简介：利用单片机的ADC端口，可以读取多个按钮的状态。在设计过程中，需要综合考虑到按扭的个数与读取的可靠性，特别是对选择电阻的阻值进行优化，使得不同分压数值之间相差最大。如果按键面板需要通过长的引线与单片机电路相连，还需要对接口电路进行保护以提高电路的EMC特性。

关键词： MCU，ADC，按键

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读取按键

文章目录

电路原理

电路改进

更多按键

八个按键

组合按键

总结

§01 读取按键

按键是单片机系统中人机交互常用到的方法，通常情况下，通过普通的IO端口可以获得按键开关状态。在某些电子系统设计中，如果碰到按钮比较多，但单片机的IO口不够使用的时候，则需要通过端口扩展的方式来增加读取按钮的数量。比如通过并串转换芯片，8-3编码芯片等等。

今天看到公众号 电路啊 中的一篇推文： 电视机的按键功能是用什么电路实现的？经典ADC按键电路 介绍了在一款电视机中，采用单个ADC端口来读取多个按钮状态的方法。

▲ 图1.1 电视机控制面板上的七个按钮，接口线只有三条线

一、电路原理

1、电路原理图

按键面板中的三个引线中，其中一个是电路地线，另外两个是信号线，分别接入主板中MCU的两路ADC端口。这两条线在主板上都通过3.3kΩ的电阻接到电源（3.3V）。在面板上，有多个按钮与电阻的串联之后连接在信号线与地线之间。

▲ 图1.1.1 工作原理说明图

并联在一起的按钮所串联的电阻不同，所以每个按钮按下之后，信号线的电压就是上拉电阻与按键串联电阻对电源的分压。由于每个按键串联电阻不同，所以对应信号线电压也就不同了。经过单片机ADC读取电压值之后，在与事先确定下的每个按键分压范围进行对比，从而可以确定是哪一个按钮被按下。

【表1-1-1 不同按键对应的电压】

SW1	SW2	SW3	SW4
75 ohm	1000 ohm	3300 ohm	6800 ohm
0.07 V	0.77 V	1.65 V	2.22 V

2、按键个数

根据上述原理，一条ADC端口可以读取按钮的个数是非常多的，它的上限受到以下因素影响：

单片机ADC分辨率；
分压信号的稳定性和噪声范围；
机械按键接触电阻；
分压电阻偏差与稳定性等。

为了可靠的通过ADC读取的模拟分压电压来确定按键，需要合理选择分压电阻，使得每个按键所对应的电压之间的间隔越大越好。在上述实际设计的电路中，每个ADC端口只读取了四个按钮的状态，总共采用了两个ADC端口读取了7个（< 8个）按键状态。

▲ 图1.1.2 利用Arduino测试上述方案

二、电路改进

1、增加接口可靠性

由于按键板与电路主板之间通过三根线连接，为了提高电路工作的可靠性，在按键电路接口中增加了R、C、TVS来消除静电、电磁干扰对主控板的影响。

▲ 图1.2.1 增加有提高EMC接口电路

对于电路中的RC滤波器件参数选择，需要综合考虑滤除噪声的频率范围以及电路稳定时间。不能够为了降低噪声一味增加RC时间常数，，还需要考虑按键动作时，对应的分压信号达到稳定的过渡时间的大小。

§02 更多按键

在前面案例中，每个ADC只读取四个按键，下面给出一些可以读取更多按键的方案。

一、八个按键

1、电路原理图

下面是在推文经典ADC按键电路中给出的已经批量应用的八按键ADC读取电路配置方案。

▲ 图2.1.1 被批量使用的八个按键方案

2、按键对应的电压值

按照电路中的电阻参数，可以计算出每个按键对应的信号分压电压值：

【表2-1-1 八个按键对应的信号电压】

SW1	SW2	SW3	SW4	SW5	SW6	SW7	SW8
0 ohm	510 ohm	680 ohm	1000 ohm	1200 ohm	2200 ohm	4700 ohm	15000 ohm
0.00 V	0.32 V	0.67 V	1.05 V	1.38 V	1.79 V	2.27 V	2.78 V

▲ 图2.1.2 八个按键对应的信号电压

from headm import *                 # =
from tqdm import tqdmR0 = 4.7e3                          # ohm
Rdim = [0, 510, 680, 1e3, 1.2e3, 2.2e3, 4.7e3, 15e3]
U0 = 3.3                            # VVdim = [sum(Rdim[:r+1])/(R0+sum(Rdim[:r+1]))*U0 for r in range(len(Rdim))]
Rstr = ['%4d ohm'%r for r in Rdim]
Vstr = ['%.2f V'%v for v in Vdim]printt('|'.join(['SW%d'%(d+1) for d in range(len(Rstr))]))
printt('|'.join(["--"]*len(Rstr)))
printt('|'.join(Rstr))
printt('|'.join(Vstr))plt.figure(figsize=(10,6))
plt.plot(Vdim)
plt.xlabel("Swn")
plt.ylabel("Voltage")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()

3、方案特点

在这个电路中，后面按键对应的电阻值是由前面所有串联电阻累加和。

这个电路的巧妙之处在于，按键具有优先级之分。假设按下了按键SW1，那么再按下SW2-SW8中的任何一个都是不起作用的，即SW1的优先级最高，SW2次之，以此类推。

二、组合按键

上面电路中不允许使用组合按键，即通过两个或者两个以上的按摩同时按下代表更多的功能。

1、三个按键组合输入

下面电路中，只使用3按钮便可以获得8个状态的输入。

▲ 图2.2.1 利用电阻组合完成多个多个按钮输入

需要通过适当选择R1,R2,R3R_1 ,R_2 ,R_3R1,R2,R3的阻值，使得八种SW1,2,3SW_{1,2,3}SW1,2,3不同的按键组合，所得到的八个电压之间的间隔最大，这样才能够保证ADC通过分压数值确定状态时更加可靠。

利用程序对R1,2,3R_{1,2,3}R1,2,3进行搜索，搜索范围（100,10k），搜索步长：50欧姆。可以获得一组最优电阻取值：

R1=1250Ω,R2=1650Ω,R3=2800ΩR_1 = 1250\Omega ,\,R_2 = 1650\Omega ,\,R_3 = 2800\OmegaR1=1250Ω,R2=1650Ω,R3=2800Ω

最小的电压间隔为： 0.152V。

下面是八种按键组合所得到的电压，从小到大的电压值。

['1.19V', '1.37V', '1.53V', '1.68V', '1.83V', '2.05V', '2.43V', '3.30V']

vdiffmin:
0.15112480559591712
vr123:
[1250.0, 1650.0, 2800.0]

from headm import *                 # =
from tqdm import tqdmR0                     = 1e3
U0                     = 3.3
searchStep             = 199
searchRange = [[0.1*R0, 10*R0], [0.1*R0, 10*R0], [0.1*R0, 10*R0]]
searchDim = [linspace(r[0],r[1], searchStep) for r in searchRange]def minVoltage(r1,r2,r3):rdim = [10e10, r1, r2, r3,1/(1/r1 + 1/r2),1/(1/r1 + 1/r3),1/(1/r2 + 1/r3),1/(1/r1 + 1/r2 + 1/r3)]vdim = sorted([r/(r+R0)*U0 for r in rdim])vdiff = [b-a for a,b in zip(vdim[:-1], vdim[1:])]vdiff.append(vdim[0])return min(vdiff)vdiffmin = 0
vr123 = []for id1,r1 in tqdm(enumerate(searchDim[0])):for id2,r2 in enumerate(searchDim[1][id1+1:]):for r3 in searchDim[2][id2+1:]:vdiff = minVoltage(r1,r2,r3)if vdiff > vdiffmin:vdiffmin = vdiffvr123 = [r1,r2,r3]printt(vdiffmin\, vr123\)

※ 总结 ※

利用单片机的ADC端口，可以读取多个按钮的状态。在设计过程中，需要综合考虑到按扭的个数与读取的可靠性，特别是对选择电阻的阻值进行优化，使得不同分压数值之间相差最大。如果按键面板需要通过长的引线与单片机电路相连，还需要对接口电路进行保护以提高电路的EMC特性。

■ 相关文献链接:

电视机的按键功能是用什么电路实现的？经典ADC按键电路

● 相关图表链接:

图1.1 电视机控制面板上的七个按钮，接口线只有三条线
图1.1.1 工作原理说明图
表1-1-1 不同按键对应的电压
图1.1.2 利用Arduino测试上述方案
图1.2.1 增加有提高EMC接口电路
图2.1.1 被批量使用的八个按键方案
表2-1-1 八个按键对应的信号电压
图2.1.2 八个按键对应的信号电压
图2.2.1 利用电阻组合完成多个多个按钮输入

◎ 公众号(TSINGHUAZHUOQING)留言：

37.5 ：卓老师什么时候出视觉组的数据集啊，就等交通工具了
- 作者： 这个工作委托 SeekFree帮助搜集。应该下周就可以了。
瘸子逛街 ：数据集逐飞在准备了，除了增加交通工具，另外的动物水果内容也会增加，节后就可以出了
@ ：难怪老式电视用时间久了，按键功能会变一样。
小圣 ：卓大，整合别人的内容不能标原创的哦
- 作者： 谢谢提醒。非常感谢。
- 小圣 ：有新增组合键的部分，感谢卓大整理分享
佟超 ：按键用久了磨损了接触电阻变大就会出现漂移的现象，所以这个方案可靠性并不高，只能用于设计了计划报废时限的设备
SZU DSP ：在资源匮乏的年代这是个好东西
言身寸木杉 ：这个我干过，芯片的io实在不够用了，并且如果可以，说一下led复用的吧，利用中断实现led显示复用。现在很多出了学校几年的都不知道可以这么做，要求一个io控制一个led，甚至某些干了十几年的还说io复用控制led没可靠性，简直大无语
狗子 ：索尼相机按键也是这种远离，只不过用的是碳膜pcb
gradientZero ：其实可以理解成多个按键构成了一个手动控制的DAC，比如R2R DAC，然后再通过单片机的ADC重新转换成数字信号，读取按键输入组合
HHoP ：卓老师，关于极速越野组，市面上有些惯性导航模块自带处理器，可以选用吗？
- 作者： 室外极速越野组可以选用自带处理器的GPS。
风帆 ：请问多车编队组可以使用TF-mini检测坡道吗？多车保持距离可以使用你来我去吗？
- 作者： 都是可以的。
kiwwa ：所以有时候按任意一个键都能给电视机整关机
Quanyi ：卓大，请问全模组巡线部分是必须用深度学习还是用传统的也可以呀？
- 作者： 根据现在测试结果来看，如果达到高速运行，需要使用传统的图像处理的方式进行赛道的检测与跟踪。
- Quanyi ：卓老师，规则说全模组别摄像头只允许接到edgeboard上，所以单片机不能用原来的摄像头处理对吗
- 作者： 1. 对的。从公布的规则来看，单片机上不允许连接摄像头，所以也无法通过单片机来完成对摄像头数据的处理。
恓杻 ：卓大卓大，自带解算的测距模块能用吗
- 作者： 按照今年规则中，对于传感器中带有MCU是有限制的。
氢氦团月 ：同时按下俩按键不就会出问题？
王亚 ：卓老师，比赛通知出来了吗？
- 作者： 现在还没有在竞赛网站正式公布。应该在明后天就正式公布了。
WonderBoy ：卓老师，请问室外越野组可以用毫米波雷达吗？
- 作者： 是可以的。

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通过一个端口读取多个按钮

§01 读取按键

一、电路原理

1、电路原理图

2、按键个数

二、电路改进

1、增加接口可靠性

§02 更多按键

一、八个按键

1、电路原理图

2、按键对应的电压值

3、方案特点

二、组合按键

1、三个按键组合输入

※ 总结 ※

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1、增加接口可靠性

§02 更多按键

一、八个按键

1、电路原理图

2、按键对应的电压值

3、方案特点

二、组合按键

1、三个按键组合输入

※ 总 结 ※

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