一種軟件去除鍵抖動(dòng)的方法
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摘要：單片機(jī)控制系統(tǒng)中大多使用控制鍵來實(shí)現(xiàn)控制功能。消除按鍵瞬間的抖動(dòng)是設(shè)計(jì)者必須要考慮的問題。本文介紹一種很實(shí)用的軟件去抖動(dòng)方法，它借助于單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)中斷資源，只要運(yùn)算一下邏輯表達(dá)就完成了去抖動(dòng)。這個(gè)方法效率高，不耗機(jī)時(shí)且易實(shí)現(xiàn)。文中使用的邏輯表達(dá)式由簡單卡諾圖和真值表推出，使該方法的機(jī)理容易理解。文中還提供用C51單片機(jī)編程語言編寫的實(shí)用例程。
關(guān)鍵詞：單片機(jī) 鍵處理 控制系統(tǒng) 去抖動(dòng) 鍵盤
概述
在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，通過按鍵實(shí)現(xiàn)控制功能是很常見的。對按鍵處理的重要環(huán)節(jié)是去抖動(dòng)，包括去除按下和抬起瞬間的抖動(dòng)。去抖動(dòng)的方法有很多種，如使用R-S觸發(fā)器的硬件方法、運(yùn)用不同算法的各種軟件方法等。硬件方法會增加成本和體積，對于按鍵較多的矩陣式鍵盤，會用硬件方法；軟件方法用的比較普遍，但有一種加固定延時(shí)的去抖動(dòng)法效率最低，它以無謂地耗費(fèi)機(jī)時(shí)來實(shí)現(xiàn)去抖動(dòng)。
此處介紹的是一種軟件方法。簡單說來是一種運(yùn)算法，配合定時(shí)中斷讀取按鍵，通過運(yùn)算邏輯表達(dá)式：
Keradyn=Ktemp Kinput+Kreadyn-1 (Ktemp ⊙Kinput) (1)
Ktemp=Kinput (2)
可以獲得消除抖動(dòng)的按鍵消息。這種方法效率高，不需耗時(shí)的循環(huán)等待，而且算法簡單、使用方便。
一、基本原理
由于按鍵的按下與抬起都會有10～20ms的抖動(dòng)毛刺存在，因此，為了獲取穩(wěn)定的按鍵信息，須要避開這段抖動(dòng)期。
設(shè)置3個(gè)變量Kready、Ktemp和Kinput，并設(shè)置定時(shí)中斷周期為20ms。在定時(shí)中斷服務(wù)程序中讀取按鍵，并把讀取的數(shù)據(jù)存于變量Kinput中。變量Kready中是所需要的穩(wěn)定的按鍵信息；Ktemp是中間變量，它的值是上一次的Kinput。
根據(jù)當(dāng)前按鍵的狀態(tài)，考慮到Kready中是20ms抖動(dòng)后的有效鍵信息，則Kready、Ktemp和Kinput之間，在不同時(shí)刻的狀態(tài)關(guān)系如表1所列。
表1
| 時(shí) 刻 | Kready | Ktemp | Kinput |
| 1 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 0 | 0 | 1 |
| 3 | 0 | 1 | 0 |
| 4 | 0 | 0 | 1 |
| 5 | 1 | 1 | 1 |
| 6 | 1 | 1 | 1 |
| 7 | 1 | 1 | 0 |
| 8 | 1 | 0 | 1 |
| 9 | 1 | 1 | 0 |
| 10 | 0 | 0 | 0 |
| 11 | 0 | 0 | 0 |
時(shí)刻1為沒有鍵按下的初始狀態(tài)；時(shí)刻2的Kinput為1，但時(shí)刻3的Kinput又變?yōu)?，說明時(shí)刻2的Kinput為1并不是有鍵按下，可能只是干擾，所以Kreqdy為0；時(shí)刻4同時(shí)刻2的情況類似，但是時(shí)刻4和時(shí)刻5時(shí)Kinput都為1，說明有按鍵按下，在時(shí)刻5時(shí)Kready為1；雖然時(shí)刻7時(shí)Kinput為0，但時(shí)刻5、6、8時(shí)Kinput都為1，說明按鍵一直按下，只不過有干擾，Kready保持為1；時(shí)刻9、10連續(xù)兩個(gè)時(shí)刻Kinput為0，表示按鍵抬起，時(shí)刻10時(shí)Kready為0。
通過分析可以看出，Kready中是消除了抖動(dòng)并在一定程度上排除了干擾的有效按鍵信息。從按鍵按下到Kready為1，最長時(shí)間約為40ms，最短約為20ms。其時(shí)間長短取決于鍵按下時(shí)處于定時(shí)中斷周期的所在時(shí)刻。如果按鍵一直按下，則有效鍵信息以20ms的間隔重復(fù)輸出。
仔細(xì)分析表1，還可知道當(dāng)前時(shí)刻Kready的值不但與Ktemp和Kinput有關(guān)，還與Kready前一時(shí)刻的值有關(guān)。我們把Keady的當(dāng)前時(shí)刻記作Kreadyn，作為因變量；前一時(shí)刻記作Kreadyn-1，并和Ktemp、Kinput一起作為自變量，依照表1繪出卡諾圖如圖1所示。
表達(dá)式（1）就是由圖1的卡諾圖得出的最簡邏輯表達(dá)式。
二、實(shí)際應(yīng)用擴(kuò)展
表達(dá)式（1）中的Kready提供的是間隔20ms的重復(fù)鍵信息；有的地址不需要重復(fù)鍵值，按一次鍵獲得一次鍵值就夠了；而有的應(yīng)用系統(tǒng)則兩種鍵值都要有，比如電視監(jiān)控系統(tǒng)的控制鍵盤中對鏡頭云臺的控制需要重復(fù)鍵值，其他命令鍵則不需要。為了滿足這種要求，就要對表達(dá)式（1）進(jìn)行擴(kuò)展。為此，引入了另外兩個(gè)變量和1個(gè)常量。它們分別是Koutput、Kstore和Kconst。Koutput作為最終的鍵信息輸出；Kstore作為中間變量用作保存上一次去抖動(dòng)后的鍵信息；Kconst是常量，它的值需要先給定；0對應(yīng)非重復(fù)鍵，1則對應(yīng)重復(fù)鍵。
表露Koutput、Kconst、Kstore和Kready之間關(guān)系的真值表如表2所列。
表2
| Koutput | Kconst | Kstore | Kready |
| 1 | x | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | x | 1 | 0 |
| 0 | x | 0 | 0 |
由圖2獲得了如下最簡邏輯表達(dá)式，作為表達(dá)式（1）的擴(kuò)展：
Kstore中是上一次的Kready，所以
Kstroe=Kready （4）
根據(jù)表2繪出的卡諾圖如圖2所示。
表達(dá)式（3）是1個(gè)包含了表達(dá)式（1）的通用邏輯表達(dá)式。它用于既有重復(fù)鍵輸出也有非重復(fù)鍵輸出的系統(tǒng)中。對于只有重復(fù)鍵輸出的系統(tǒng)，Kconst全為1，則Koutput=Kready，所以只用表達(dá)式（1）就可以了。如果系統(tǒng)只要求非重復(fù)鍵輸出，則Kconst全為0，表達(dá)式（3）簡化為：
在實(shí)際應(yīng)用中，1個(gè)比特表示1個(gè)鍵。C51中的字符變量可以處理8個(gè)鍵，如果系統(tǒng)需要更多的鍵，可選用整型變量、長整型變量或數(shù)組。如果系統(tǒng)的按鍵數(shù)量過多，則會占用較多單片機(jī)寶貴的內(nèi)部寄存器，這是該方法的不足之處。
三.應(yīng)用程序?qū)嵗?/STRONG>
為了進(jìn)一步理解上述方法如何在編程中得以實(shí)現(xiàn)，在此提供了1個(gè)用C51單片機(jī)編程語言編制的8個(gè)按鍵的鍵處理程序，以供參考。該程序在KEIL C51 V6.02/uVsion2 demo編譯環(huán)境下編譯通過。
#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; /*重復(fù)鍵和非重復(fù)鍵格式*/
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)/*循環(huán)*/
{
debounce();/*調(diào)用去除鍵抖動(dòng)函數(shù)*/
get_key_value();/*調(diào)用獲取鍵值函數(shù)*/
key_processing();/*調(diào)用鍵處理函數(shù)*/
/*other functions*/
}
}
void debounce(void)
{
if (endebounce)
{
/*以下是去除鍵抖動(dòng)表達(dá)式*/
Kreqdy=Ktemp & Kinput |Kready & (Ktemp^Kinput);
Ktemp=Kinput；
/*以下表示式用于輸出重復(fù)鍵和非重復(fù)鍵*/
Koutput=Kready &(～Kstore | Kconst);
Kstore=Kready;
if (Koutput ! =0)/*如果有鍵按下，置標(biāo)志準(zhǔn)備獲取鍵值*/
getkey=1;
}
}
void get_key_value(void)
{
if(getkey)
{
unsigned char temp;
unsigned char j;
getkey=0;/*清標(biāo)志*/
for(j=0;j<8;j++)
{
temp=_cror_(koutput,1);/*循環(huán)右移尋找按下的鍵*/
if(_testbit_(ACC_7))/*如果ACC_7=1，找到了按下的鍵*/
{
key_value=j;/*獲得鍵值*/
j=8;/*找到按下的鍵就退出循環(huán)*/
kprocess=1;/*置標(biāo)志，準(zhǔn)備進(jìn)行鍵處理*/
}
else Koutput=temp;/*準(zhǔn)備下一次尋找*/
}
}
}
void timer0_interrupt_handler(void) interrupt using1
{
TL0=0xe0;/*加載定時(shí)器參數(shù)，使晶振頻率12MHz時(shí)中斷周期為20ms*/
TH0=0xb1；
/*鍵掃描*/
P2_0；/*使能鍵掃描位*/
Kinput=～P0;/*從P0讀入按鍵信息，反相后保存*/
endebounce;/*置標(biāo)志位準(zhǔn)備去抖動(dòng)*/
/*其它與定時(shí)器有關(guān)的語句*/
}
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