摘要：单片机控制系统中大多使用控制键来实现控制功能。消除按键瞬间的抖动是设计者必须要考虑的问题。本文介绍一种很实用的软件去抖动方法,它借助于单片机内的定时中断资源,只要运算一下逻辑表达就完成了去抖动。这个方法效率高,不耗机时且易实现。文中使用的逻辑表达式由简单卡诺图和真值表推出,使该方法的机理容易理解。文中还提供用C51单片机编程语言编写的实用例程。

    关键词：单片机 键处理 控制系统 去抖动 键盘

概述

在单片机控制系统中,通过按键实现控制功能是很常见的。对按键处理的重要环节是去抖动,包括去除按下和抬起瞬间的抖动。去抖动的方法有很多种,如使用R-S触发器的硬件方法、运用不同算法的各种软件方法等。硬件方法会增加成本和体积,对于按键较多的矩阵式键盘,会用硬件方法;软件方法用的比较普遍,但有一种加固定延时的去抖动法效率最低,它以无谓地耗费机时来实现去抖动。

此处介绍的是一种软件方法。简单说来是一种运算法,配合定时中断读取按键,通过运算逻辑表达式：

Keradyn=Ktemp Kinput+Kreadyn-1 (Ktemp ⊙Kinput)    (1)

Ktemp=Kinput    (2)

可以获得消除抖动的按键消息。这种方法效率高,不需耗时的循环等待,而且算法简单、使用方便。

一、基本原理

由于按键的按下与抬起都会有10～20ms的抖动毛刺存在,因此,为了获取稳定的按键信息,须要避开这段抖动期。

设置3个变量Kready、Ktemp和Kinput,并设置定时中断周期为20ms。在定时中断服务程序中读取按键,并把读取的数据存于变量Kinput中。变量Kready中是所需要的稳定的按键信息;Ktemp是中间变量,它的值是上一次的Kinput。

根据当前按键的状态,考虑到Kready中是20ms抖动后的有效键信息,则Kready、Ktemp和Kinput之间,在不同时刻的状态关系如表1所列。

表1 

时刻1为没有键按下的初始状态;时刻2的Kinput为1,但时刻3的Kinput又变为0,说明时刻2的Kinput为1并不是有键按下,可能只是干扰,所以Kreqdy为0;时刻4同时刻2的情况类似,但是时刻4和时刻5时Kinput都为1,说明有按键按下,在时刻5时Kready为1;虽然时刻7时Kinput为0,但时刻5、6、8时Kinput都为1,说明按键一直按下,只不过有干扰,Kready保持为1;时刻9、10连续两个时刻Kinput为0,表示按键抬起,时刻10时Kready为0。

通过分析可以看出,Kready中是消除了抖动并在一定程度上排除了干扰的有效按键信息。从按键按下到Kready为1,最长时间约为40ms,最短约为20ms。其时间长短取决于键按下时处于定时中断周期的所在时刻。如果按键一直按下,则有效键信息以20ms的间隔重复输出。

仔细分析表1,还可知道当前时刻Kready的值不但与Ktemp和Kinput有关,还与Kready前一时刻的值有关。我们把Keady的当前时刻记作Kreadyn,作为因变量;前一时刻记作Kreadyn-1,并和Ktemp、Kinput一起作为自变量,依照表1绘出卡诺图如图1所示。

表达式（1）就是由图1的卡诺图得出的最简逻辑表达式。

二、实际应用扩展

表达式（1）中的Kready提供的是间隔20ms的重复键信息;有的地址不需要重复键值,按一次键获得一次键值就够了;而有的应用系统则两种键值都要有,比如电视监控系统的控制键盘中对镜头云台的控制需要重复键值,其他命令键则不需要。为了满足这种要求,就要对表达式（1）进行扩展。为此,引入了另外两个变量和1个常量。它们分别是Koutput、Kstore和Kconst。Koutput作为最终的键信息输出;Kstore作为中间变量用作保存上一次去抖动后的键信息;Kconst是常量,它的值需要先给定;0对应非重复键,1则对应重复键。

表露Koutput、Kconst、Kstore和Kready之间关系的真值表如表2所列。

表2 

由图2获得了如下最简逻辑表达式,作为表达式（1）的扩展：

Kstore中是上一次的Kready,所以

Kstroe=Kready    （4）

根据表2绘出的卡诺图如图2所示。

表达式（3）是1个包含了表达式（1）的通用逻辑表达式。它用于既有重复键输出也有非重复键输出的系统中。对于只有重复键输出的系统,Kconst全为1,则Koutput=Kready,所以只用表达式（1）就可以了。如果系统只要求非重复键输出,则Kconst全为0,表达式（3）简化为：

在实际应用中,1个比特表示1个键。C51中的字符变量可以处理8个键,如果系统需要更多的键,可选用整型变量、长整型变量或数组。如果系统的按键数量过多,则会占用较多单片机宝贵的内部寄存器,这是该方法的不足之处。

三.应用程序实例

为了进一步理解上述方法如何在编程中得以实现,在此提供了1个用C51单片机编程语言编制的8个按键的键处理程序,以供参考。该程序在KEIL C51 V6.02/uVsion2 demo编译环境下编译通过。

#include<intrins.h>

#include<at89x51.h>

unsigned char key_value;

unsigned char Kinput;

unsigned char Ktemp;

unsigned char Kstore;

unsigned char Kready;

unsigned char Koutput;

unsigned char bdata flag;

code unsigned char Kconst=0xaa; /*重复键和非重复键格式*/

sbit endebounce=flag^0;

sbit getkey=iag^1;

sbit kprocess=flag^2;

sbit ACC_7=ACC^7;

void main(void);

void debounce(void);

void get_key_value(void);

void main(void)

{

/*初始化*/

kinput=Ktemp=kready=Kstore=0;

endebounce=0;

getkey=0;

kprocess=0;

TMOD=0x01;

TL0=0xe0;

TH0=0xb1;

TR0=1;

ET0=1;

EA=1;

/*……*/

while(1)/*循环*/

{

debounce();/*调用去除键抖动函数*/

get_key_value();/*调用获取键值函数*/

key_processing();/*调用键处理函数*/

/*other functions*/

}

}

void debounce(void)

{

if (endebounce)

{

/*以下是去除键抖动表达式*/

Kreqdy=Ktemp & Kinput Kready & (Ktemp^Kinput);

Ktemp=Kinput;

/*以下表示式用于输出重复键和非重复键*/

Koutput=Kready &(～Kstore Kconst);

Kstore=Kready;

if (Koutput ! =0)/*如果有键按下,置标志准备获取键值*/

getkey=1;

}

}

void get_key_value(void)

{

if(getkey)

{

unsigned char temp;

unsigned char j;

getkey=0;/*清标志*/

for(j=0;j<8;j++)

{

temp=_cror_(koutput,1);/*循环右移寻找按下的键*/

if(_testbit_(ACC_7))/*如果ACC_7=1,找到了按下的键*/

{

key_value=j;/*获得键值*/

j=8;/*找到按下的键就退出循环*/

kprocess=1;/*置标志,准备进行键处理*/

}

else Koutput=temp;/*准备下一次寻找*/

}

}

}

void timer0_interrupt_handler(void) interrupt using1

{

TL0=0xe0;/*加载定时器参数,使晶振频率12MHz时中断周期为20ms*/

TH0=0xb1;

/*键扫描*/

P2_0;/*使能键扫描位*/

Kinput=～P0;/*从P0读入按键信息,反相后保存*/

endebounce;/*置标志位准备去抖动*/

/*其它与定时器有关的语句*/

}