三行代码按键消抖独立按键矩阵按键长按短按双击

九层妖塔起于垒土

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● 改编自国信长天蓝桥杯官方蓝皮书例程,按照自己的习惯进行了补充和修改

链接
1、独立按键抖动产生原因；普通软件延时消抖；标志位软件延时消抖；标志位定时器延时消抖
2、矩阵键盘的识别与编码;查询扫描;定时扫描;中断扫描;使用定时器状态机的方法进行按键的扫描识别
3、定时器三行代码矩阵键盘长短按的识别

一、基本理论

0、按键的常见名词：

①按键抖动

当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上就稳定的接通，在断开时也不会一下子彻底断开，而是在闭合和断开的瞬间伴随了一连串的抖动。抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms～10ms。

在这里插入图片描述
尝试用示波器的触发捕获按键抖动波形，只捕获到了比较明显的松手抖动。

下图是串口返回的IO口内部数学电平(不知道是采样频率的问题还是按键的问题，并没有观察到方波)

②按键稳定闭合时间

按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的，一般为100ms 以上至数秒。

在这里插入图片描述

完整的按键识别分为两部分：按键的扫描和按键的消抖。

1、按键的扫描：

按键的扫描就是通过程序判断与按键相连的IO口的电平状态。通过相关IO口的电平状态来判断按键的抬起和按下。
①查询扫描
把按键扫描子程序和其他子程序并列在一起，单片机循环分时运行各个子程序。当按键按下并且单片机查询到的时候立即响应键盘输入操作。
②定时扫描
定时器，灵活多样，方法较多。
③中断扫描
依赖于硬件(如四路与门等)，利用外部中断。

2、按键的消抖：

由于上文所说的 按键抖动 ，需要对IO口电平进行消抖处理。消抖分为硬件消抖和软件消抖。常见的硬件消抖有使用电容进行延时消抖、S触发器进行硬件去抖等。
在此旨在介绍全面的软件消抖算法。

二、常见的按键消抖算法

1、普通软件延时

●消抖：软件延时。CPU在按键按下抖动时进行10ms的软件延时消抖，在数百ms的稳定期以及松手抖动时停滞在松手检测while(!KEY)中，占用CPU资源过多；也就是在整个按键检测期间内，没有再执行其他指令。
●松手检查：while(!KEY)等待按键释放。 等按键确认释放后再去执行相应代码。防止重入。
●按键检测时是借助while(1)死循环进行反复检测。
●若是采用普通软件延时消抖10ms的软件延时和松手检测都会占用CPU资源，对其它同样借助while(1)死循环进行反复运行的模块代码产生了挤占影响，比如动态数码管。
●稳定期取决于是否松手，若不松手，则数码管将一直保持进入按键检测前最后一次对数码管的操作。

最低级的方法，没有实用性。
●流程图：
在这里插入图片描述
●示例代码

	while(1)
	{
		if(key==0)
		{
			Delay10ms();
			if(key==0)
			{
              //按键按下执行相关功能代码                   
			  while(!key);
			}
		}
	}

2、标志位软件延时

●消抖：软件延时。
●通过引入按下标志位，省去了while(!KEY)的松手检测，将按下时稳定期的数百ms释放出来，只占用了按下和松手时的共20ms的消抖时间。

标志位的使用使算法具有了一定的实用性，优点是不借助硬件资源
●波形图：
在这里插入图片描述

3、标志位定时器延时

●消抖：定时器延时。使用定时器进行延时消抖。
●使用标志位代替松手检测。

文前链接中有解释和程序，写的不太成熟，与状态机类似

4、状态机

也是一种利用标志位定时器延时按键算法，但比较成熟，逻辑严谨。

状态机进行按键的扫描识别

bug最少，算法成熟，但程序量比较大，不太方便移植。

5、三行代码

目前已知最好的按键算法，将按键的识别与扫描完全分开，便于移植，拓展性好。

三行代码

完整的按键程序可以包括：按键的扫描和按键的消抖两部分。
三行代码 属于 按键的消抖 部分的算法，与是独立按键还是矩阵键盘无关。
三行代码其实就是一种时域滤波算法–消抖滤波法。

1、按键的扫描

按键的扫描 采用定时器进行扫描。10ms扫描一次IO口电平状态，即10ms读取一次键值。通过Key_Read()函数读取。

unsigned char Key_Read(void)
{
  Key_Value = P01; //任意一个IO口的电平值保存在变量中
}

①独立按键的扫描

基于蓝桥杯单片机开发板

uchar Key4_Read(void)    //独立按键扫描函数,读取键值
{
    uchar Key_temp;
	uchar Key_Value;
	
	P3 |= 0x0f;
	Key_temp = P3&0x0f;
	
	switch(Key_temp)
	{
	    case 0x0e : Key_Value = 7; break;  //S7
		case 0x0d : Key_Value = 6; break;  //S6
		case 0x0b : Key_Value = 5; break;  //S5
		case 0x07 : Key_Value = 4; break;  //S4
		default: Key_Value = 0;
	}
	
	return Key_Value;
}

Notes:
●程序中P3 |= 0x0f; Key_temp = P3&0x0f;两行属于按键扫描的识别部分；
●switch属于按键扫描的编码部分。

●对程序中P3 |= 0x0f; Key_temp = P3&0x0f;两行的解释：
○P3 |= 0x0f; 将P3低四位即独立按键接口拉高置为1；Key_temp = P3&0x0f;读取P3低四位I/O口的电平。
○重点是读取I/O口外部电平状态前，需要先将I/O口置为1。 STC15的芯片手册中有介绍：STC15F2系列单片机I/O口上电默认为准双向口，在324页有相关的介绍和使用说明。截去一段关于读取外部状态的使用说明：
在这里插入图片描述

再来看国信长天给的电子版例程：
在这里插入图片描述
emmm……似乎不太严谨…………

①矩阵键盘的扫描

基于蓝桥杯单片机开发板

uchar Key16_Read(void)    //矩阵按键扫描函数,读取键值
{
    uint  Key_temp;
	uchar Key_Value;
	
	
	//按键扫描的识别部分
	P44=0; P42=1; P35=1; P34=1; P3|=0X0F; //第一列拉低，其余全为高
	Key_temp = P3;                        //读取P3低四位I/O状态
	
	P44=1; P42=0; P35=1; P34=1; P3|=0X0F;  //第二列拉低，其余全为高
	Key_temp = (Key_temp<<4) | (P3&0X0F);  //读取P3低四位I/O状态
	
	P44=1; P42=1; P35=0; P34=1; P3|=0X0F; //第三列拉低，其余全为高
	Key_temp = (Key_temp<<4) | (P3&0X0F); //读取P3低四位I/O状态
	
	P44=1; P42=1; P35=1; P34=0; P3|=0X0F; //第四列拉低，其余全为高
	Key_temp = (Key_temp<<4) | (P3&0X0F);  //读取P3低四位I/O状态
	
	//有按键按下Key_temp相应位为0	
	
	
	//按键扫描的编码部分
	switch(~Key_temp)   
	{
		case 0X8000: Key_Value = 4; break;   //S4
		case 0X4000: Key_Value = 5; break;   //S5
		case 0X2000: Key_Value = 6; break;   //S6
		case 0X1000: Key_Value = 7; break;   //S7
		
		case 0X0800: Key_Value = 8; break;   //S8
		case 0X0400: Key_Value = 9; break;   //S9
		case 0X0200: Key_Value = 10; break;   //S10
		case 0X0100: Key_Value = 11; break;   //S11
		
		case 0X0080: Key_Value = 12; break;   //S12
		case 0X0040: Key_Value = 13; break;   //S13
		case 0X0020: Key_Value = 14; break;   //S14
		case 0X0010: Key_Value = 15; break;   //S15
		
		case 0X0008: Key_Value = 16; break;   //S16
		case 0X0004: Key_Value = 17; break;   //S17
		case 0X0002: Key_Value = 18; break;   //S18
		case 0X0001: Key_Value = 19; break;   //S19
		
		default: Key_Value = 0;  //无按键按下
	}
	return Key_Value;
	
}

Notes:
●依旧是因为准双向口读取I/O口外部电平状态前，需要先将I/O口置为1，所以将国信长天蓝色指导书上的按键扫描的识别部分改成了上边的样子。

指导书上的程序

按键的扫描已经介绍完了，按键扫描函数Key_Read()放在定时器中进行扫描，10ms执行一次，即10ms读取一次I/O状态，进行一次键值编码。
可以知道按键扫描函数Key_Read()10ms一次读取到的键值是瞬态的，只能反映按键此刻的状态，无法反映按下按键抬起按键的稳定过程。

2、按键的消抖

直接上代码(三行代码)：

uchar Key_Temp,Key_Down,Key_Up;
static uchar Key_Old = 0;

Key_Temp = Key_Read();
Key_Down = Key_Temp & (Key_Old ^ Key_Temp);   //按下为按键值，其它为0
Key_Old = Key_Temp;

Notes:
●三行代码第一行：Key_Temp = Key_Read(); 读取10ms更新一次的I/O电平状态，并存储在变量Key_Temp，可以理解为临时按键值。
●三行代码第三行：Key_Old = Key_Temp;，Key_Old为静态局部变量，离开函数，值仍保留：数据存储在静态存储区，在程序整个运行期间都不释放，且只能在该函数中调用。将这次读取到的临时按键值Key_Temp更新到Key_Old中，作为下一次的旧的按键值；概括说Key_Temp与Key_Old为相差10ms的临时按键值。
●三行代码第二行：Key_Down = Key_Temp & (Key_Old ^ Key_Temp);两个位操作：按位与，按位异或。
○首先Key_Old ^ Key_Temp位操作针对二进制，二进制与十进制一一对应。按位异或：相同为0，不同为1。由下图可知：Key_Old 与Key_Temp可能出现的情况：(假设按下的是按键4)
Key_Old=0, Key_Temp=0 未按下。Key_Old ^ Key_Temp=0
Key_Old=0, Key_Temp=4 按下过程中。Key_Old ^ Key_Temp=0100=4
Key_Old=4, Key_Temp=4 按下稳定期间。 Key_Old ^ Key_Temp=0000
Key_Old=4, Key_Temp=0 抬起过程中。 Key_Old ^ Key_Temp=0100=4
再次说明由于是用定时器扫描，Key_Old 与Key_Temp的按键值相差10ms，不可能出现Key_Old=4, Key_Temp=6 两个按键值的情况。

○Key_Old ^ Key_Temp的运算结果再&上Key_Temp

`Key_Old`	`Key_Temp`	对应的按键过程	`Key_Old ^ Key_Temp`	`Key_Down`
0	0	未按下	0	0
0	4	按下过程中	0100 (4)	4
4	4	按下稳定期间	0	0
4	0	抬起过程中	0100 (4)	0

所以由上表可知：三行代码第二行Key_Down = Key_Temp & (Key_Old ^ Key_Temp); 最后的运算结果Key_Down只有在按键按下的过程中为按键值，持续时间大约10ms。

●可以在原有三行代码的基础上再增加一行，来判断按键抬起的过程。

Key_Up  = ~Key_Temp & (Key_Old ^ Key_Temp);  //松手为抬起前的按键值，其他为0

Key_Down和Key_Up识别的分别是按键按下和抬起时的下降沿和上升沿

在这里插入图片描述

3、相关变量值的变化

由以上分析可知：

按键过程	`Key_Down`	`Key_Up`
未按下	0	0
按下过程中	相应的按键值	0
按下稳定期间	0	0
抬起过程中	0	抬起前的按键值

所以可以将Key_Down与Key_Up理解为临时值，只在按下或抬起过程中不为0，又 按键的扫描 Key_Read() 采用定时器进行扫描。10ms扫描一次，数据10ms更新一次。临时值Key_Down与Key_Up为局部变量，生存期只在子函数中，只能在按键处理函数Key_Proc()内部使用。

4、按键处理函数

①独立按键的处理函数

//-----------------------------------------独立按键处理函数---------------//
void Key4_Proc(void)     //独立按键处理函数
{
    uchar Key_Temp,Key_Down,Key_Up;
    static uchar Key_Old = 0;
	
	if(uc_Key_flag) return;  //10ms
	uc_Key_flag = 1;
	
	Key_Temp = Key4_Read();
	Key_Down = Key_Temp & (Key_Old ^ Key_Temp);   //按下为按键值，其它为0
	Key_Up  = ~Key_Temp & (Key_Old ^ Key_Temp);  //松手为抬起前的按键值，其他为0 
	Key_Old = Key_Temp;
	
		
	if(Key_Down)
	{
		uc_Key_state = 'd';
        uc_Key_Value = Key_Down;
	}
 
	if(Key_Up)
	{
		uc_Key_state = 'U';
	}
}

②矩阵键盘的处理函数

void Key16_Proc(void)     //矩阵按键处理函数	
{
    uchar Key_Value,Key_Down,Key_Up;
    static uchar Key_Old = 0;
	
	if(uc_Key_flag) return;  //10ms
	uc_Key_flag = 1;
	
	Key_Value = Key16_Read();
	Key_Down = Key_Value & (Key_Old ^ Key_Value);   //按下为按键值，其它为0
	Key_Up  = ~Key_Value & (Key_Old ^ Key_Value);  //松手为抬起前的按键值，其他为0 
	Key_Old = Key_Value;

	if(Key_Down)
	{
	  uc_Key_state = 'd';
	  uc_Key_Value = Key_Down;

	}
 
	if(Key_Up)
	{
	  uc_Key_state = 'U';
      uc_Key_Value = Key_Up;
	}
}

Notes:
●观察独立按键/矩阵键盘的处理函数可知，定义了两个全局变量uc_Key_Value和uc_Key_state来分别向全局传递按键值和按键状态。
●uc_Key_Value和uc_Key_state对比临时值Key_Down与Key_Up，可以理解为状态值，10ms刷新一次，可以在全局中传递。

5、长按

长按一

顾名思义，长按区别于短按在于时间，又因为STC15没有实时时钟，只能通过定时器来搭建全局时间。用定时器1作为1ms定时器，用作程序内的ms计时。

创建全局变量ul_ms，用作ms计时。

unsigned long ul_ms;

在定时器1的中断服务函数或者自定义的查询服务函数中：

ul_ms++;  //ms计时

按键长按短按的实现只需在按键处理函数中增加代码：

//-----------------------------------------独立按键处理函数---------------//
void Key4_Proc(void)     //独立按键处理函数
{
    uchar Key_Temp,Key_Down,Key_Up;
    static uchar Key_Old = 0;
	static ulong ul_Key_Time_Down = 0;
	static ulong ul_Key_Time_Up = 0;
	
	if(uc_Key_flag) return;  //10ms
	uc_Key_flag = 1;
	
	Key_Temp = Key4_Read();
	Key_Down = Key_Temp & (Key_Old ^ Key_Temp);   //按下为按键值，其它为0
	Key_Up  = ~Key_Temp & (Key_Old ^ Key_Temp);  //松手为抬起前的按键值，其他为0 
	Key_Old = Key_Temp;
	
		
	if(Key_Down)
	{				
		uc_Key_state = 'd';
		
		ul_Key_Time_Down = ul_ms;  //记录按键按下时的时刻
		
	}
 
	if(Key_Up)
	{
		uc_Key_state = 'U';

		ul_Key_Time_Up = ul_ms;  //记录按键抬起时的时刻
		
		switch(Key_Up)
		{
			case 7 : uc_Key_Value = 7; break;
			case 6 : uc_Key_Value = 6; break;
			case 5 : uc_Key_Value = 5; break;
			case 4 : uc_Key_Value = 4; break;
		}
		
		//长按判断  
		if(ul_Key_Time_Up - ul_Key_Time_Down >1000)
		{
		  uc_Key_Value = uc_Key_Value +10;
		}
	}

}

Notes:
●有长按的要求，按键的功能最好放在按键抬起时刻。即在按键抬起时刻相应事件再响应。

长按二

  static ulong ul_Key4_Presstime = 0;   //计时按键按下状态的时间
  static bit Key4_Down_flag = 0;        //按按下标志位
  static bit Key4_Up_Enable = 0;        //抬起触发使能标志位

	if(Key_Down) //下降沿检测
	{	
		switch(Key_Down)
		{
		  case 4:
			{
			  ul_Key4_Presstime = ul_time;  //在按键按下的时刻 开始记录时间
				Key4_Down_flag = 1;   //按下标志位 置1
				Key4_Up_Enable = 1;   //使能抬起标志位
			}break;
			…………
	   }
	 }

	if(Key_Up)  //上升沿检测
	{
		switch(Key_Up)
		{
		  case 4:
			{
				if(Key4_Up_Enable == 1)  //抬起标志位已经使能
				{
					Key4_Down_flag = 0;  //清除按下标志位
					Key4_Up_Enable = 0;  //清除抬起标志位
					
					uc_Key_Value = 40;  //短按功能
				}
		    }
    }  


	if( (( ul_time - ul_Key4_Presstime)>1000) && (Key4_Down_flag == 1) && (Key_Old == 4) && (ul_Key4_Presstime != 0))
	{
	    ul_Key4_Presstime = ul_time;
		//ul_Key4_Presstime = 0;
		Key4_Up_Enable = 0;
		
	    uc_Key_Value += 1;
	}

6、双击

//-----------------------------------------独立按键处理函数---------------//
void Key4_Proc(void)     //独立按键处理函数
{
    uchar Key_Temp,Key_Down,Key_Up;
    static uchar Key_Old = 0;
	
	static ulong ul_Key_Time_Down_First = 0;  //记录按键 第一次 按下时的时刻
	static ulong ul_Key_Time_Down_Second = 0; //记录按键 第二次 按下时的时刻
	static uchar Key_First = 0;   //记录按键 第一次 按键值
    static uchar Key_Second = 0;  //记录按键 第二次 按键值
	
	if(uc_Key_flag) return;  //10ms
	uc_Key_flag = 1;
	
	Key_Temp = Key4_Read();
	Key_Down = Key_Temp & (Key_Old ^ Key_Temp);   //按下为按键值，其它为0
	Key_Up  = ~Key_Temp & (Key_Old ^ Key_Temp);  //松手为抬起前的按键值，其他为0 
	Key_Old = Key_Temp;
	
		
	if(Key_Down)
	{				
		uc_Key_state = 'd';
		
		if( (Key_First == 0) && (Key_Second == 0) )  //未有按键按下
		{
		  ul_Key_Time_Down_First = ul_ms;  //记录按键 第一次 按下时的时刻
		  Key_First = Key_Down;  //记录按键 第一次 按键值
			
		}
		else if( (Key_First != 0) && (Key_Second == 0) )  //已有一次按键按下，此次是第二次
		{
		  ul_Key_Time_Down_Second = ul_ms;  //记录按键 第二次 按下时的时刻
		  Key_Second = Key_Down;  //记录按键 第二次 按键值
				
		}
		
	}
 
	if(Key_Up)
	{
		uc_Key_state = 'U';
	}
   
	
	//双击、单击的判断
	 if( (Key_First != 0) && (ul_ms - ul_Key_Time_Down_First >500) )  //有第一次按键按下，并且时间>500ms
		{
		  if(Key_Second == 0)    //第二次没有按下， 单击
			{
			 		switch(Key_First)
							{
								case 7 : uc_Key_Value = 7; break;
								case 6 : uc_Key_Value = 6; break;
								case 5 : uc_Key_Value = 5; break;
								case 4 : uc_Key_Value = 4; break;
							}
				 
							Key_First = 0;Key_Second = 0;  //清零
			}
			else if(Key_Second == Key_First)  //第二次有按下，且和第一次相等 ，双击
			{
              uc_Key_Value = Key_Second +10;
			  Key_First = 0;Key_Second = 0; //清零
			}
			else if( (Key_Second != 0) && (Key_Second != Key_First) )  //第二次有按下，但和第一次不相等 ，错误
			{
			    uc_Key_Value = 'E';
				Key_First = 0;Key_Second = 0; //清零
			}
			
		}
	
}

Notes:
●按键双击的判断周期设为500ms，即按键500ms响应一次，判断是单击、双击还是错误。

7、复合按键

类似于Ctrl+C 和 Ctrl+V 在长按一个的情况下，再单击另一个。
复合按键 是在按键扫描函数中进行修改。

uchar Key4_Read(void)    //独立按键扫描函数,读取键值
{
    uchar Key_temp;
	uchar Key_Value;
	
	P3 |= 0x0f;
	Key_temp = P3&0x0f;
	
	switch(Key_temp)
	{
	    case 0x0e : Key_Value = 7; break;  //S7
		case 0x0d : Key_Value = 6; break;  //S6
		case 0x0b : Key_Value = 5; break;  //S5
		case 0x07 : Key_Value = 4; break;  //S4
		
		 //S4的复合按键部分
	    case 0x06 : Key_Value = 47; break;  //S4 + S7
		case 0x05 : Key_Value = 46; break;  //S4 + S6
		case 0x03 : Key_Value = 45; break;  //S4 + S5
		
		default: Key_Value = 0;
	}
	
	return Key_Value;
}

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