如何在單片機(jī)中消除按鍵抖動(dòng)？

電子設(shè)計(jì)聯(lián)盟 · 發(fā)表于 2024-11-1 08:01:00

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在單片機(jī)（如STM32、AVR、PIC等）上處理按鍵輸入時(shí)，按鍵抖動(dòng)是常見的問題。

按鍵抖動(dòng)是指機(jī)械按鍵在按下或釋放時(shí)，由于物理彈性會(huì)出現(xiàn)反復(fù)開閉，產(chǎn)生“抖動(dòng)”，導(dǎo)致單片機(jī)在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)檢測到多次按鍵變化，影響輸入的可靠性。

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為什么按鍵抖動(dòng)會(huì)造成問題？
按鍵抖動(dòng)通常持續(xù)幾毫秒（約5-20毫秒），在此期間按鍵的狀態(tài)會(huì)在“高”與“低”電平之間多次跳變。如果不進(jìn)行消抖處理，單片機(jī)在檢測到按鍵被按下的瞬間可能會(huì)認(rèn)為按鍵被多次按下，導(dǎo)致錯(cuò)誤觸發(fā)。

例如：用戶只按下一次按鍵，但由于抖動(dòng)未被處理，可能會(huì)多次觸發(fā)事件，尤其是在較高采樣頻率的系統(tǒng)中。
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消除按鍵抖動(dòng)的常見方法
可以通過硬件或軟件手段消除按鍵抖動(dòng)。通常情況下，軟件消抖更為靈活，硬件和軟件消抖可以組合使用以提高可靠性。

硬件消抖
硬件消抖通常通過加入電容和電阻組成RC濾波電路。RC電路的阻容時(shí)間常數(shù)可以緩解電平的快速跳變，使得按鍵在電平轉(zhuǎn)變過程中更為平滑，減少抖動(dòng)。

典型的電容值是0.1μF，電阻在10kΩ左右。這種方法在不增加處理器負(fù)擔(dān)的情況下能夠有效減少抖動(dòng)，但增加了硬件成本。

軟件消抖
軟件消抖通常有以下幾種方法。

延時(shí)法：在按鍵檢測到一次變化后，直接延時(shí)一段時(shí)間（如20毫秒）再讀取按鍵狀態(tài)。這種方法簡單，但會(huì)引入固定延遲，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)可能會(huì)影響響應(yīng)速度。

int read_key_state() { if (key_is_pressed()) { // 檢測到按鍵按下 delay_ms(20); // 延時(shí)消抖 if (key_is_pressed()) // 再次確認(rèn)按鍵狀態(tài) return 1; } return 0;}
計(jì)數(shù)法：設(shè)定一個(gè)計(jì)數(shù)器并每次檢測按鍵狀態(tài)。當(dāng)檢測到按鍵狀態(tài)持續(xù)相同多次（如連續(xù)檢測到10次為按下），則確認(rèn)按鍵按下并消除抖動(dòng)。這種方法更適合于定時(shí)器中斷方式。

int debounce_key() { static int count = 0; static int last_state = 0; int current_state = key_is_pressed();
if (current_state == last_state) { count++; if (count >= 10) { // 假設(shè)10次表示穩(wěn)定狀態(tài) count = 0; return current_state; } } else { count = 0; } last_state = current_state; return -1; // 表示不穩(wěn)定，無法確認(rèn)}
狀態(tài)機(jī)法：使用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行消抖，設(shè)置“未按下”、“按下確認(rèn)”、“按下穩(wěn)定”、“釋放確認(rèn)”等狀態(tài)，并在每個(gè)狀態(tài)下加入延時(shí)或計(jì)數(shù)邏輯。這種方法對(duì)復(fù)雜的按鍵輸入情況非常有效，如長按、短按、連按等操作模式。

typedef enum { KEY_IDLE, KEY_PRESS_DETECTED, KEY_PRESSED_STABLE, KEY_RELEASE_DETECTED} KeyState;
KeyState key_state = KEY_IDLE;int debounce_key_state() { switch (key_state) { case KEY_IDLE: if (key_is_pressed()) { key_state = KEY_PRESS_DETECTED; delay_ms(5); } break; case KEY_PRESS_DETECTED: if (key_is_pressed()) { key_state = KEY_PRESSED_STABLE; return 1; // 確認(rèn)按下 } else { key_state = KEY_IDLE; } break; case KEY_PRESSED_STABLE: if (!key_is_pressed()) { key_state = KEY_RELEASE_DETECTED; delay_ms(5); } break; case KEY_RELEASE_DETECTED: if (!key_is_pressed()) { key_state = KEY_IDLE; return 0; // 確認(rèn)釋放 } else { key_state = KEY_PRESSED_STABLE; } break; } return -1; // 狀態(tài)不變}
定時(shí)器中斷法：定時(shí)器中斷法結(jié)合了硬件定時(shí)器和軟件消抖的優(yōu)點(diǎn)，通過定時(shí)器周期性地采樣按鍵狀態(tài)，并記錄多個(gè)采樣點(diǎn)的按鍵電平。如果某段時(shí)間內(nèi)按鍵狀態(tài)一致，則判斷按鍵有效。這種方法不引入阻塞等待，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)很合適。

volatile int stable_key_state = -1;
void TIM_IRQHandler(void) { static int last_state = 0; static int debounce_count = 0;
int current_state = key_is_pressed(); if (current_state == last_state) { debounce_count++; if (debounce_count >= 10) { // 假設(shè)10次為消抖穩(wěn)定 stable_key_state = current_state; } } else { debounce_count = 0; } last_state = current_state;}
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綜合消抖方案
在實(shí)際設(shè)計(jì)中，選擇消抖方法時(shí)需要平衡實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，尤其是多按鍵或長按短按的情況下。組合硬件消抖和軟件消抖可以提高按鍵的響應(yīng)速度和可靠性。

例如，可以通過硬件RC濾波先過濾大部分抖動(dòng)，然后結(jié)合軟件計(jì)數(shù)器或狀態(tài)機(jī)法確認(rèn)按鍵是否按下。
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按鍵消抖的應(yīng)用場景
消抖在用戶界面開發(fā)、工業(yè)控制、智能家居等按鍵較多的應(yīng)用中非常關(guān)鍵。在帶有多個(gè)按鍵或需要檢測長按、連按等復(fù)雜輸入的應(yīng)用中，狀態(tài)機(jī)或定時(shí)器法最適合。

而在系統(tǒng)資源有限或要求簡單按鍵檢測的場景中，可以優(yōu)先選擇計(jì)數(shù)法或延時(shí)法。
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如何調(diào)試按鍵消抖？
調(diào)試消抖算法可以通過以下方式：

使用邏輯分析儀觀察按鍵按下和釋放時(shí)的電平變化，驗(yàn)證抖動(dòng)消除效果。

將每次按鍵檢測到的狀態(tài)變化通過串口或LED指示輸出，便于觀察實(shí)際檢測效果。

使用定時(shí)器記錄按鍵狀態(tài)變化時(shí)間，優(yōu)化消抖算法的計(jì)時(shí)和延遲參數(shù)。

通過適合的消抖方法，可以顯著提高系統(tǒng)對(duì)按鍵輸入的響應(yīng)質(zhì)量，減少誤觸發(fā)，提高用戶體驗(yàn)。