[嵌入式]基于C51实现按键控制

🐋 前言：本实验基于STC89C52RC单片机，根据电路原理图编程通过独立按键控制led灯、通过矩阵按键控制开发板数码管模块。由于51系列单片机结构大同小异，读者可根据此博客举一反三，实现所需完成的功能。

🐬 目录:

• 一、按键介绍与按键消抖
• 二、按键原理图分析
• 三、独立按键控制led灯
• 四、矩阵按键控制开发板数码管模块

🐇 实验所选单片机及结构展示(以普中C51为例，其他大同小异)，本实验所操作的独立按键位于图中序号⑩位置，矩阵按键位于图中序号⑥位置

一、按键介绍与按键消抖

🐪 按键是一种电子开关，使用时轻轻按开关按钮就可使开关接通，当松开手时，开关断开。实物图如下所示：

通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，电压信号如下图所示：

由于机械点的弹性作用，按键开关在闭合时不会马上稳定的接通，在断开时也不会一下子断开，因而在闭合和断开的瞬间均伴随着一连串的抖动。按键抖动会引起按键被误读多次。为了确保CPU对按键的一次闭合仅做一次处理，必须进行消抖
🐪 按键消抖有两种方式，一种是 硬件消抖，另一种是软件消抖；硬件消抖是通过增加额外的电路来实现，一般有两种方式：RS触发器与电容滤波。实际上，在没有MCU的情况下，对按键进行消抖通常是通过硬件消抖电路来实现。而在嵌入式开发中，大多数情况下都是通过程序来实现按键消抖。一般来说一个简单的按键消抖就是先读取按键的状态。如果得到按键按下以后，延时10ms，再次读取按键的状态，如果得到按键按下之后，延时10ms，再次读取按键的状态，如果按键还是按下状态，说明按键已经按下，其中延时10ms就是软件消抖处理。

二、原理与电路图分析

2.1 独立按键

🐏 本实验对于独立按键操作的具体效果为：按下K1键，LED模块中D1指示灯点亮，再按一下，指示灯熄灭。对于按键操作的重点在于如何识别按键是否按下。实验所用开发板按键模块以及单片机引脚电路如下图所示：

🐏 从独立按键的电路图可以看出，4个独立按键的控制管脚连接到51单片机的P3.0-P3.3脚上。其中K1连接在P3.1上，K2连接到P3.0上，K3连接在P3.2上，K4连接在P3.3上。4个按键另一端连接在GND。下面以单片机P3.1引脚为例，结合上图P3.X端口内部电路图分析当按键K1按下，从P3,1读取到的电平如何变化。

当K1按键按下时，右侧为通路，而读电路被短路，读到为低电平，当K1按键没有按下，右侧电路被断路，读引脚电路读到引脚为高电平。即当K1按下时，读到P3.1引脚为低电平，否则为高电平

2.2 矩阵按键

🐏 独无论是独立按键还是矩阵按键，单片机检测其是否按下的依据都是一样：检测与该键对应的I/O口是否为低电平，此外矩阵按键的重点为检测是矩阵中哪个按键按下，检测方法有多种，最常用的是行列扫描和线翻转法。本实验以44矩阵按键为实验对象,电路图如下所示。从下图中可以看出。44矩阵按键引出的8根控制线直接连接到51单片机的P1口上。电路中的P17连接矩阵键盘中的1行，P13连接矩阵键盘第1列

🐏 行列扫描：行列扫描法检测时，先送一列为低电平，其余几列全为高电平（此时我们确定了列数）,然后立即轮流检测一次各行是否有低电平，若检测到某一行为低电平（这时我们又确定了行数），则我们便可确认当前被按下的键是哪一行哪一列的，用同样方法轮流送各列一次低电平，再轮流检测一次各行是否变为电平，这样即可检测完所有的按键，当有键被按下时便可判断出按下的键是哪一个键。

🐏 线翻转法：将所有行线输出低电平，检测列线对应引脚是否为低电平，读取引脚电平为低电平，原理同上独立按键，表示为该列有按键按下，记录下列线值；然后翻转，使所有列线都为低电平，检测所有行线的值，记录变化的行线的值。最后根据记录的行线和列线确定是矩阵中按下按键的位置。

三、实现独立按键控制led灯

🌿 根据基于C51实现流水灯以及电路分析，实现代码如下，其中key_scan()函数检测按下的独立按键为哪一个，如果为K1，则将led模块D1状态翻转。

/**************************************************************************************
实验名称：独立按键实验
实验现象：下载程序后，按下“独立按键”模块中K1键，控制D1指示灯亮灭																			  
***************************************************************************************/
#include "reg52.h"

typedef unsigned int u16;	//对系统默认数据类型进行重定义
typedef unsigned char u8;

//定义独立按键控制脚
sbit KEY1=P3^1;
sbit KEY2=P3^0;
sbit KEY3=P3^2;
sbit KEY4=P3^3;

//定义LED1控制脚
sbit LED1=P2^0;

//使用宏定义独立按键按下的键值
#define KEY1_PRESS	1
#define KEY2_PRESS	2
#define KEY3_PRESS	3
#define KEY4_PRESS	4
#define KEY_UNPRESS	0	

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : delay_10us
* 函数功能		 : 延时函数，ten_us=1时，大约延时10us
* 输    入       : ten_us
* 输    出    	 : 无
*******************************************************************************/
void delay_10us(u16 ten_us)
{
	while(ten_us--);	
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : key_scan
* 函数功能		 : 检测独立按键是否按下，按下则返回对应键值
* 输    入       : mode=0：单次扫描按键
				   mode=1：连续扫描按键
* 输    出    	 : KEY1_PRESS：K1按下
				   KEY2_PRESS：K2按下
				   KEY3_PRESS：K3按下
				   KEY4_PRESS：K4按下
				   KEY_UNPRESS：未有按键按下
*******************************************************************************/
u8 key_scan(u8 mode)
{
	static u8 key=1;

	if(mode)key=1;//连续扫描按键
	if(key==1&&(KEY1==0||KEY2==0||KEY3==0||KEY4==0))//任意按键按下
	{
		delay_10us(1000);//消抖
		key=0;
		if(KEY1==0)
			return KEY1_PRESS;
		else if(KEY2==0)
			return KEY2_PRESS;
		else if(KEY3==0)
			return KEY3_PRESS;
		else if(KEY4==0)
			return KEY4_PRESS;	
	}
	else if(KEY1==1&&KEY2==1&&KEY3==1&&KEY4==1)	//无按键按下
	{
		key=1;			
	}
	return KEY_UNPRESS;		
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名       : main
* 函数功能		 : 主函数
*******************************************************************************/
void main()
{	
	u8 key=0;

	while(1)
	{
	   	key=key_scan(0);
		if(key==KEY1_PRESS)//检测按键K1是否按下
			LED1=!LED1;//LED1状态翻转	
	}		
}

代码分析

static u8 key=1; //被static修饰后的局部变量被放在静态存储区，能进行默认初始化，而且只能初始化一次，下次访问的时候能保留上一次的值

key_scan函数带一个形参mode，该参数用来设定是否连续扫描按键。main函数中定义了一个while循环，程序不断执行循环内代码，当key_scan函数传入实参0，经过第一次key_scan函数运行后，LED1翻转一次 ，static修饰的局部变量key变为0，只有当按键松开时key才会重新变为1，即按下按键后只会检测一次，这样做的好处是可以防止按一次出现多次触发的情况，delay_10us()用于按键消抖；当key_scan函数传入实参1，key_scan中局部变量key一直为1，while循环一次即检测一次，这样做的好处是可以很方便实现连按操作。

四、矩阵按键控制数码管

🌿 本实验所要实现的功能时：通过开发板上的矩阵键盘控制静态数码管显示对应的键值0-F,结合基于C51实现数码管的显示与上述电路原理图的分析，实现代码如下所示：

/**************************************************************************************
实验名称：矩阵按键实验	
实验现象：下载程序后，按下“矩阵按键”模块中S1-S16键，对应数码管最左边显示0-F																  
***************************************************************************************/
#include "reg52.h"

typedef unsigned int u16;	//对系统默认数据类型进行重定义
typedef unsigned char u8;

#define KEY_MATRIX_PORT	P1	//使用宏定义矩阵按键控制口		

#define SMG_A_DP_PORT	P0	//使用宏定义数码管段码口

//共阴极数码管显示0~F的段码数据
u8 gsmg_code[17]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,
				0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};	

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : delay_10us
* 函数功能		 : 延时函数，ten_us=1时，大约延时10us
*******************************************************************************/
void delay_10us(u16 ten_us)
{
	while(ten_us--);	
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : key_matrix_ranks_scan
* 函数功能		 : 使用行列式扫描方法，检测矩阵按键是否按下，按下则返回对应键值
* 输    入       : 无
* 输    出    	 : key_value：1-16，对应S1-S16键，
				   0：按键未按下
*******************************************************************************/
u8 key_matrix_ranks_scan(void)
{
	u8 key_value=0;

	KEY_MATRIX_PORT=0xf7;//给第一列赋值0，其余全为1
	if(KEY_MATRIX_PORT!=0xf7)//判断第一列按键是否按下
	{
		delay_10us(1000);//消抖
		switch(KEY_MATRIX_PORT)//保存第一列按键按下后的键值	
		{
			case 0x77: key_value=1;break;
			case 0xb7: key_value=5;break;
			case 0xd7: key_value=9;break;
			case 0xe7: key_value=13;break;
		}
	}
	while(KEY_MATRIX_PORT!=0xf7);//等待按键松开	
	
	KEY_MATRIX_PORT=0xfb;//给第二列赋值0，其余全为1
	if(KEY_MATRIX_PORT!=0xfb)//判断第二列按键是否按下
	{
		delay_10us(1000);//消抖
		switch(KEY_MATRIX_PORT)//保存第二列按键按下后的键值	
		{
			case 0x7b: key_value=2;break;
			case 0xbb: key_value=6;break;
			case 0xdb: key_value=10;break;
			case 0xeb: key_value=14;break;
		}
	}
	while(KEY_MATRIX_PORT!=0xfb);//等待按键松开	
	
	KEY_MATRIX_PORT=0xfd;//给第三列赋值0，其余全为1
	if(KEY_MATRIX_PORT!=0xfd)//判断第三列按键是否按下
	{
		delay_10us(1000);//消抖
		switch(KEY_MATRIX_PORT)//保存第三列按键按下后的键值	
		{
			case 0x7d: key_value=3;break;
			case 0xbd: key_value=7;break;
			case 0xdd: key_value=11;break;
			case 0xed: key_value=15;break;
		}
	}
	while(KEY_MATRIX_PORT!=0xfd);//等待按键松开	
	
	KEY_MATRIX_PORT=0xfe;//给第四列赋值0，其余全为1
	if(KEY_MATRIX_PORT!=0xfe)//判断第四列按键是否按下
	{
		delay_10us(1000);//消抖
		switch(KEY_MATRIX_PORT)//保存第四列按键按下后的键值	
		{
			case 0x7e: key_value=4;break;
			case 0xbe: key_value=8;break;
			case 0xde: key_value=12;break;
			case 0xee: key_value=16;break;
		}
	}
	while(KEY_MATRIX_PORT!=0xfe);//等待按键松开
	
	return key_value;		
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : key_matrix_flip_scan
* 函数功能		 : 使用线翻转扫描方法，检测矩阵按键是否按下，按下则返回对应键值
* 输    入       : 无
* 输    出    	 : key_value：1-16，对应S1-S16键，
				   0：按键未按下
*******************************************************************************/
u8 key_matrix_flip_scan(void)
{
	static u8 key_value=0;

	KEY_MATRIX_PORT=0x0f;//给所有行赋值0，列全为1
	if(KEY_MATRIX_PORT!=0x0f)//判断按键是否按下
	{
		delay_10us(1000);//消抖
		if(KEY_MATRIX_PORT!=0x0f)
		{
			//测试列
			KEY_MATRIX_PORT=0x0f;
			switch(KEY_MATRIX_PORT)//保存行为0，按键按下后的列值	
			{
				case 0x07: key_value=1;break;
				case 0x0b: key_value=2;break;
				case 0x0d: key_value=3;break;
				case 0x0e: key_value=4;break;
			}
			//测试行
			KEY_MATRIX_PORT=0xf0;
			switch(KEY_MATRIX_PORT)//保存列为0，按键按下后的键值	
			{
				case 0x70: key_value=key_value;break;
				case 0xb0: key_value=key_value+4;break;
				case 0xd0: key_value=key_value+8;break;
				case 0xe0: key_value=key_value+12;break;
			}
			while(KEY_MATRIX_PORT!=0xf0);//等待按键松开	
		}
	}
	else
		key_value=0;		
	
	return key_value;		
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : main
* 函数功能		 : 主函数
*******************************************************************************/
void main()
{	
	u8 key=0;

	while(1)
	{
	   	key=key_matrix_ranks_scan();
		if(key!=0)
			SMG_A_DP_PORT=gsmg_code[key-1];//得到的按键值减1换算成数组下标对应0-F段码		
	}		
}

实验效果

实验现象如下：当按下S1-S16键，最左边数码管对应显示0-F

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