第12章 GPIO输入-按键检测—零死角玩转STM32-F429系列

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本文详细介绍STM32微控制器中按键检测的硬件设计与软件编程方法，包括GPIO输入配置、按键状态检测及LED控制等内容。
第12章     GPIO输入—按键检测

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本章参考资料：《STM32F4xx参考手册》、库帮助文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》。

按键检测使用到GPIO外设的基本输入功能，本章中不再赘述GPIO外设的概念，如您忘记了，可重读前面"GPIO框图剖析"小节，STM32标准库中GPIO初始化结构体GPIO_TypeDef的定义与"定义引脚模式的枚举类型"小节中讲解的相同。

12.1 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 121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，见图 122，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。

图 121 按键抖动说明图

图 122 按键原理图

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。

12.2 软件设计

同LED的工程，为了使工程更加有条理，我们把按键相关的代码独立分开存储，方便以后移植。在"工程模板"之上新建"bsp_key.c"及"bsp_key.h"文件，这些文件也可根据您的喜好命名，这些文件不属于STM32标准库的内容，是由我们自己根据应用需要编写的。

12.2.1 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(引脚默认电平受按键电路影响，浮空/上拉/下拉均没有区别)；

3.    编写简单测试程序，检测按键的状态，实现按键控制LED灯。

12.2.2 代码分析
1.    按键引脚宏定义

同样，在编写按键驱动时，也要考虑更改硬件环境的情况。我们把按键检测引脚相关的宏定义到"bsp_key.h"文件中，见代码清单 111。

代码清单 121 按键检测引脚相关的宏

1 //引脚定义

2 /*******************************************************/

3 #define KEY1_PIN GPIO_Pin_0

4 #define KEY1_GPIO_PORT GPIOA

5 #define KEY1_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOA

6

7 #define KEY2_PIN GPIO_Pin_13

8 #define KEY2_GPIO_PORT GPIOC

9 #define KEY2_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOC

10 /*******************************************************/

以上代码根据按键的硬件连接，把检测按键输入的GPIO端口、GPIO引脚号以及GPIO端口时钟封装起来了。

2.    按键 GPIO初始化函数

利用上面的宏，编写按键的初始化函数，见代码清单 122。

代码清单 122 按键GPIO初始化函数

1 /**

2 * @brief 配置按键用到的I/O口

3 * @param 无

4 * @retval 无

5 */

6 void Key_GPIO_Config(void)

7 {

8 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

9

10 /*开启按键GPIO口的时钟*/

11 RCC_AHB1PeriphClockCmd(KEY1_GPIO_CLK|KEY2_GPIO_CLK,ENABLE);

12

13 /*选择按键的引脚*/

14 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY1_PIN;

15

16 /*设置引脚为输入模式*/

17 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;

18

19 /*设置引脚不上拉也不下拉*/

20 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;

21

22 /*使用上面的结构体初始化按键*/

23 GPIO_Init(KEY2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

24

25 /*选择按键的引脚*/

26 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY2_PIN;

27

28 /*使用上面的结构体初始化按键*/

29 GPIO_Init(KEY2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

30 }

 

同为GPIO的初始化函数，初始化的流程与"LED GPIO初始化函数"章节中的类似，主要区别是引脚的模式。函数执行流程如下：

(1)    使用GPIO_InitTypeDef定义GPIO初始化结构体变量，以便下面用于存储GPIO配置。

(2)    调用库函数RCC_AHB1PeriphClockCmd来使能按键的GPIO端口时钟，调用时我们使用"|"操作同时配置两个按键的时钟。

(3)    向GPIO初始化结构体赋值，把引脚初始化成浮空输入模式，其中的GPIO_Pin使用宏"KEYx_PIN"来赋值，使函数的实现方便移植。由于引脚的默认电平受按键电路影响，所以设置成"浮空/上拉/下拉"模式均没有区别。

(4)    使用以上初始化结构体的配置，调用GPIO_Init函数向寄存器写入参数，完成GPIO的初始化，这里的GPIO端口使用"KEYx_GPIO_PORT"宏来赋值，也是为了程序移植方便。

(5)    使用同样的初始化结构体，只修改控制的引脚和端口，初始化其它按键检测时使用的GPIO引脚。

3.    检测按键的状态

初始化按键后，就可以通过检测对应引脚的电平来判断按键状态了，见代码清单 123。

代码清单 123 检测按键的状态

1 /** 按键按下标置宏

2 * 按键按下为高电平，设置 KEY_ON=1， KEY_OFF=0

3 * 若按键按下为低电平，把宏设置成KEY_ON=0 ，KEY_OFF=1 即可

4 */

5 #define KEY_ON 1

6 #define KEY_OFF 0

7

8 /**

9 * @brief 检测是否有按键按下

10 * @param GPIOx:具体的端口, x可以是（A...K）

11 * @param GPIO_PIN:具体的端口位，可以是GPIO_PIN_x（x可以是0...15）

12 * @retval 按键的状态

13 * @arg KEY_ON:按键按下

14 * @arg KEY_OFF:按键没按下

15 */

16 uint8_t Key_Scan(GPIO_TypeDef* GPIOx,uint16_t GPIO_Pin)

17 {

18 /*检测是否有按键按下 */

19 if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx,GPIO_Pin) == KEY_ON ) {

20 /*等待按键释放 */

21 while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx,GPIO_Pin) == KEY_ON);

22 return KEY_ON;

23 } else

24 return KEY_OFF;

25 }

在这里我们定义了一个Key_Scan函数用于扫描按键状态。GPIO引脚的输入电平可通过读取IDR寄存器对应的数据位来感知，而STM32标准库提供了库函数GPIO_ReadInputDataBit来获取位状态，该函数输入GPIO端口及引脚号，函数返回该引脚的电平状态，高电平返回1，低电平返回0。Key_Scan函数中以GPIO_ReadInputDataBit的返回值与自定义的宏"KEY_ON"对比，若检测到按键按下，则使用while循环持续检测按键状态，直到按键释放，按键释放后Key_Scan函数返回一个"KEY_ON"值；若没有检测到按键按下，则函数直接返回"KEY_OFF"。若按键的硬件没有做消抖处理，需要在这个Key_Scan函数中做软件滤波，防止波纹抖动引起误触发。

4.    主函数

接下来我们使用主函数编写按键检测流程，见代码清单 124。

代码清单 124 按键检测主函数

 

1 /**

2 * @brief 主函数

3 * @param 无

4 * @retval 无

5 */

6 int main(void)

7 {

8 /* LED 端口初始化 */

9 LED_GPIO_Config();

10

11 /*初始化按键*/

12 Key_GPIO_Config();

13

14 /* 轮询按键状态，若按键按下则反转LED */

15 while (1) {

16 if ( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_PIN) == KEY_ON ) {

17 /*LED1反转*/

18 LED1_TOGGLE;

19 }

20

21 if ( Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT,KEY2_PIN) == KEY_ON ) {

22 /*LED2反转*/

23 LED2_TOGGLE;

24 }

25 }

26 }

代码中初始化LED灯及按键后，在while函数里不断调用Key_Scan函数，并判断其返回值，若返回值表示按键按下，则反转LED灯的状态。

12.2.3 下载验证

把编译好的程序下载到开发板并复位，按下按键可以控制LED灯亮、灭状态。

12.3 每课一问

1.    工程中的Key_Scan函数使用while循环来阻塞检测，等待按键释放，若按键一直被按下，会导致CPU无法进行其它操作，降低效率。尝试修改按键检测的方式，避免阻塞等待。

 

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RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0}; RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit = {0}; // 1. 配置LSE作为RTC时钟源 RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE | RCC_OSCILLATORTYPE_LSE; RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON; // 启用8MHz HSE RCC_OscInitStruct.LSEState = RCC_LSE_ON; // 启用32.768kHz LSE HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct); // 2. 配置PLL（72MHz系统时钟） RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1; RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK; RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1; RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2; HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2); // 3. 将RTC时钟源设置为LSE PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_RTC; PeriphClkInit.RTCClockSelection = RCC_RTCCLKSOURCE_LSE; HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit); } ``` --- ### 三、RTC初始化 ```c RTC_HandleTypeDef hrtc; void MX_RTC_Init(void) { hrtc.Instance = RTC; hrtc.Init.HourFormat = RTC_HOURFORMAT_24; hrtc.Init.AsynchPrediv = 127; // LSE分频：32768/(127+1)=256Hz hrtc.Init.SynchPrediv = 255; // 同步分频：256/(255+1)=1Hz hrtc.Init.OutPut = RTC_OUTPUT_DISABLE; if (HAL_RTC_Init(&hrtc) != HAL_OK) { Error_Handler(); } // 启用备份寄存器访问 HAL_PWR_EnableBkUpAccess(); __HAL_RCC_BKP_CLK_ENABLE(); } ``` --- ### 四、LCD1602驱动（适配野火指南者） 根据引用[1]修改引脚配置： #### 1. GPIO初始化 ```c void LCD_GPIO_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; // 启用GPIOB时钟 __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); // 配置PB0-PB7为输出 GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct); // 控制引脚定义 #define LCD_RS GPIO_PIN_8 // PB8 #define LCD_RW GPIO_PIN_9 // PB9 #define LCD_EN GPIO_PIN_10 // PB10 } ``` #### 2. LCD初始化 ```c void LCD_Init(void) { HAL_Delay(50); LCD_Cmd(0x38); // 8位模式，2行显示 LCD_Cmd(0x0C); // 开启显示，关闭光标 LCD_Cmd(0x06); // 地址自动增加 LCD_Cmd(0x01); // 清屏 HAL_Delay(2); } ``` --- ### 五、万年历功能整合 #### 1. 主函数实现 ```c int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); LCD_GPIO_Init(); LCD_Init(); MX_RTC_Init(); // 首次上电初始化时间 RTC_DateTypeDef date = {.Year=23, .Month=10, .Date=1, .WeekDay=RTC_WEEKDAY_MONDAY}; RTC_TimeTypeDef time = {.Hours=12, .Minutes=0, .Seconds=0}; HAL_RTC_SetTime(&hrtc, &time, RTC_FORMAT_BIN); HAL_RTC_SetDate(&hrtc, &date, RTC_FORMAT_BIN); while (1) { // 获取并显示时间 RTC_TimeTypeDef currentTime; RTC_DateTypeDef currentDate; HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &currentTime, RTC_FORMAT_BIN); HAL_RTC_GetDate(&hrtc, &currentDate, RTC_FORMAT_BIN); // 显示到LCD1602 char buf[17]; sprintf(buf, "Date:%02d/%02d/%02d", currentDate.Date, currentDate.Month, currentDate.Year+2000); LCD_SetCursor(0, 0); LCD_String(buf); sprintf(buf, "Time:%02d:%02d:%02d", currentTime.Hours, currentTime.Minutes, currentTime.Seconds); LCD_SetCursor(0, 1); LCD_String(buf); HAL_Delay(1000); } } ``` #### 2. 闰年自动处理 ```c uint8_t Is_Leap_Year(uint16_t year) { return ((year % 4 == 0) && (year % 100 != 0)) || (year % 400 == 0); } ``` --- ### 六、关键调试要点 1. **LSE不起振**： ```c // 在main()中添加检测 if(__HAL_RCC_GET_FLAG(RCC_FLAG_LSERDY) == RESET) { // 处理晶振故障 } ``` 2. **RTC备份域复位**： ```c // 在RTC初始化前添加 __HAL_RCC_BACKUPRESET_FORCE(); __HAL_RCC_BACKUPRESET_RELEASE(); ``` 3. **LCD显示优化**： ```c void LCD_String(char *str) { while (*str) LCD_Data(*str++); } ``` > 完整工程可参考野火官方例程《零死角玩转STM32》的RTC和LCD章节[^1][^3] --- ### 相关问题 1. 如何为STM32F103R6的RTC添加温度补偿功能？ 2. 野火指南者开发板如何驱动I2C接口的OLED显示日历？ 3. 如何通过按键调整STM32的RTC日期和时间？ 4. STM32F103的备份寄存器(BKP)在RTC应用中的使用方法？ 5. 如何计算和显示STM32万年历的农历日期？ [^1]: STM32F103C8T6点亮LCD1602 [^2]: stm32f103r6最小系统原理图 [^3]: STM32f103系列单片机 RCC
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