如何实现单片机用一个I/O采集多个按键信号

使用模数转换（ADC）的特点就可以实现单片机用一个I/O采集多个按键信号。

一、单片机的I/O口检测按键简说

我们知道，一般情况下单片机的一个I/O口作为普通I/O口的话，只能检测识别一个按键。

日常设计中，如果碰到按键数量较多的话，会采用行列式键盘，例如最常见的4X4矩阵键盘，这样可以实现用8个I/O口检测16个按键。

另外还有使用串口或者IIC、SPI接口的键盘芯片，这些使用常见的串口、IIC、SPI通信协议实现。

但是这些都一个以上的I/O口，不是真正的用多个按键。

二、基于模数转换的AD键盘

我们知道按键检测实际上是检测连接按键的端口的高低电平值，在单个I/O口检测单个按键时，只是简单的判断连接按键的端口的电平是高电平（+5V）还是低电平（0V）。那么是否可以通过电平的微小变化来检测按键是否被按下呢？

下图为一个A/D键盘的原理图，从图中可以看出，当不同的按键被按下时，ADC端点处的电压不同，通过判断不同的电压值就可以判断出是那个按键被按下。

对于这种按键，有以下缺点：

1、对于同一点处的电压值，A/D多次采样的结果不可能完全相同。

2)、电阻的误差。电阻值由于电阻的精度和环境温度的原因，误差较大，所以A/D键盘各个按键点的分压不准确。

3）、为尽量减少误差，可以采取增加电阻精度、增加温度补偿等方法，另外在软件处理时候要注意消除按键抖动等因素，还要对实际转换值和标准值给出误差补偿。

4）、如果按键按下，经过A/D转换，若实际转换值在允许误差范围之内（需要实际测量各点电压，并计算各点电压平均值），则认为按键按下，否则程序不响应。

5）、实际试验过程中，还要考虑电阻的累积误差，选用精度越高的电阻，可分辨的按键数目越多。

在单片机开发中，由于资源受限而没有平台的支持，每次开发都要重写很多代码，应用的千奇百怪的需求更是加剧了这种困难。解决问题的办法是，总结常见的需求，分析它，得出即高效有通用的解决方案。

今天我就来为大家提供一种按键的解决方案，它易用，高效，节省资源！

先给出这个按键模块解决方案的全部代码，稍后再来分析。

keyif.h内容：

1: #ifndef __KEY_IF_H__
2: #define __KEY_IF_H__
3: ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
4: typedef unsigned char u8_t;
5:
6: #define KEY_NUM_MAX (8)
7:
8: #define KEY_STA_BEGIN (0)
9: #define KEY_STA_KEEP (1)
10: #define KEY_STA_END (2)
11:
12: #define KEY_PERIOD_MS (25)
13:
14: void kif_Init(void);
15: void kif_TickHook(void);
16:
17: /*
18: kindex 按键索引，从0开始，而小于KEY_NUM_MAX。
19: 返回值：按键被按下返回非零，按键被抬起返回零。
20: */
21: extern u8_t KeyRead(u8_t kindex);
22: /*
23: kindex 按键索引，从0开始，而小于KEY_NUM_MAX。
24: ksta 按键状态，取值为KEY_STA_系列宏。
25: ktick 按键计时，以KEY_PERIOD_MS时间为计数单位。
26: 返回值：如果本次按键操作已经处理妥当，就返回非零。
27: */
28: extern u8_t KeyProc(u8_t kindex, u8_t ksta, u8_t ktick);
29:
30: ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
31: #endif /* __KEY_IF_H__ */
32:

keyif.c内容：

1: #include "keyif.h"
2: #include
3:
4: #if defined(KEY_NUM_MAX) && (KEY_NUM_MAX > 0)
5:
6: #if KEY_NUM_MAX > 255
7: #error 该模块为8位单片机优化，不支持255个以上按键。
8: #endif
9:
10: static u8_t kticks[KEY_NUM_MAX]; // 每个按键需要1字节计时器。
11: static u8_t kstats[(KEY_NUM_MAX+7)/8]; // 每个按键需要1BIT的状态标志。
12: static u8_t kvalid[(KEY_NUM_MAX+7)/8]; // 每个按键需要1BIT的有效标志。
13: ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
14: //| |
15: //| 函数名称 |: kif_Init
16: //| 功能描述 |:
17: //| |:
18: //| 参数列表 |:
19: //| |:
20: //| 返 回 |:
21: //| |:
22: //| 备注信息 |:
23: //| |:
24: ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
25: void kif_Init(void)
26: {
27: memset(kticks, 0, sizeof(kticks));
28: memset(kstats, 0, sizeof(kstats));
29: memset(kvalid, 0, sizeof(kvalid));
30: }
31:
32: ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
33: //| |
34: //| 函数名称 |: kif_TickHook
35: //| 功能描述 |:
36: //| |:
37: //| 参数列表 |:
38: //| |:
39: //| 返 回 |:
40: //| |:
41: //| 备注信息 |:
42: //| |:
43: ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
44: void kif_TickHook(void)
45: {
46: u8_t grp, msk;
47: u8_t now;
48: u8_t i;
49:
50: grp = 0;
51: msk = 1;
52: for(i = 0; i < KEY_NUM_MAX; ++i){
53: now = (KeyRead(i) ? msk : 0);
54: if((kstats[grp] ^ now) & msk){
55: // 按键状态发生变化。
56: if(now){
57: // 按键刚被按下。
58: kticks[i] = 0;
59: kstats[grp] |= msk;
60: kvalid[grp] |= msk;
61: if(KeyProc(i, KEY_STA_BEGIN, 0)){
62: kvalid[grp] &= ~msk;
63: }
64: }
65: else{
66: // 按键刚被抬起。
67: kticks[i] += 1;
68: kstats[grp] &= ~msk;
69: KeyProc(i, KEY_STA_END, kticks[i]);
70: }
71: }
72: else if(now){
73: // 按键保持按下状态。
74: kticks[i] += 1;
75: if(kvalid[grp] & msk){
76: // 按键处于有效状态。
77: if(KeyProc(i, KEY_STA_KEEP, kticks[i])){
78: kvalid[grp] &= ~msk;
79: }
80: }
81: }
82: // 处理用于加速执行的中间变量。
83: msk <<= 1;
84: if(msk == 0){
85: msk = 1;
86: grp++;
87: }
88: }
89: }
90:
91: #else /* KEY_NUM_MAX */
92:
93: void kif_Init(void){ ; }
94: void kif_TickHook(void){ ; }
95:
96: #endif /* KEY_NUM_MAX */
97:
example.c内容：

1: #include "keyif.h"
2:
3: // 读取按键物理状态的函数。
4: u8_t KeyRead(u8_t kindex)
5: {
6: switch(kindex){
7: case 0: // 按键#0
8: if(PIN_DOWN(0)){
9: return 1;
10: }
11: return 0;
12: case 1: // 按键#1
13: if(PIN_DOWN(1)){
14: return 1;
15: }
16: return 0;
17: case 2: // 按键#2
18: if(PIN_DOWN(2)){
19: return 1;
20: }
21: return 0;
22: case 3: // 按键#3
23: if(PIN_DOWN(3)){
24: return 1;
25: }
26: return 0;
27: }
28: return 0;
29: }
30:
31: // 按键事件处理函数。
32: u8_t KeyProc(u8_t kindex, u8_t ksta, u8_t ktick)
33: {
34: switch(kindex){
35: case 0: // 按键#0
36: if(ksta == KEY_STA_BEGIN){
37: // 按键被按下，TODO SOMETHING。
38:
39: return 0;
40: }
41: else if(ksta == KEY_STA_KEEP){
42: // 按键被保持，TODO SOMETHING。
43:
44: return 0;
45: }
46: else if(ksta == KEY_STA_END){
47: // 按键被松开，TODO SOMETHING。
48:
49: return 0;
50: }
51: break;
52: case 1: // 按键#1
53: if(ksta == KEY_STA_KEEP && ktick == 1000/KEY_PERIOD_MS){
54: // 按键按下保持了1000毫秒，TODO SOMETHING。
55:
56: return 1;
57: }
58: break;
59: case 2: // 按键#2
60: if(ksta == KEY_STA_KEEP && ktick == 1){
61: // 按键被按下，具备了间隔KEY_PERIOD_MS毫秒的去抖动时间，TODO SOMETHING。
62:
63: return 1;
64: }
65: break;
66: case 3: // 按键#3
67: if(ksta == KEY_STA_END){
68: // 响应按键松开事件，TODO SOMETHING。
69:
70: }
71: break;
72: }
73: return 0;
74: }
75:
76: ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
77: //| |
78: //| 函数名称 |: main
79: //| 功能描述 |:
80: //| |:
81: //| 参数列表 |:
82: //| |:
83: //| 返 回 |:
84: //| |:
85: //| 备注信息 |:
86: //| |:
87: ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
88: int main(void)
89: {
90: // 初始化KEYIF。
91: kif_Init();
92:
93: while(1){
94: delay(KEY_PERIOD_MS);
95: // 以KEY_PERIOD_MS毫秒为周期调用。
96: kif_TickHook();
97: }
98: }

上面的代码包括了3各文件，keyif.h、keyif.c、example.c。

其中example.c是使用举例，它提供了两个必须的函数，

u8_t KeyRead(u8_t kindex);
u8_t KeyProc(u8_t kindex, u8_t ksta, u8_t ktick);

先来分析KeyRead()函数：

它是读取物理按键的底层函数，该函数被KEYIF模块调用。当按键按下时，它必须返回非零；按键抬起时，返回零即可。例如我们通常把按键引脚设计为低电平为按下状态，那么当读取对应引脚电平状态时，如果读取的引脚为低电平则返回非零，高电平就返回零。

kindex参数是用于区别物理引脚的。例如：kindex为0时读取GPIO_B4，kindex为1时读取GPIO_A1，等等。

再来分析KeyProc()函数：

该函数是用户的按键响应函数，在该函数中用户可以加入一切按键响应代码。该函数被KEYIF模块调用。kindex参数是按键的索引，用于标识按键；ksta参数是按键的当前状态，取值为KEY_STA_BEGIN、KEY_STA_KEEP、KEY_STA_END其中之一。BEGIN代表按键刚被按下，KEEP代表按键保持在按下状态，END代表按键被松开了。ktick参数是KEEP状态的计时器，表示按键按下状态保持了多久，单位是KEY_PERIOD_MS毫秒。

KeyProc()函数的返回值决定了本次按键操作是否还会有后续的KEEP事件，如果用户不需要后续的KEEP事件，返回非零即可。当用户告诉KEYIF不需要后续KEEP事件后，按键保持在按下状态也不会产生KEEP事件，直到下一次按键操作。无论有无KEEP事件，BEGIN和END事件始终会有的，无法关闭！

example.c文件中给出了几个应用示例，其实这个按键框架能实现的操作远不止这些！用户自己根据需求可以轻易写出各种代码。

要使用KEYIF，必须在用户代码开始处调用kif_Init()函数来初始化KEYIF。然后在主循环或者时钟中断里，以KEY_PERIOD_MS毫秒为周期调用kif_TickHook()函数。