51入门系列教程| 第一次被控制

Zmflc 2016-04-28

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前面一贴简单讨论了一下51单片机的IO输出功能

既然是IO，有output肯定就有input

今次咱聊聊input，输入功能

有了input，51就能够根据输入的信号

去做出下一步工作的决定

其实单片机的输入不外乎就是两种

一是数字输入，由单片机去判断输入的高低电平

再就是模拟输入，最典型的就是内置ADC外设的单片机

可以把外部输入的电压值与基准电压进行比较

从而得到一定数值的二进制编码

譬如基准电压3.3v，12位的线性ADC外设

就可以将外部输入的0-3.3v电压按比例用0-4096的十进制数去表示

换成二进制便是000000000000-111111111111

限于手头上51片子没有AD这个外设

咱今天聊的输入，就从数字输入下手

一、按键基本原理

先上电路

51入门系列教程| 第一次被控制--按键

先看上面一个图

P0.1口，连接到一个10k的电阻，上拉到电源Vcc(这里Vcc=5.0v)

同时连接到按键的一端

按键的另一端则直接连到地

简单分析一下这个电路

当按键没有按下的时候

10k电阻和P0.1口没有连接到地

由于P0端口是开漏输出，可以看做是悬空

那么经过10k电阻的电流为0，即10k电阻的压降为0

这个时候，可以认为P0.1口的电位是5.0v，一个高电平

So，按键没有按下，单片机可以认为P0.1口输入了一个逻辑“1”，也就是高电平

当按键按下时

P0.1口和10k电阻均被连接到了地

这个时候，P0.1口的电位直接被拉到0v，也就是地

So，单片机可以认为P0.1口输入了一个逻辑“0”，也就是低电平

这里尤其注意一下这个10K电阻的作用

名曰上拉电阻

它的存在是非常有必要的

没有这个电阻，P0.1口直接连接到按键一端或者电源，都会产生不好的后果

如果直接连至电源，按键按下的时候，Vcc和地……，后果你懂的……

如果直接连接到按键的一端，在按键按下前

P0.1都是悬空的，外界的干扰（EMI之类），非常容易引起单片机的误判

它的作用主要是按下前稳定电平、按下后限流

在按键按下的时候，电源—10k电阻—地这个回路中

会产生5/100000=5mA电流，产生一定的功耗

有朋友会想，加大电阻就可以解决这个问题了呀

但是电阻太大的话，可能会出现开路情况

So，几k到几十k是比较合适的

再看下面一个图

嗯，简单的发光二极管回路

这里就不多解释了

顺道拿电木板焊了个电路

51入门系列教程| 第一次被控制--按键电源、地和2个IO口用排针等插

51入门系列教程| 第一次被控制--按键

菊花面，10k上拉电阻和220欧LED限流电阻

这个电木板质量真次，焊盘掉了好几个

51读端口的代码特别简单

只要直接按位或者按port来逐位读取即可

譬如要把P01口的逻辑值赋给变量temp

直接temp = P01即可

P01输入一个低电平，temp=0x00

P01输入一个高电平，temp=0x01

上个测试代码

#include
sbit P11 = P1^1;//按位定义
sbit P01 = P0^1;
int main()
{
while(1)
{
if(P01==0)//判断P01口的值，0为按下
{P11 = ~P11;}//按下后的操作，P11口取反
else (P11 = P11;)
}
return 0;
}

简单阅读一下代码

大概的功能就是判断P01口电平是否为0

为0的话，P11口电平取反，也就是LED点亮或者熄灭

编译下载，看看结果

51入门系列教程| 第一次被控制--按键

不难发现

按键虽然能够控制51去点亮或者熄灭LED

但是似乎并不是那么顺手

不能非常准确地操作LED的亮或者灭

为嘛？

二、去抖

在解决上面问题之前

必须意识到，按键其实是一个机械弹性开关结构

在按下或者松开的瞬间，也就是机械触点断开、闭合时

不会稳定地接通或者断开，存在一连串的抖动

这种抖动时间与按键的机械特性有关，几个ms到几十个ms都有可能

由于51执行代码的速度是us级

So，自己感觉只按下了一次按键

其实51已经反复多次执行了按键按下的操作

所以造成上面gif中的现象

所以，按键去抖，是无论哪种单片机都需要面临的问题

当然，有些比较有特点的单片机会有按键相关的外设，无需过多关注去抖，这个在此不讨论

有关去抖，有硬件和软件两种办法

硬件上去抖的办法

第一种是使用RS触发器/锁存器

51入门系列教程| 第一次被控制--按键

锁存器的工作特点就决定了，即使有按键抖动，也不会影响上如两个与非门构成的RS锁存器的输出

再一种是在按键上并联一个合适大小的电容

51入门系列教程| 第一次被控制--按键

其实就是利用电容充放电的特性，无它

硬件去抖，基本上不占用单片机的资源

致命的缺陷是需要额外的器件

会使PCB面积、BOM、成本有所增加

在成本为王的时代，基本上这种办法很少有人使用了

但是非常可靠

再来看看软件去抖

第一种是使用延时去抖，是目前用得比较多的

上个代码

#include
sbit P11 = P1^1;
sbit P01 = P0^1;
unsigned char flag;
void delay_ms(unsigned int xms)//定义一个ms级的延时函数
{
unsigned int i,j;
for(i=xms;i>0;i--)
{
for(j=124;j>0;j--);
}
}
unsigned char keyscan()//扫描按键
{
unsigned char key_value;
if(P01 == 0)//P01被拉低，也就是有按键按下
{
delay_ms(100);//延时100ms
if(P01 == 0) //延时后再判断P01口是不是被拉低(按下)
{key_value = 1;}//如果是，键值位置1
else {key_value = 0;}//否则置0
}
return key_value;//返回键值
}
void key_op()
{
if(flag) //判断标志位，然后进行操作
{
P11 = ~P11;
flag = 0;
}
else {;}
}
int main()
{
while(1)
{
flag = keyscan();//把扫描的键值赋给标志位
key_op();//根据标志位进行操作
}
return 0;
}

简单分析一下上面的代码

最最核心的就是

如果发现P01的按键被按下

就延时100ms后再读一下P01的值

注意一下，这里的100ms其实和按键的机械特性有关

根据实际情况调整

如果还是被按下的状态，则认为按键确实被按下

单片机再进行下一步操作

上个GIF

51入门系列教程| 第一次被控制--按键

可以发现

按键已经可以很准确地控制LED的亮灭了

但是，单片在执行delay_ms(100)的时候

其它任何事情都不能做呀

所以很多时候，这个延时会采用定时器中断来完成

这个后面再讨论

其实还有一种不需要延时的去抖方法

可以理解成一个状态机

上代码

#include
sbit P11 = P1^1;
sbit P01 = P0^1;
unsigned char flag;
void delay_ms(unsigned int xms)
{
unsigned int i,j;
for(i=xms;i>0;i--)
{
for(j=124;j>0;j--);
}
}
unsigned char keyscan()
{
static unsigned char key_state = 0;
static unsigned char key_value = 0;
unsigned char key_press,key_return = 0;
key_press = P01; //读按键
switch(key_state)
{
case 0 ://按键初始态
if(key_press == 0){key_state = 1;}//按键被按下，但需要确认
break;
case 1://按键进行确认
if(key_press == 0)//如果还是被按下，则开始决定键值
{
key_value = 1;
key_state = 2;//确定被按下，转到按键被按下状态
}
else { key_value = 0;}//否则认为是抖动
break;
case 2://按键释放状态
if(key_press == 1)
{
key_return = key_value; //按键释放后输出键值
key_value = 0;
key_state = 0; //按键释放，进入按键初始态
}
break;
}
return key_return; //返回键值
}
void key_op()
{
if(flag)
{
P11 = ~P11;
flag = 0;
}
else {;}
}
int main()
{
while(1)
{
flag = keyscan();
key_op();
}
return 0;
}