按键消抖常用的软硬件方法

玩转单片机与嵌入式 2023-09-03 07:22

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一：什么是开关抖动？

当我们按下按钮或拨动开关或微动开关时，两个金属部件会接触以短路电源。但它们不会立即连接，而是金属部件在实际稳定连接之前连接和断开几次。释放按钮时也会发生同样的事情。这会导致误触发或多次触发，例如多次按下按钮。这就像一个弹跳的球从高处落下，它一直在表面弹跳，直到它静止。

换句话说，我们可以说开关弹跳是任何开关的非理想行为，它会生成单个输入的多个转换。当我们处理电源电路时，开关弹跳不是主要问题，但当我们处理逻辑或数字电路时，它会引起问题。因此，为了消除电路中的抖动，使用了开关去抖动电路。

二：电路及波形

首先，我们将演示没有开关去抖动的电路

通过示波器抓取信号的波形如下：

您还可以在按下按钮时在示波器中看到波形。它显示在按钮切换期间发生了多少弹跳。

三：硬件去抖动

防止电路开关弹跳的常用方法有3种。

硬件去抖
RC 去抖
开关去抖IC

硬件电路去抖

在硬件去抖动技术中，我们使用 S-R 触发器来防止电路发生开关抖动。这是所有方法中最好的去抖动方法。

该电路由两个与非门（74HC00 IC）组成，形成一个 SR 触发器。正如您在电路图中看到的，只要拨动开关切换到 A 侧，输出逻辑就会变为“高”。在这里，我们使用示波器来检测弹跳。而且，正如您在下面给出的波形中看到的那样，逻辑正在以轻微的曲线移动而不是弹跳。电路中使用的电阻是上拉电阻。

每当开关在触点之间移动以产生反弹时，触发器都会保持输出，因为“0”是从与非门的输出反馈的。

R-C 去抖

R-C 仅由其名称定义，该电路使用 RC 网络来防止开关弹跳。电路中的电容器滤除开关信号的瞬间变化。当开关处于打开状态时，电容器两端的电压保持为零。最初，当开关打开时，电容器通过 R1 和 R2 电阻器充电。

当开关闭合时，电容器开始放电至零，因此反相施密特触发器输入端的电压为零，因此输出变为高电平。

在弹跳情况下，电容器停止 Vin 处的电压，直到它达到 Vcc 或接地。

为了提高 RC 去抖动的速度，我们可以连接一个二极管，如下图所示。因此，它减少了电容器的充电时间。

开关去抖IC

市场上有用于开关去抖动的 IC。一些去抖 IC 是 MAX6816、MC14490 和 LS118。

下面是使用MAX6818进行开关去抖的电路图。

所以在这里，我们学习了按钮如何产生开关反弹效应，以及如何通过使用硬件的方式来防止按键抖动。

四：软件消抖

我们都知道，并且也是我们使用最多的场合是通过软件实现按键消抖。

最简单的方式是增加延迟以消除软件去抖。添加延迟会强制控制器在特定时间段内停止，但在程序中添加延迟并不是一个好的选择，因为它会暂停程序并增加处理时间。最好的方法是在代码中使用中断来进行软件弹跳。

软件延时

sbit KEY = P1^3;///按键读取函数uint8_t GetKey(void){    if(KEY == 1)    {        DelayMs(20);        //延时消抖        if(KEY == 1)        {            return 1;        }        else         {            return 0;        }    }    else     {        return 0;    }}

上面是最简单的软件延时方法，也可以通过多个按键组合增加相关软件滤波的方式进行按键判断，其实原理相似。

但是这种纯延时的实现方式太过暴力，在延时的时候一直占用cpu的资源，如果在延时的时候，有其他外部中断或者抢占事件，系统完全没有响应的。

所以我们CPU需要一个独立的定时装置，来完成这个计时工作，而且需要在计时时间到达时再检测一次按键的电平值。

中断消抖

首先初始化管脚，打开管脚的外部中断:

/*Configure GPIO pins : KEY_1_Pin KEY_2_Pin */  GPIO_InitStruct.Pin = KEY_1_Pin|KEY_2_Pin;  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING;  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;  HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);      /* EXTI interrupt init*/  HAL_NVIC_SetPriority(EXTI15_10_IRQn, 5, 0);  HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI15_10_IRQn);

初始化TIM1，打开其update中断：


static void MX_TIM1_Init(void){  htim1.Instance = TIM1;  htim1.Init.Prescaler = 7200 - 1;                // 72000000 / 7200 = 10000 hz  0.01ms  htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;  htim1.Init.Period = 200 - 1;                    // 200 * 0.01 = 20ms  htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;  htim1.Init.RepetitionCounter = 0;  htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;    if (HAL_TIM_Base_Init(&htim1) != HAL_OK)  {    _Error_Handler(__FILE__, __LINE__);  }

void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef* htim_base){     if(htim_base->Instance==TIM1)     {   /* Peripheral clock enable */                         __HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE();      /* USER CODE BEGIN TIM1_MspInit 1 */        HAL_NVIC_SetPriority(TIM1_UP_IRQn,1,3);         HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM1_UP_IRQn);     }}

在stm32f1xx_hal_it.c中去注册中断回调函数(关键的步骤，需要在按键中断处理函数中打开定时器，开始计时)：

void EXTI15_10_IRQHandler(void)            // 按键的中断处理函数{   HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);    //  开启定时器1，开始计时   printf("key down\r\n");   __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(GPIO_PIN_11);  __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(GPIO_PIN_12);}

定时器的中断处理函数：

void TIM1_UP_IRQHandler(void){    HAL_TIM_IRQHandler(&htim1);   //这个是所有定时器处理回调的入口，在这个函数里对应定时器多种中断情况的中断回调，需要找到update的回调函数  printf("TIM IRQ\r\n"); }void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)        // 定时器update中断处理回调函数{   /* USER CODE BEGIN Callback 0 */    /* USER CODE END Callback 0 */   if (htim->Instance == TIM2) {     HAL_IncTick();   }      if (htim->Instance == TIM1) {            // 在这里选择tim1       printf("TIM1 updata\r\n");     HAL_TIM_Base_Stop_IT(&htim1);       //    关闭tim1 及清除中断      if (GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC,GPIO_PIN_11) )    //再次判断管脚的电平     {      printf("KEY1 be pressed!!!\r\n");     }        if (GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC,GPIO_PIN_12) )//再次判断管脚的电平    {      printf("KEY2 be pressed!!!\r\n");    }   }   /* USER CODE BEGIN Callback 1 */    /* USER CODE END Callback 1 */}