，当按键释放后要能保证GPIO口电平是确定的，即按键释放时GPIO口固定为高电平或低电平。开发板RN1排阻就是满足用户按键释放时，在单片机GPIO口上保持高电平。
2)按键消抖
对于按键硬件上的消抖，一般常用的方式是在按键上并接一个容值约0.1uF左右电容，利用电容两端的电压不能突变的特性，消除抖动时产生的毛刺电压。虽然电容可以起到消除抖动的作用，但是在考虑按键灵敏度的情况下，电容时无法完全消除抖动的，消除抖动还需要软件的配合。
开发板上按键电路没有增加硬件消抖，开发板使用的是软件消抖，这对于一般的按键检测已经完全足够。

3)GPIO口保护
开发板按键检测电路中还串有排阻RN12，该排阻阻值100欧姆，串在单片机GPIO口和按键引脚中，起到保护GPIO口的目的。
分析：如果GPIO口不小心误配置为输出模式，并且输出高电平，则分析下电路可知，此时如果没有排阻RN12，若按下用户按键，则单片机GPIO口（控制输出高电平）直接和GND相连，会损坏GPIO口。

二、软件设计

1.寄存器解析

1.1.端口数据寄存器

下图是对端口数据寄存器P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7的描述，端口数据寄存器各位代表对应端口的GPIO口，在完成对配置寄存器设置后，可直接读取端口引脚电平。

图5：端口数据寄存器

1.2.端口上拉电阻控制寄存器

下图是对端口上拉电阻控制寄存器P0PU、P1PU、P2PU、P3PU、P4PU、P5PU、P6PU、P7PU的描述，这些特殊功能寄存器不支持位寻址。端口上拉电阻控制寄存器各位代表对应端口的GPIO口是否使能其上拉电阻，在完成对该寄存器设置后，相应GPIO端口便在单片机内部有了上拉电阻。该功能使得GPIO口在硬件电路设计时具有了更多的灵活性。但务必知晓端口上拉电阻控制寄存器为扩展SFR，逻辑地址位于XDATA区域，访问前需先将P_SW2寄存器的最高位（EAXFR）置1。

图6：端口数据寄存器

2.GPIO输入按键检测实验（单个c文件）

2.1.头文件引用和路径设置

■ 需要宏定义部分及引用的头文件
因为在“main.c”文件中使用了STC8的头文件“STC8.h”，所以需要引用下面的头文件。在头文件“STC8.h”中需要确定主时钟取值，所以宏定义主时钟值。

#define MAIN_Fosc       11059200L   //定义主时钟  
#include    "STC8.H" 

在程序设计中会用到定义变量的类型，为了定义变量方便，将较为复杂的“unsigned int”和“unsigned char ”进行了宏定义。

#define  uint16   unsigned int    
#define  uint8    unsigned char   

这样，再定义变量时可直接使用“uint16”和“uint8”来取代“unsigned int”和“unsigned char ”即可。

■ 需要包含的头文件路径
本例需要包含的头文件路径如下表：

表2：头文件包含路径

MDK中点击魔术棒，打开工程配置窗口，按照下图所示添加头文件包含路径。

图7：添加头文件包含路径

2.2.编写代码

首先根据开发板按键及指示灯GPIO分配，定义寄存器位变量，代码如下。

/********************** 
引脚别名定义 
***********************/  
sbit KEY=P0^7;      //用户按键KEY3用IO口P07  
sbit LED_D3=P7^2;   //用户指示灯D3用IO口P72      

然后，在主函数中先对P7.2和P0.7口进行模式配置，后主循环中检测按键状态，确认按键按下控制蓝色指示灯D3亮。

int main(void)  
{  
      P7M1 &= 0xFB; P7M0 &= 0xFB;     //设置P7.2为准双向口  
      P0M1 &= 0x7F;   P0M0 &= 0x7F;     //设置P0.7为准双向口   
//    P0M1 |= 0x80; P0M0 &= 0x7F;     //设置P0.7为高阻输入  
      
  while(1)  
  {  
         if(KEY == 0)  //检测用户按键KEY3对应引脚P0.7是否是低电平 (按键按下，引脚为低电平) 
       {  
         delay_ms(10);      //软件延时10ms，如果延时后按键KEY3的电平依然没有变化，说明按键确实被有效操作，简称按键消抖  
         if(KEY== 0)          //检测用户按键KEY3对应引脚P0.7是否依然是低电平  
         {  
                 LED_D3=0;           //点亮用户指示灯D3  
             while(KEY == 0)         //等待按键KEY3释放，即如果P0.7一直为低电平，会一直执行空命令  
                 {  
                     ;               //条件KEY == 0成立，会执行这个空命令  
                 }  
         LED_D3=1;                   //按键KEY3释放，熄灭用户指示灯D3  
        }  
       }  
    }  
}       

3.流水灯实验（多个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：实验需要用到的c文件

3.2.头文件引用和路径设置

■ 需要引用的头文件
因为在“main.c”文件中使用了控制led的函数和延时函数（延时函数没有在main.c中定义），所以需要引用下面的头文件。

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

■ 需要包含的头文件路径
本例需要包含的头文件路径如下表：

表4：头文件包含路径

MDK中点击魔术棒，打开工程配置窗口，按照下图所示添加头文件包含路径。

图8：添加头文件包含路径

3.3.编写代码

首先在key.h中，宏定义4个用户按键，引用延时函数的头文件，声明按键检测函数供外部调用。代码如下。

#include "delay.h"  
  
#define KEY_ON  0  
#define KEY_OFF 1  
  
  
#define KEYS_OFF    0             //没有按键按下  
#define KEY1_ON     1             //按键KEY1按下  
#define KEY2_ON     2             //按键KEY2按下  
#define KEY3_ON     3             //按键KEY3按下  
#define KEY4_ON     4             //按键KEY4按下  
  
/******************************************** 
引脚别名定义 
*********************************************/            
sbit KEY_S1=P3^7;         //用户按键KEY1用IO口P37  
sbit KEY_S2=P3^6;         //用户按键KEY2用IO口P36  
sbit KEY_S3=P0^7;         //用户按键KEY3用IO口P07  
sbit KEY_S4=P0^5;         //用户按键KEY4用IO口P05  
  
extern uint8 Keys_Scan(uint8 mode);  

然后，在key.c文件中编写一个按键检测函数Keys_Scan，代码如下。

程序清单：延时函数

/************************************************************************** 
功能描述：检测开发板上的4个用户按键(KEY1、KEY2、KEY3、KEY4) 
入口参数：uint8 mode 是否支持连按 
返回值：按键编号 
 *************************************************************************/  
uint8 Keys_Scan(uint8 mode)  
{  
     static uint8 Key_up=1;   //标志变量  
      
     if(mode==1)  //支持连按  
     {  
          Key_up=1;   //变量 Key_up会被重新赋值为1  
     }  
      
     //检测按键KEY1、按键KEY2、按键KEY3、按键KEY4用IO口电平是否为低电平  
   if(Key_up&&((KEY_S1 == KEY_ON ) || (KEY_S2 == KEY_ON ) || (KEY_S3 == KEY_ON ) || (KEY_S4 == KEY_ON )))  
     {  
             delay_ms(10);     //软件延时10ms，去抖  
           Key_up=0;         //变量 Key_up会被赋值为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;   //变量 Key_up会被赋值为1  
   }   
   return KEYS_OFF;  
} 

因为按键检测函数Keys_Scan中使用了控制led的函数、有关KEY的宏定义和延时函数，所以需要在key.c文件中引用下面的头文件。

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

最后，在主函数中先对4个用户指示灯和4个用户按键用到的GPIO口进行模式配置，后主循环中调用按键检测函数，可观察各用户按键按下后用户指示灯变化情况。

代码清单：主函数

int main(void)  
{  
    uint8 temp;  
    P2M1 &= 0x3F;   P2M0 &= 0x3F;     //设置P2.6~P2.7为准双向口  
    P7M1 &= 0xF9;   P7M0 &= 0xF9;     //设置P7.1~P7.2为准双向口  
    P0M1 &= 0x5F;   P0M0 &= 0x5F;     //设置P0.5，P0.7为准双向口  
//  P0M1 |= 0xA0;   P0M0 &= 0x5F;     //设置P0.5，P0.7为高阻输入  
    P3M1 &= 0x3F;   P3M0 &= 0x3F;     //设置P3.6~P3.7为准双向口  
//  P3M1 |= 0xC0;   P3M0 &= 0x3F;   //设置P3.6~P3.7为高阻输入  
      
//  P_SW2 |= 0x80;                  //将EAXFR位置1，以访问在XDATA区域的扩展SFR  
//  P0PU |= 0xA0;                 //设置P0.5，P0.7口有上拉电阻  
//  P3PU |= 0xC0;                 //设置P3.6~P3.7口有上拉电阻  
//  P_SW2 &= 0x7F;                  //将EAXFR位置0，恢复访问XRAM          
      
  while(1)  
  {  
    temp=Keys_Scan(0);                 //获取开发板用户按键检测值，不支持连按  
    if(temp == KEY1_ON)                //如果按键KEY1被操作  
    {  
      led_toggle(LED_1);               //控制用户指示灯D1翻转  
    }  
    else if(temp == KEY2_ON)           //如果按键KEY2被操作  
    {  
      led_toggle(LED_2);               //控制用户指示灯D2翻转  
    }   
    else if(temp == KEY3_ON)           //如果按键KEY3被操作  
    {  
      led_toggle(LED_3);               //控制用户指示灯D3翻转  
    }   
    else if(temp == KEY4_ON)           //如果按键KEY4被操作  
    {  
      led_toggle(LED_4);               //控制用户指示灯D4翻转  
    }       
        
    }  
}  

总结

以上就是今天要讲的内容，希望对你有所帮助！