12.1 关于按键

前面控制LED灯是让GPIO输出高低电平，而获取按键则是读取GPIO电平，从而获知用户是否按下按键。

按键监测一般有两种：按键扫描和按键中断。按键扫描是间隔很短时间反复查询GPIO状态，从而得知是否有按键动作，这种方式代码简单，但比较耗资源。按键中断而是通过按键产生中断信号，从而实现按键的检测，这种方式需要使用到中断机制，需要对MCU了解深入一点，效果是最好的。

本节先介绍按键扫描，理解按键的基本原理，下一章再介绍按键中断，同时了解STM32F103的中断使用方法。

按键一般占用一个GPIO口，通过监测该GPIO的电平变化得知按键操作，典型的电路如图 12.1.1 所示。当所需按键比较多时，则可以采用矩阵按键减少GPIO的占用。矩阵按键需要通过编程扫描等方式实现对多个按键的监控，这里以最简单的独立按键为基础进行介绍。

图 12.1.1 按键与MCU的连接方式示意图

可以看到，在没有按下按键时，电源3.3V通过电阻连接到MCU的PA0脚上，此时MCU读取PA0的电平就是3.3V的高电平。在按键按下时，电源3.3V经过电阻，再经过按键连接到了地，此时PA0连接到接地的一端，读到的电平就是0V的低电平。由此，MCU就可用过读取对应引脚的电平值，得知按键的变化。

常用的按键都是机械触点式按键，机械式按键在按下或释放的过程中，由于机械弹性作用的影响，会伴随机械抖动，如图 12.1.2 所示。

图 12.1.2 机械按键抖动示意图

抖动的时长与机械开关特性相关，一般为5-10ms。在这抖动过程中，会产生多次高低电平，导致被识别为多次按键操作。为了避免机械触点按键检测误判，必须消抖处理。按键消抖可以硬件上处理，即在按键旁并联电容，吸收抖动的电平。也可以软件处理，即通过延时，避开抖动。

由此，首先获取对应引脚的电平得知按键状态，再硬件或软件消除抖动。

12.2 硬件设计

开发板上有两个按键，一个是复位按键（K1，红色），另一个是用户按键（K2，白色），这里只有用户按键能够编程控制。

如图 12.2.1 为开发板用户按键部分的原理图，电容C15用于硬件去抖，可以看作不存在。按键松开时，3V3经过上拉电阻R20到网络标号KEY，网络标号KEY另一端连接MCU的PA0，此时读取PA0电平为高电平；按键按下时，3V3经过上拉电阻R20，再通过按键接地，此时读取PA0电平为低电平。

由此可知，按键按下，GPIO引脚电平变低，反之为高，按键所接GPIO为PA0。

图 12.2.1 用户按键原理图

12.3 软件设计

1.3.1 软件设计思路

实验目的：本实验通过轮询读方式取GPIO的输入电平判断按键是否按下，并操作LED。

1) 按键初始化：GPIO端口时钟使能、GPIO引脚设置为输入（PA0）；

2) 封装每个按键处理函数：读取按键GPIO状态，操作LED灯亮灭；

3) 主函数轮询按键状态：一直检测是否有按键被按下；

本实验配套代码位于“5_程序源码5_GPIO—按键轮询”。

1.3.2 软件设计讲解

1) GPIO宏定义与接口宏定义

代码段 12.3.1 引脚宏定义（driver_key.h）

/*********************

 * 按键引脚状态定义

**********************/

#define PUSH_DOWN                       GPIO_PIN_RESET

#define SPRING_UP                       GPIO_PIN_SET

/*********************

 * 引脚宏定义

**********************/

#define KEY_GPIO_PIN                 GPIO_PIN_0

#define KEY_GPIO_PORT                GPIOA

#define KEY_GPIO_CLK_EN()            __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()

/*********************

 * 函数宏定义

**********************/

/*

 * 按键状态读取函数宏定义

*/

#define KEY                  HAL_GPIO_ReadPin(KEY_GPIO_PORT, KEY_GPIO_PIN)

根据硬件设计选定的对应按键的引脚，将其宏定义命名为KEY，且对他们的读取函数进行重命名。其中“HAL_GPIO_ReadPin()”原型“GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)”，参数依次是：引脚组，引脚号，返回的是0（低电平）或1（高电平）。

2) GPIO初始化

代码段 12.3.2 按键初始化（driver_key.c）

/*

 *  函数名：void KeyInit(void)

 *  输入参数：无

 *  输出参数：无

 *  返回值：无

 *  函数作用：初始化按键的引脚，配置为输入

*/

void KeyInit(void)

{

    // 定义GPIO的结构体变量

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    // 使能按键的GPIO对应的时钟

    KEY_GPIO_CLK_EN();

    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;             // 设置为输入模式

    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;                 // 默认上拉

    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;       // 引脚反转速度设置为快

    // 初始化按键引脚配置

    GPIO_InitStruct.Pin = KEY_GPIO_PIN;              // 选择按键的引脚

    HAL_GPIO_Init(KEY_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

}

使能时钟，将引脚初始化为上拉输入。

3) 按键读取函数

为了展示效果，编写代码查询按键是否按下，按下后切换LED灯亮灭状态。

 代码段 12.3.3 按键读取函数（driver_key.c）

/*

*  函数名：void KeyPolling(void)

 *  输入参数：无

 *  输出参数：无

 *  返回值：无

 *  函数作用：使用轮询方式查询按键是否按下，通过按下控制LED灯亮灭

*/

static bool key_flag = false;

void KeyPolling(void)

{

    if(KEY == PUSH_DOWN)          // 如果检测到按键被按下

    {

        HAL_Delay(8);             // 延时8ms防按键抖动

        if(KEY == PUSH_DOWN)      // 如果防抖动后按键依然是处于被按下的状态，就认为按键被按下过

        {

            key_flag = !key_flag; // 用一个标志位来判断按键被按下次数，按下一次灯亮，再按一次灯灭，如此反复

BLED(key_flag?OFF:ON);

        }

    }

}

8行：定义了一个全局变量标志位“key_flag”，作为按键被按下的标志；

11行：获取该按键状态;

13行：延时5-10ms，软件去抖；

14行：再次获取该按键状态，此时依旧按下，说明是正常按键操作，非抖动；

16行：将标志位置反，按键按一次置反一次（即0->1->0->1这样循环）；

17行：根据标志位“key_flag”的值，让LED灯亮或灭；

此时每按下一次按键键，蓝色LED灯将亮灭交替。

4) 主函数测试

代码段 12.3.4 主函数控制逻辑（main.c）

// 初始化LED

LedGpioInit();

// 初始化按键

KeyInit();

while(1)

{

    // 轮询按键键

    KeyPolling();

 }

1~4行：初始化LED灯和按键；

6~10行：一直循环查询每个按键当前状态，从而判断对应按键是否按下;

12.4 实验效果

本实验对应配套资料的“5_程序源码5_GPIO—按键轮询”。打开工程后，编译，下载。按下按键，用户LED灯亮/灭。