第六章 GPIO输入——按键检测

第六章 GPIO输入——按键检测

目录

第六章 GPIO输入——按键检测

1 硬件设计

2 软件设计

2.1 按键输入检测方式

2.1.1 按键扫描

2.1.2 外部中断

2.2 编程要点

2.3 代码分析

2.4 下载验证


本章参考资料:《W55MH32中文参考手册》按键检测使用到GPIO外设的基本输入功能。

1 硬件设计

        按键机械触点断开、闭合时,由于触点的弹性作用,按键开关不会马上稳定接通或一下子断开, 使用按键时会产生图 按键抖动说明图 中的带波纹信号,需要用软件消抖处理滤波,不方便输入检测。本实验板连接的按键带硬件消抖功能, 见下图:

        它利用电容充放电的延时,消除了波纹,从而简化软件的处理,软件只需要直接检测引脚的电平即可。

        从按键的原理图可知,这些按键在没有被按下的时候,GPIO引脚的输入状态为低电平(按键所在的电路不通,引脚接地),当按键按下时, GPIO引脚的输入状态为高电平(按键所在的电路导通,引脚接到电源)。只要我们检测引脚的输入电平,即可判断按键是否被按下。

        若您使用的实验板按键的连接方式或引脚不一样,只需根据我们的工程修改引脚即可,程序的控制原理相同。

2 软件设计

2.1 按键输入检测方式

        按键输入检测方式分为定时扫描和外部中断两种,工作原理和优缺点如下文所示。本篇我们主要讲解用外部中断的方式进行按键输入检测。

2.1.1 按键扫描

工作原理:通过 CPU 定时或不断地读取按键所连接的 GPIO 引脚电平状态,来判断按键是否被按下。比如在一个循环中,反复检测按键对应的引脚是高电平还是低电平 ,若原本是高电平,检测到变为低电平,且经过消抖处理(一般通过延时,比如 5~10ms 再次检测确认)后还是低电平,就认为按键被按下;松开时则相反。像独立按键扫描,就是单独检测每个按键引脚;矩阵按键扫描则是按行或列扫描,通过行列交叉点判断哪个按键动作 。

优点:

  • 原理简单易懂,实现起来相对容易,对于初学者友好。
  • 可灵活控制扫描频率和时机,在一些对按键检测实时性要求不高,且系统资源较为充裕的场景下,能很好地工作。

缺点:

  • 占用 CPU 资源,CPU 需要不断执行扫描程序来检测按键状态,若系统中还有其他任务,会影响整体运行效率。
  • 实时性较差,因为是定时或不断扫描,不能及时响应按键动作,存在检测延迟。

2.1.2 外部中断

工作原理:当外部事件发生,比如按键按下使连接到单片机的外部中断引脚上电平发生变化(可配置为上升沿触发、下降沿触发或双边沿触发 ),单片机的中断系统会迫使 CPU 暂停正在执行的程序,转而去执行预先编写好的中断服务程序来处理该事件,处理完后再返回原来中断的地方继续执行原程序 。以按键为例,按键连接到外部中断引脚,按下按键产生电平变化,触发中断请求,CPU 响应后进入中断服务函数处理按键事件。

优点:

  • 实时性强,能在外部事件发生的瞬间及时响应,快速处理事件,适用于对实时性要求高的场景,如工业控制中对突发信号的快速响应。
  • 节省 CPU 资源,CPU 不需要一直轮询检测按键状态,只有在外部事件触发中断时才会处理相关事务,提高了 CPU 使用效率。

缺点:

  • 配置相对复杂,需要对中断相关寄存器(如中断使能寄存器、中断优先级寄存器、中断触发方式寄存器等 )进行正确配置,对开发者要求较高。
  • 多个中断源同时请求时,需要合理处理中断优先级和中断嵌套等问题,否则可能导致系统运行异常。

2.2 编程要点

1.使能GPIO端口时钟;

2.初始化GPIO目标引脚为输入模式(浮空输入);

3.编写简单测试程序,检测按键的状态

2.3 代码分析

1. 头文件包含和宏定义

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include "delay.h"
#include "w55mh32.h"

#define GPIO_GROUP_TEST GPIOG
#define GPIO_MODE_TEST  GPIO_Mode_IPU
#define GPIO_SPEED_TEST GPIO_Speed_50MHz
#define GPIO_PIN_TEST   GPIO_Pin_5

USART_TypeDef *USART_TEST = USART1;

头文件包含:包含标准库头文件 stdlib.h、string.h、stdio.h,以及自定义的 delay.h 和 w55mh32.h 头文件。

宏定义:

  • GPIO_GROUP_TEST:定义使用的 GPIO 组为 GPIOG。
  • GPIO_MODE_TEST:定义 GPIO 模式为上拉输入模式 GPIO_Mode_IPU。
  • GPIO_SPEED_TEST:定义 GPIO 速度为 50MHz。
  • GPIO_PIN_TEST:定义使用的 GPIO 引脚为 GPIO_Pin_5。
  • USART_TEST:定义使用的 USART 外设为 USART1。

2. 函数声明

void UART_Configuration(uint32_t bound);
void GPIO_Configuration(void);

        声明了两个函数:UART_Configuration 用于配置串口通信,GPIO_Configuration 用于配置 GPIO 引脚和外部中断。

3. main 函数

int main(void)
{
    RCC_ClocksTypeDef clocks;
    delay_init();
    UART_Configuration(115200);
    RCC_GetClocksFreq(&clocks);

    printf("\n");
    printf("SYSCLK: %3.1fMhz, HCLK: %3.1fMhz, PCLK1: %3.1fMhz, PCLK2: %3.1fMhz, ADCCLK: %3.1fMhz\n",
           (float)clocks.SYSCLK_Frequency / 1000000, (float)clocks.HCLK_Frequency / 1000000,
           (float)clocks.PCLK1_Frequency / 1000000, (float)clocks.PCLK2_Frequency / 1000000, (float)clocks.ADCCLK_Frequency / 1000000);
    printf("GPIO IO Input Test.\n");

    GPIO_Configuration();

    while (1)
    {
    }
}

初始化操作:

  • delay_init():初始化延时函数。
  • UART_Configuration(115200):配置串口通信,波特率为 115200。
  • RCC_GetClocksFreq(&clocks):获取系统时钟频率信息。

打印信息:打印系统时钟频率信息和测试提示信息。

GPIO 配置:调用 GPIO_Configuration() 函数配置 GPIO 引脚和外部中断。

主循环:进入一个无限循环,等待外部中断触发。

4. GPIO_Configuration 函数

void GPIO_Configuration(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOG | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_PIN_TEST;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_SPEED_TEST;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_MODE_TEST;
    GPIO_Init(GPIO_GROUP_TEST, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOG, GPIO_PinSource5);

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel                   = EXTI9_5_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority        = 3;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd                = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    EXTI_InitStructure.EXTI_Line    = EXTI_Line5;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode    = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
}

时钟使能:使能 GPIOG 和复用功能 I/O(AFIO)的时钟。

GPIO 初始化:配置 GPIOG 的 GPIO_Pin_5 为上拉输入模式,速度为 50MHz。

外部中断线配置:将 GPIOG 的 GPIO_Pin_5 映射到外部中断线 EXTI_Line5。

NVIC 配置:

  • 配置外部中断线 5~9 的中断通道 EXTI9_5_IRQn。
  • 设置抢占优先级为 2,子优先级为 3,并使能该中断通道。

EXTI 配置:配置外部中断线 EXTI_Line5 为中断模式,下降沿触发,并使能该中断线。

5. EXTI9_5_IRQHandler 函数

void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line5) == SET)
    {
        delay_ms(10);
        if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOG, GPIO_Pin_5) == Bit_RESET)
        {
            printf("The key is pressed\n");
        }
    }
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line5);
}

中断处理:

  • 检查外部中断线 EXTI_Line5 的中断标志位是否被置位。
  • 进行 10ms 的消抖处理。
  • 读取 GPIOG 的 GPIO_Pin_5 的输入电平,如果为低电平,则打印 "The key is pressed"。
  • 清除外部中断线 EXTI_Line5 的中断标志位。

6. UART_Configuration 函数

void UART_Configuration(uint32_t bound)
{
    GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    USART_InitStructure.USART_BaudRate            = bound;
    USART_InitStructure.USART_WordLength          = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits            = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity              = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode                = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;

    USART_Init(USART_TEST, &USART_InitStructure);
    USART_Cmd(USART_TEST, ENABLE);
}

时钟使能:使能 USART1 和 GPIOA 的时钟。

GPIO 初始化:

  • 配置 GPIOA 的 GPIO_Pin_9 为复用推挽输出模式,用于 USART1 的发送引脚。
  • 配置 GPIOA 的 GPIO_Pin_10 为浮空输入模式,用于 USART1 的接收引脚。

USART 初始化:

  • 配置 USART1 的波特率、数据位、停止位、校验位、硬件流控制和工作模式。
  • 使能 USART1。

7. EXTI1_IRQHandler 函数

void EXTI1_IRQHandler(void)
{
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line1) == SET)
    {
        delay_ms(10);
        if (GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1) == Bit_SET)
        {
            printf("The key is pressed\n");
        }
    }
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);
}

中断处理:处理外部中断线 EXTI_Line1 的中断事件,与 EXTI9_5_IRQHandler 类似,但该中断在本代码中未被使用。

8. SER_PutChar 函数和 fputc 函数

int SER_PutChar(int ch)
{
    while (!USART_GetFlagStatus(USART_TEST, USART_FLAG_TC));
    USART_SendData(USART_TEST, (uint8_t)ch);

    return ch;
}

int fputc(int c, FILE *f)
{
    if (c == '\n')
    {
        SER_PutChar('\r');
    }
    return (SER_PutChar(c));
}

SER_PutChar 函数:将一个字符通过 USART 发送出去,等待发送完成标志位被置位。

fputc 函数:重定向标准输出函数,将换行符 \n 替换为回车符 \r 后再发送

2.4 下载验证

        把编译好的程序下载到开发板并复位,按下按键可以在串口查看按钮是否按下。

<think>好的,我现在需要回答用户关于STM32单片机按键检测电路设计的问题。用户提到了几个引用内容,我需要结合这些信息来构建一个全面的回答。 首先,引用[3]详细描述了按键电路的可靠性设计,提到了使用三极管来保护IO口,防止浪涌电压损坏单片机。这部分内容非常重要,特别是对于工业应用来说,保护电路是必须的。我需要解释这个电路的工作原理,并指出其优点。 然后,引用[2]讨论了按键消抖的方法,包括软件消抖和长短按检测。用户的问题是关于电路设计的,但软件实现也是按键检测的重要组成部分,所以应该提到这一点,并说明如何结合硬件和软件来提高可靠性。 引用[1]介绍了STM32F103C8T6的供电和调试工具,虽然不直接相关,但可以提到供电的稳定性对按键检测的影响,例如使用LDO确保3.3V稳定供电,避免电压波动导致误检测。 接下来,我需要组织回答的结构,先介绍硬件设计,再讲软件实现,然后讨论应用场景。在硬件部分,要详细说明直接连接和三极管保护两种方案,比较它们的优缺点。软件部分要提到消抖算法和状态机处理,可能还需要示例代码。 同时,用户要求生成相关问题,我需要根据内容提出几个相关的问题,比如优化方法、可靠性设计、消抖实现等。 需要确保使用正确的中文术语,避免技术错误。例如,解释三极管导通和截止状态时,要准确描述电压变化对电路的影响。此外,引用标记要正确添加在相关段落的末尾,如引用[3]在硬件设计部分,引用[2]在软件消抖部分。 最后,检查是否符合系统级指令,如数学公式是否正确使用,独立公式是否用$$...$$,但在这个问题中可能涉及较少数学内容,但如果有方程的话需要注意格式。确保回答结构清晰,分步骤说明设计方法,保持真实可靠。</think>### STM32单片机按键检测电路设计及实现方法 #### 1. 硬件电路设计 **(1) 直接连接方案(低成本场景)** 直接将按键一端接单片机IO口(设置为上拉输入模式),另一端接地。未按下时IO口为高电平(通过内部/外部上拉电阻),按下时接地变为低电平。 *优点*:电路简单,成本低。 *缺点*:抗干扰能力弱,易受静电或浪涌损坏IO口,适用于消费类电子产品[^3]。 **(2) 三极管保护方案(工业级场景)** 使用PNP三极管作为隔离保护,电路结构如下: $$ 按键 → 三极管基极 \\ IO口通过电容滤波连接三极管发射极 \\ 三极管集电极接地 $$ 未按下时,基极高电平→三极管截止→IO口检测为高电平; 按下时,基极低电平→三极管导通→IO口检测为低电平[^3]。 *优点*:浪涌电压通过三极管泄放,保护单片机IO口,适用于工控设备。 #### 2. 软件实现方法 **(1) 按键消抖** - **硬件消抖**:并联0.1μF电容滤除抖动信号。 - **软件消抖**:检测到电平变化后延时10-20ms再确认状态,示例代码: ```c if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, KEY_PIN) == 0) { HAL_Delay(15); // 延时消抖 if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, KEY_PIN) == 0) { // 确认按键按下 } } ``` [^2] **(2) 状态机处理** 通过结构体记录按键状态,支持长按/短按识别: ```c typedef struct { uint8_t curr_state; uint8_t prev_state; uint32_t press_time; } Key_Status; #define LONG_PRESS_THRESHOLD 1000 // 长按阈值1秒 ``` #### 3. 典型应用场景 - 消费电子产品:直接连接方案+软件消抖 - 工业控制器:三极管保护方案+硬件滤波+状态机检测 - 医疗设备:光耦隔离方案(更高安全性)
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