STC15单片机-按键检测单击、双击和长按(状态机)

按键检测(状态机)

传统的按键检测

在单片机的应用中，利用按键实现与用户的交互功能是相当常见的，同时按键的检测也是很讲究的，众所周知，在有键按下后，数据线上的信号出现一段时间的抖动，然后为低，当按键释放时，信号抖动一段时间后变高，然而这段抖动时间要维持10ms~50ms，这个与按键本身的材质有一定的关系，在这个范围内基本上都可以确定的。如果按键检测的不好，单片机的运行效率将会大打折扣，严重影响到系统的性能，导致系统的运行出现异常，在教科书中，我们见到的按键处理程序都是以下这样的结构:

if(KEY_IO != 0xFF)      //检测到有按键按下
{DelayNms (20);     //延时20毫秒（严重影响单片机的运行效率)if (KEY_IO !=0xFF)    //确认按键按下{switch (KEY_IO){case 0xFE: KeyValue=1 ; break;case 0xFD: KeyValue=2 ; break;default: KeyValue=0 ; break;}}
}

弊端：

像这样的程序经常出现在大学的教科书中，在按键的扫描中，单片机的资源全部用来做按键的扫描，特别是当中的延时程序，对单片机来说，这个一个漫长的过程。例如，我们需要用动态扫描数码管来做一个电子时钟，如果在按键持续按下的过程中，由于延时程序对单片机资源的占用，单片机这个时候就不能做动态扫描，数码管的显示就会有问题；

除非当前程序搭载了实时系统，一旦当前任务要进行延时操作，系统会自动进行任务调度，执行其他任务，当之前的任务延时完毕，系统会自动执行之前的任务。遗憾的是传统8051系列单片机不推荐搭载实时系统的，毕竟其资源有限，而且又增加额外的成本，比如搭载ucos实时系统，传统的8051系列单片机完全不能满足该系统的要求，必须拓展外部存储器才能满足，这样就间接上增加了成本，同时ucos用于商业上要收费的，成本大大地增加了。因此当没有搭载实时系统做按键检测使用软件延时是不现实的，严重影响性能。

这样的教科书的按键处理程序是不实用的，在实际应用中是不可取的。所以这里介绍采用“状态机”的思想进行检测按键，不仅可以正确检测到按键，而且不会影响其他周边外设器件的运作。

有限状态机思想

有限状态机是一种概念思想，把复杂的控制逻辑分解成有限个稳定状态，组成闭环系统，通过事件触发，让状态机按设定的顺序处理事务。

状态机是软件编程中的一个重要概念，比这个概念更里要的定对它的灵活应用。在一个思路清晰而且高效的程序中，必然有状态机的身影浮现。

比如说一个按键命令解析程序，就可以被看做状态机：本来在A状态下，触发一个按键后切换到了B状态：再触发另一个键后切换到C状态，或者返回到A状态。这就是最简单的按键状态机例子。实际的按键解析程序会比这更复杂些，但这不影响我们对状态机的认识。

进一步看，击键动作本身也可以看做一个状态机。一个细小的击键动作包含了：按下、抖动、释放等状态。其实状态机思想不单只用在按键方面，数码管显示动态扫描、LED亮灭都是存在状态机的思想如亮与灭的状态。

使用状态机思想去进行单片机编程，比较通用的方法就是用swtich 的选择性分支语句来进行状态跳转，既然可以 switch 来判断，那么使用 if 同样可以，但是使用 switch 来判断状态可以使代码更加清晰。

按键动作示意图

状态图

说明：

整个状态机使用定时器来驱动，每隔10ms进入一次状态机进行判断，检测消抖的时间通常也是10ms；多任务时可以避免其他任务占用CPU 过多的时间；

状态1：按键处于弹起状态，为高电平，定时器每隔10ms扫描一次，如果检测到按键的IO口为低电平了，则切换到状态2

状态2：按键抖动检测，检测到IO口低电平从状态1切换到状态2后，下一个10ms进来如果检测到IO口变回了高电平，说明低电平是由抖动引起的，按键没有被完全按下，状态2切回到状态1；如果检测到IO口任然是低电平，说明按键被按下，状态2切换到状态3

状态3：此状态下按键已确认被按下，IO口会一直是低电平，如果长按，也一直是处于这个状态3；这个状态可以做一些按键动作的检测，如长按、双击；该状态下如果检测到IO口为高电平，则切换到状态4

状态4：进行弹起抖动检测，从状态3切到该状态时，在下一个10ms如果检测到IO口又变为低电平了，则说明上一步高电平是有抖动引起的，再将状态切回到状态3；如果检测到IO口继续为高电平，说明按键松开了，将状态切换到状态1

又开始下一个循环……

程序

实现效果

按键2单击指示灯电平翻转，长按2秒则闪一下，双击则闪三下

按键检测程序思路

单击与双击：按键第一次检测到单击时，将单击状态缓存，同时启动双击定时器，超过一定时间，比如 200ms，认定按键为单击；如果没超过 200ms，又检测到了单击，认定按键为双击。

长按：检测到按键按下后，启动长按定时器，过了一段时间，比如 2s，按键依然为按下状态，认定按键为长按。

文件结构

main.c -> 主函数文件，包含 main 函数等；

Public.c -> 公共函数文件，包含 Delay 延时函数等；

Sys_init -> 系统初始化函数，包含 GPIO 初始化函数等；

LED.c -> LED 外设函数，包含 LED 打开、关闭函数等；

Timer0.c -> 定时器函数，包含定时器初始化，中断函数等；

KEY1.c -> 按键 1 函数，包含按键检测，中断函数等；

KEY2.c -> 按键 2 函数，包含按键状态机检测函数等；

KEY2.h：

用枚举定义状态机的4种状态，用结构体定义扫描定时器，将结构体变量声明为外部可调用

#ifndef __KEY2_H_
#define __KEY2_H_//定义状体机使用的枚举类型
typedef enum
{STA1_KEY_Up             = (uint8_t)0x01,    //按键弹起STA2_KEY_DownShake      = (uint8_t)0x02,    //按下抖动STA3_KEY_Down           = (uint8_t)0x03,    //按键按下STA4_KEY_UpShake        = (uint8_t)0x04     //弹起抖动
}STA_Machine_Status_t;//定义结构体类型
typedef struct
{STA_Machine_Status_t  ucSTA_Machine_Status;       //状态机状态uint16_t volatile     ucSTA_Machine_Scan_Timer;   //状态机扫描定时器uint16_t volatile     usKEY2_Double_Click_Timer;  //KEY2双击定时器uint16_t volatile     usKEY2_Press_Timer;         //KEY2长按定时器
}STA_Machine_t;/* extern variables-----------------------------------------------------------*/
extern KEY_t          KEY2;
extern STA_Machine_t  STA_Machine;
/* extern function prototypes-------------------------------------------------*/ #endif
/********************************************************End Of File
********************************************************/

KEY2.c：

1.先搭好状态机的框架：

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include <main.h>/* Private define-------------------------------------------------------------*/
#define KEY2_State P33#define Set_Press_TIME          TIMER_2S            //设置长按时间
#define Set_Double_Click_TIME   TIMER_200MS         //设置双击时间/* Private variables----------------------------------------------------------*/
static uint8_t Click_Buf = FALSE;                 //单击状态缓存
static void KEY_Detect();/* Public variables-----------------------------------------------------------*/
KEY_t KEY2 = {FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,KEY_Detect};     //标志位初始化
STA_Machine_t  STA_Machine = {STA1_KEY_Up,0,0,0};      //状态和定时器初始化/* Private function prototypes------------------------------------------------*//*
* @name   KEY_Detect
* @brief  按键2检测(状态机)
* @param  None
* @retval None
*/
static void KEY_Detect()
{//状态机扫描定时器计时大于或等于10ms，进入一次状态机if(STA_Machine.ucSTA_Machine_Scan_Timer >= TIMER_10MS){switch (STA_Machine.ucSTA_Machine_Status){//按键弹起case STA1_KEY_Up:{if(KEY2_State == 0)                                          {//切换到状态2STA_Machine.ucSTA_Machine_Status = STA2_KEY_DownShake;  }break;}//按下抖动case STA2_KEY_DownShake:{if(KEY2_State == 0){//切换到状态3STA_Machine.ucSTA_Machine_Status = STA3_KEY_Down;}else{//如果检测到高电平说明是抖动，切回到状态1STA_Machine.ucSTA_Machine_Status = STA1_KEY_Up;             }break;}//按键按下case STA3_KEY_Down:{if(KEY2_State == 1){//切换到状态4STA_Machine.ucSTA_Machine_Status = STA4_KEY_UpShake;      }break;}//弹起抖动case STA4_KEY_UpShake:{if(KEY2_State == 1){//切换到状态1，完成一次按键动作STA_Machine.ucSTA_Machine_Status = STA1_KEY_Up;}else{//否则判断为抖动，切回到状态3STA_Machine.ucSTA_Machine_Status = STA3_KEY_Down;}break;}default://默认情况都切换到状态1STA_Machine.ucSTA_Machine_Status = STA1_KEY_Up;             break;}//状态机扫描定时器清零，开始下一次扫描STA_Machine.ucSTA_Machine_Scan_Timer = 0;}
}
/********************************************************End Of File
********************************************************/

2.完成按键单击、双击、长按的检测

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include <main.h>/* Private define-------------------------------------------------------------*/
#define KEY2_State P33#define Set_Press_TIME          TIMER_2S            //设置长按时间
#define Set_Double_Click_TIME   TIMER_200MS         //设置双击时间/* Private variables----------------------------------------------------------*/
static uint8_t Click_Buf = FALSE;                 //单击状态缓存
static void KEY_Detect();/* Public variables-----------------------------------------------------------*/
KEY_t KEY2 = {FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,KEY_Detect};     //标志位初始化
STA_Machine_t  STA_Machine = {STA1_KEY_Up,0,0,0};      //状态和定时器初始化/* Private function prototypes------------------------------------------------*//*
* @name   KEY_Detect
* @brief  按键2检测(状态机)
* @param  None
* @retval None
*/
static void KEY_Detect()
{//状态机扫描定时器计时大于或等于10ms，进入一次状态机if(STA_Machine.ucSTA_Machine_Scan_Timer >= TIMER_10MS){switch (STA_Machine.ucSTA_Machine_Status){//按键弹起case STA1_KEY_Up:{if(KEY2_State == 0)                                          {//切换到状态2STA_Machine.ucSTA_Machine_Status = STA2_KEY_DownShake;  }else{//按键没被按下，则判断是否有单击缓存if(Click_Buf == TRUE){//如果双击定时器大于200ms后，说明没在规定时间内进行双击，判断上一次按下是单击操作/*如果双击定时器小于200ms，则下面判断不成立，说明还有时间完成双击操作，再按下按键后就从状体1到状态2再到状态3，状态3里判断是双击操作*/if(STA_Machine.usKEY2_Double_Click_Timer >= Set_Double_Click_TIME){KEY2.KEY_Flag = TRUE;KEY2.Click    = TRUE;//清除单击缓存Click_Buf = FALSE;}}}break;}//按下抖动case STA2_KEY_DownShake:{if(KEY2_State == 0){//切换到状态3STA_Machine.ucSTA_Machine_Status = STA3_KEY_Down;//长按定时器清0，开始计算长按时间STA_Machine.usKEY2_Press_Timer = 0;}else{//如果检测到高电平说明是抖动，切回到状态1STA_Machine.ucSTA_Machine_Status = STA1_KEY_Up;             }break;}//按键按下case STA3_KEY_Down:{if(KEY2_State == 1){//切换到状态4STA_Machine.ucSTA_Machine_Status = STA4_KEY_UpShake;//不是长按操作，则判断是不是双击操作if(KEY2.Press == FALSE){//双击检测//有单击缓存，说明前面已经单击一次，这次就判断为双击操作if(Click_Buf == TRUE){KEY2.KEY_Flag     = TRUE;KEY2.Double_Click = TRUE;//清除单击缓存，为下一次双击准备Click_Buf = FALSE;}else{//没有单击缓存，说明这是双击的第一次点击，则进行缓存Click_Buf = TRUE;/*双击定时器清零，开始计算双击时间，如果在双击时间内，再次进入到状态3，则判断是双击操作，如果在状态1里超时了，则状态1里检测为单击*/STA_Machine.usKEY2_Double_Click_Timer = 0;}}   }else{//长按检测if(KEY2.Press == FALSE){/*如果长按定时器超过两秒，认为是长按，进入判断体内将长按标志位置TRUE；如果在两秒内松开了按键则会判断是不是双击，去执行判断双击的情况*/if(STA_Machine.usKEY2_Press_Timer >= Set_Press_TIME){STA_Machine.ucSTA_Machine_Status = STA4_KEY_UpShake;/*为什么要切换到状态4？解释：因为这里将KEY2.Press置TRUE后，后面执行一次按键动作，指示灯闪一下，随后KEY2.Press被清零；下一个10ms再进入函数时，状态位还是3，还是进入这里执行，KEY2.Press又会被置成TRUE，所以一直按住不放的话，指示灯就会一直闪，而不是闪一下的情况而在这里第一次进来后将状态位切换到4，KEY2.Press还是会置TRUE，后面指示灯闪一下，KEY2.Press被清零，下一个10ms进来后会直接跳到状态4，所以KEY2.Press不会再次被置TRUE，后面指示灯动作不会再执行，所以只闪一下*/KEY2.KEY_Flag = TRUE;KEY2.Press    = TRUE;//因为已经判断为长按，所以不是双击操作，把单击缓存清0if(Click_Buf == TRUE){Click_Buf = FALSE;}}}}break;}//弹起抖动case STA4_KEY_UpShake:{if(KEY2_State == 1){//切换到状态1，完成一次按键动作STA_Machine.ucSTA_Machine_Status = STA1_KEY_Up;}/*如果KEY2_State == 0，不跳回状态3，避免反复检测长按的情况*/break;}default://默认情况都切换到状态1STA_Machine.ucSTA_Machine_Status = STA1_KEY_Up;             break;}/****执行按键动作，用于检测按键效果****///单击动作 -> 指示灯翻转if(KEY2.KEY_Flag == TRUE){if(KEY2.Click == TRUE){Run_LED.Run_LED_Flip();}//长按动作 -> 指示灯闪一下if(KEY2.Press == TRUE){Run_LED.Run_LED_Flip();Public.Delay_ms(100);Run_LED.Run_LED_Flip();}//双击动作 -> 指示灯闪三下if(KEY2.Double_Click == TRUE){Run_LED.Run_LED_Flip();Public.Delay_ms(100);Run_LED.Run_LED_Flip();Public.Delay_ms(100);Run_LED.Run_LED_Flip();Public.Delay_ms(100);Run_LED.Run_LED_Flip();Public.Delay_ms(100);Run_LED.Run_LED_Flip();Public.Delay_ms(100);Run_LED.Run_LED_Flip();}}//按键状体位清零，为下一次按下准备KEY2.Click        = FALSE;KEY2.Press        = FALSE;KEY2.Double_Click = FALSE;//状态机扫描定时器清零，开始下一次扫描STA_Machine.ucSTA_Machine_Scan_Timer = 0;}
}
/********************************************************End Of File
********************************************************/

Timer0.c：

定时器0中断处理函数中让状态机里用到的3个定时器每隔5ms加1

/*
* @name   Timer0_isr
* @brief  定时器0中断处理函数（5ms进入一次）
* @param  None
* @retval None
*/
void Timer0_isr() interrupt 1
{Timer0.msMCU_Timer0_Value++;if(Timer0.msMCU_Timer0_Value >= TIMER_500MS) //计时到500ms{Timer0.msMCU_Timer0_Value = 0;//Run_LED.Run_LED_Flip();                 //运行指示灯翻转}STA_Machine.ucSTA_Machine_Scan_Timer++;         //状态机扫描定时器STA_Machine.usKEY2_Double_Click_Timer++;        //双击定时器STA_Machine.usKEY2_Press_Timer++;              //长按定时器
}

main.c：

main函数先进行系统初始化，主要是引脚和定时器的初始化，然后在while循环里调用按键2的按键扫描函数不断扫描即可

/** @name   main* @brief  主函数* @param  void   * @retval int
*/
int main(void)
{   //系统初始化Hradware.Sys_Init();//系统主循环while(1){//按键检测//KEY1.KEY_Detect();KEY2.KEY_Detect();}
}