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【外围电路】按键电路设计外接信号输入设计

web 2025/5/6 6:12:55

按键电路设计

简单电路

在开始设计按键电路时，选择合适的按键至关重要。按键的选择应基于其工作时的极限条件，尤其是电压和电流的限制。一些开关适用于大电流、高电压场景，但单片机通常不需要考虑这些极端参数。因为大多数开关的耐压值在几十伏特，额定电流在1安培左右，所以在为单片机挑选按键时，选择相对灵活，主要考虑封装形式（贴片或直插）和尺寸规格。

接下来进入电路设计阶段。单片机按键电路中最常见的问题是按键抖动，这种抖动通常发生在按键按下和释放的瞬间，持续约20毫秒，容易导致误触发。为消除抖动，可采用硬件或软件两种方案。由于当前设计侧重硬件实现，因此选择硬件消抖方式。

下面一幅图是最简单的一种电路，两个电路就是触发电平不同而已，一个按下为低电平，一个按下为高电平，但没有消除硬件抖动，若采用这种电路那势必要在单片机软件编程里面进行设置。下面将从硬件层面对这部分电路进行改进。
在这里插入图片描述
抖动一般产生在前后按下和释放时候，而且多为毛刺，这就好比是一个高频成分，那通过加电容进行滤波就可以实现，本质上是利用了电容充放电的原理。

那下面就是电容怎么加和取值的问题了。

抖动是按键产生的，那电容就应该加在按键所在的回路中。又由于其抖动大约为20ms,所以要确保电容充放电时间大于20ms.

在这里插入图片描述该电路中充放电时间为t=RC_In[(3.3-0)/(3.3-3.3*0.7)]=RC_In(10/3)=1.2RC>20ms,

这里取R为200K,C取0.1uF RC=20ms

在实际应用中，通常采用软件消抖方法，因为软件延时判断按键状态可避免增加硬件成本。但在某些特定场景下，硬件消抖仍具有其独特优势。

升级电路

这个电路适用于需要通过物理开关控制信号输出的应用场景，例如按键控制模块。
在这里插入图片描述
以下是对该电路的详细分析：

电路组成

输入端 ：VCC（电源输入）、GND（地）。
输出端 ：KEY_IO（按键信号输出）。
元件：SW2（按键开关）、R1（10KΩ电阻）、R2（1KΩ电阻）、C1（100nF电容）、D1（ESD保护二极管）。

工作原理

当开关SW2断开时 ：
- R1（10KΩ电阻）将VCC与KEY_IO连接，使KEY_IO输出高电平（接近VCC电压）。此时，R2（1KΩ电阻）和C1（100nF电容）形成一个简单的RC滤波电路，用于平滑KEY_IO的输出信号，防止由于开关断开导致的电压波动。
- D1（ESD保护二极管）反向连接在KEY_IO输出线上，用于防止静电放电对电路造成损坏。
当开关SW2闭合时 ：
- KEY_IO直接与地（GND）连接，输出低电平（0V）。此时，R1（10KΩ电阻）和R2（1KΩ电阻）形成一个分压网络，但主要作用是确保KEY_IO输出稳定，防止由于开关动作引起的电压波动。
- D1（ESD保护二极管）依然起到保护作用，防止静电放电对电路造成损坏。

电路功能

该电路主要用于通过开关SW2控制KEY_IO的输出电平，实现简单的高低电平切换功能。

电路特点 | 元件作用

R1 上拉电阻 ：将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，维持在不被触发的状态或是触发后回到原状态。上拉电阻的阻值较大，可以减少功耗，同时保证信号的稳定性。
R2 限流电阻 ：当开关SW2闭合时，KEY_IO直接与地连接，输出低电平。R2（1KΩ电阻）在一定程度上限制了电流，保护电路。
滤波功能 ：C1（100nF电容）与R2（1KΩ电阻）形成一个简单的RC滤波电路，用于平滑KEY_IO的输出信号，减小按键抖动及高频信号干扰。
静电保护 ：D1（ESD保护二极管）反向连接在KEY_IO输出线上，用于防止静电放电对电路造成损坏，提高电路的可靠性。(这个根据PCB的成本及防护级别要求来决定添加与否)

可能存在的问题及改进建议

信号稳定性和抗干扰能力 ：如果电路对信号稳定性和抗干扰能力有较高要求，可以考虑增加一个抗干扰电容（如在KEY_IO输出线上添加一个10nF的电容）或使用施密特触发器来提高信号的稳定性。
ESD保护二极管的选择 ：D1的选取决定了电路的静电保护能力。如果应用环境对静电防护要求较高，可以选择具有更高静电防护能力的ESD保护二极管。

外接信号输入设计

在这里插入图片描述
有以下事项注意点：
1、R3上拉电阻将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，维持在不被触发的状态或是触发后回到原状态。(如果外接的连接线比较长，芯片内部上拉能力比较弱，则建议加上。平时通信距离不长，有内部上拉则可以省略)

2、C2电容防止高频信号干扰。(注意，如果输入频率信号比较大,C2容值要对应减少，或者直接省略C2)

嵌入式设备按键消抖笔记

按键抖动效应

按键抖动是指在按键按下和释放的瞬间，由于机械开关的弹性作用，会产生多次短路与开路之间的切换，导致电平变化不稳定，产生毛刺信号。这种抖动效应对电路的正常工作产生干扰，可能导致误触发等问题。抖动时间通常在20毫秒左右，但具体时间因按键类型和使用环境而异。

硬件消抖方法

RC滤波电路

原理：利用电阻和电容的充放电特性，对按键产生的毛刺信号进行滤波。将电容并联在按键两端，电阻串联在按键电路中。
计算：根据截止频率公式 $f_{LP} =\frac{1}{2\pi RC} =0.1\cdot f_{bounce}$ ，其中 $f_{LP}$ 为低通滤波器的截止频率， $f_{bounce}$ 为抖动频率,
选择合适的电阻和电容值。常见的组合有：
- 低通频率设为 10KHz，对应 160Ω 电阻和 100nF 电容，或 1KΩ 电阻和 16nF 电容。
- 低通频率设为 1KHz，对应 1KΩ 电阻和 160nF 电容。
- 低通频率设为 100Hz，对应 10KΩ 电阻和 160nF 电容。
示例：使用 10KΩ 电阻和 100nF（104）电容作为硬件防抖处理。
局限性 ：RC滤波电路可能会带来阻尼振荡现象，导致超量电压对电路造成伤害。

其他硬件消抖方法

RS触发器 ：利用RS触发器吸收按键的抖动，一旦有键按下，触发器立即翻转，触点的抖动便不会再对输出产生影响。
专用消抖芯片 ：使用专门的消抖芯片来处理按键输入信号，内部已经实现了高效的消抖算法。

软件消抖方法

软件处理分两种情况, 如果仅仅需要检测短按, 是比较简单的, 声明一个volatile static a变量用于表示按键状态, 声明一个static uint8_t b变量用于计数, 每个循环的检测中, 低电平(假定按下为低电平)b加1, 当b值计数到达一个阈值时表示按钮按下, 将a置位, 当循环中检测到高电平时将a和b都清零.

如果需要检测短按和长按, 就需要三个变量, 除了上面的a和b以外, 再增加一个循环计数c. 检测的每个循环中, 先按检测短按的方式, 做短按判断, 另外再通过第三个变量记录短按的次数, 当达到预设的长按判断的次数阈值时, 判断为长按. 要注意的是

短按的置位要由按钮释放触发
长按的置位由按钮按下触发
长按释放时, 要避免判断为短按

下面是一段实际应用中的代码, 会在一个间隔10ms的定时器中调用, 其中

KEY1 为按键对应的IO口, 例如P01
debounce[0] 为按键1对应的防抖延时计数器
k1_pressed 当判断按键1为按下时置位, 全局使用
switchcount[0] 按键1对应的长按键计数器,SW_CNTMAX为判断阈值
k1_long_pressed 当判断按键1为长按时置位, 全局使用
event 按键事件, 全局使用

void read_key1(void)
{//未按下时, KEY1处于高电平, 因此debounce为0xFFdebounce[0] = (debounce[0] << 1) | KEY1;if (debounce[0] == 0x00) { // 8次检测都为0, 按下置位k1_pressed = 1;if (!k1_long_pressed) { // 如果长按未置位, 计数加1switchcount[0]++;}} else { // 按键已松开或未按下if (k1_pressed) {if (!k1_long_pressed) {// 如果短按已置位, 但是长按未置位, 按短按发出系统消息event = EV_K1_SHORT;}// 清理状态和计数器k1_pressed = 0;k1_long_pressed = 0;switchcount[0] = 0;}}if (switchcount[0] > SW_CNTMAX) {// 如果长按计数器已经达到阈值, 长按置位(避免松开时发出短按消息), 发出长按系统消息k1_long_pressed = 1;switchcount[0] = 0;event = EV_K1_LONG;}
}

按键消息处理

按键的系统消息通常通过状态机模型进行处理。在每个按键处理循环中：

清除全局消息。
根据当前的按键状态，判断长按和短按对应的下一个状态。
下一个循环，跳到对应的按键状态，再去判断下一个状态。
根据按键状态决定当前的显示模式。

void main(void)
{//...while (true){while (!loop_gate); // wait for open every 100msloop_gate = 0; // close gateev = event;event = EV_NONE;switch (kmode){case K_DISP_SEC:dmode = D_DISP_SEC;if (ev == EV_K2_SHORT) {kmode = K_DISP_ALARM;m_timeout = TIMEOUT_SHORT;}break;//...case K_NORMAL:default:dmode = D_NORMAL;if (ev == EV_K1_SHORT) {kmode = K_DISP_DATE;m_timeout = TIMEOUT_SHORT;} else if (ev == EV_ALARM) {kmode = K_BUZZ_ALARM;m_timeout = TIMEOUT_LONG;}else if (ev == EV_K1_LONG)kmode = K_SET_MINUTE;else if (ev == EV_K2_SHORT)kmode = K_DISP_SEC;else if (ev == EV_K2_LONG)kmode = K_SET_ALARM_MINUTE;}
//...}
}

总结

硬件消抖 ：适用于对实时性要求较高的场景，能够有效地滤除按键抖动信号，但可能会带来阻尼振荡等问题。RC滤波电路是最常用的硬件消抖方法之一，其参数选择需要根据具体的抖动时间和电路要求进行计算。
软件消抖 ：具有灵活性高、成本低等优点，但对处理器的性能有一定要求，且可能会增加软件的复杂度。在实际应用中，可以根据具体的项目需求和资源限制，选择合适的消抖方法或结合硬件和软件消抖的方法，以实现最佳的按键处理效果。
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