嵌入式开发十四：按键输入实验

通过探索者 STM32F4 开发板上载有的 4 个按钮（KEY_UP、 KEY0、KEY1 和 KEY2），来控制板上的 2 个 LED（DS0 和 DS1）和蜂鸣器，其中 KEY_UP 控制蜂鸣器，按一次叫，再按一次停；KEY2 控制 DS0，按一次亮，再按一次灭；KEY1 控制 DS1，效果同 KEY2；KEY0 则同时控制 DS0 和 DS1，按一次，他们的状态就翻转一次。

二、按键与输入数据寄存器介绍

2.1独立按键简介

按键是一种电子开关，使用时轻轻按开关按钮就可使开关接通，当松开手时, 开关断开。我们开发板上使用的按键及内部简易图如下图所示：

按键管脚两端距离长的表示默认是导通状态，距离短的默认是断开状态，如果按键按下，初始导通状态变为断开，初始断开状态变为导通。几乎每个开发板都会板载有独立按键，因为按键用处很多。常态下，独立按键是断开的，按下的时候才闭合。每个独立按键会单独占用一个 IO 口，通过 IO 口的高低电平判断按键的状态。但是按键在闭合和断开的时候，都存在抖动现象，即按键在闭合时不会马上就稳定的连接，断开时也不会马上断开。这是机械触点，无法避免。通常的按键所用开关为机械弹性开关, 当机械触点断开、闭合时，电压信号如下图所示：

由于机械点的弹性作用，按键开关在闭合时不会马上稳定的接通，在断开时也不会一下子断开，因而在闭合和断开的瞬间均伴随着一连串的抖动。抖动时间的长短由按键的机械特性决定的，一般为 5ms 到 10ms。按键稳定闭合时间的长短则由操作人员的按键动作决定的，一般为零点几秒至数秒。按键抖动会引起按键被误读多次。为了确保 CPU 对按键的一次闭合仅作一次处理（即采样稳定闭合阶段），必须进行消抖。 消抖方法分为硬件消抖和软件消抖，我们常用软件的方法消抖。

软件消抖：方法很多，最简单的是延时消抖。检测到按键按下后，一般进行 10ms 延时，用于跳过抖动的时间段，如果消抖效果不好可以调整这个 10ms 延时，因为不同类型的按键抖动时间可能有偏差。待延时过后再检测读取按键状态，如果没有按下，那我们就判断这是抖动或者干扰造成的；如果按键还是按下状态，那么我们就认为这是按键真的按下了。对按键释放的判断同理。

硬件消抖：利用 RC 电路的电容充放电特性来对抖动产生的电压毛刺进行平滑出来，从而实现消抖，但是成本会更高一点，本着能省则省的原则，我们推荐使用软件消抖即可。

2.2 GPIO 端口输入数据寄存器（IDR）

本实验我们将会用到 GPIO 端口输入数据寄存器，下面来介绍一下。该寄存器用于存储 GPIOx 的输入状态，它连接到施密特触发器上，IO 口外部的电平信号经过触发器后，模拟信号就被转化成 0 和 1 这样的数字信号，并存储到该寄存器中。寄存器描述如图所示。

该寄存器低 16 位有效，分别对应每一组 GPIO 的 16 个引脚。当 CPU 访问该寄存器，如果对应的某位为 0(IDRy=0)，则说明该 IO 口输入的是低电平，如果是 1(IDRy=1)，则表示输入的是高电平，y=0~15。对于我们使用固件库编程，STM32F4 的 IO 口做输入使用的时候，是通过调用函数 GPIO_ReadInputDataBit()来读取 IO 口的状态的，也就是读取该寄存器的值。

三、硬件设计

本实验用到的硬件资源有：

LED0和LED1 以及蜂鸣器和 STM32F4 的连接在前面都已经分别介绍了，独立按键硬件部分的原理图，如图所示，在探索者 STM32F4 开发板上的按键KEY_UP 连接在 PA0 上， KEY0 连接在 PE4 上、KEY1 连接在 PE3 上、KEY2 连接在 PE2 上。如图 8.2.1 所示：

这里需要注意的是：

KEY0、KEY1 和 KEY2 是低电平有效的，而 KEY_UP 是高电平有效的，并且外部都没有上下拉电阻，所以，需要在 STM32F4 内部设置上下拉。这里的有效指的是：按键按下时，它是处于高电平还是低电平，很明显，从按键的原理图可知，对于KEY0、KEY1 和 KEY2 ，当按键按下时，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)。因此，他们是低电平有效，并且，我们在设置这三个端口模式时，应该上拉，默认是高电平，当按键按下，是低电平，这样便可以检测按键是否按下；对于KEY_UP，当按键被按下的时候，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)。因此，他们是高电平有效，并且，我们在设置这个端口模式时，应该下拉，默认是低电平，当按键按下，是高电平，这样便可以检测按键是否按下；总结：只要我们检测引脚的输入电平，即可判断按键是否被按下。

四、程序设计

4.1创建工程模板

直接复制创建好的库函数模板，在此模板上进行程序开发。将复制过来的模板文件夹重新命名为“实验三：按键输入实验 ”。打开此文件夹，在Project目录下新建一个文件夹，命名为：MyKey，用于存放按键的驱动程序，因为本次实验涉及到LED、Beep因此，同样需要建立和前两个实验一样的文件夹，存放对应的驱动程序。创建好后，目录如下所示：

4.2工程中创建对应的文件

在工程下创建对应的文件夹，同时新建对应的源文件和头文件，创建好后如下图所示：

4.3添加文件路径

要想工程在编译阶段能够找到创建的文件，必须要加入文件路径，详细步骤之前已经介绍过，路径添加完毕后，如下图所示：

4.4添加相应的外设固件库和所需文件

本次实验并没有用到额外的外设，我们就是通过STM32F407上的GPIOF口作为输入口和输出口，输出高电平，蜂鸣器发声，输出低电平，蜂鸣器不发声（IO口驱动蜂鸣器）；输出低电平，LED灯点亮，输出低电平，LED灯熄灭；输入高低电平可判断按键是否被按下。

4.5程序流程图

程序流程图能帮助我们更好的理解一个工程的功能和实现的过程，对学习和设计工程有很好的主导作用。本实验的程序流程图如下：

4.5.1 编写LED0和LED1初始化函数驱动代码

由于后面我们需要利用按键来控制实现不同的功能，KEY2 控制 DS0，按一次亮，再按一次灭；KEY1 控制 DS1，效果同 KEY2；KEY0 则同时控制 DS0 和 DS1，按一次，他们的状态就翻转一次。所以我们必须要首先对它们进行初始化，设置PF9和PF10的GPIO口的端口模式。这与我们之前跑马灯实验初始化函数相同。

在 myled.h文件夹下编写如下代码：

#ifndef __MYLED_H
#define __MYLED_H

void LED_Init(void);  //LED初始化函数

#endif

在 myled.c文件夹下编写如下代码：

#include "stm32f4xx.h"                  // Device header
#include "myled.h"


void LED_Init(void)
{
    //第一步：使能GPIOF两个口的时钟 
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE);//使能 GPIOF 时钟
	
   //第二步：GPIOF9,F10 初始化设置
   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;//LED0 和 LED1 对应 IO 口
   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//普通输出模式
   GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出
   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHz
   GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉
   GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);//初始化 GPIO

   //第三步：设置灯的初始状态
   GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10);//GPIOF9,F10 设置高电平，灯灭

}

4.5.2 编写Beep蜂鸣器初始化函数

由于后面我们需要利用按键来控制实现不同的功能，其中 KEY_UP 控制蜂鸣器，按一次叫，再按一次停；所以我们必须要首先对它们进行初始化，设置PF8的GPIO口的端口模式.

在 mybeep.h文件夹下编写如下代码：

#ifndef __MYBEEP_H__
#define __MYBEEP_H__

void BEEP_Init(void);   //蜂鸣器初始化函数

#endif

在 mybeep.c文件夹下编写如下代码：

#include "stm32f4xx.h"                  // Device header
#include "mybeep.h"

void BEEP_Init(void)
{
	//第一步：开启时钟
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE);//使能 GPIOF 时钟
    //第二步：初始化蜂鸣器对应引脚 GPIOF8
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//普通输出模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHz
    GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);//初始化 GPIO
	
    GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_8); //蜂鸣器对应引脚 GPIOF8 拉低，此时不会发声（初始状态）
    
}

4.5.3 编写按键初始化函数

我们后面需要检测按键是否被按下，从而执行不同的操作，实现不同的功能，通过上面查看原理图我们知道，有四个按键，在探索者 STM32F4 开发板上的按键KEY_UP 连接在 PA0 上， KEY0 连接在 PE4 上、KEY1 连接在 PE3 上、KEY2 连接在 PE2 上。此时GPIO口需要用作输入口，通过检测对应GPIO口的高低电平（通过标准库函数读取即可），从而判断按键是否被按下，因此，我们首先需要对按键进行初始化；

在 mykey.h文件夹下编写如下代码：

#ifndef __MYKEY_H__
#define __MYKEY_H__
#include <stdint.h>

//对按键操作函数做了下面的定义
#define KEY0 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_4) //PE4
#define KEY1 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_3) //PE3 
#define KEY2 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_2) //PE2
#define WK_UP GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_0) //PA0


//按键进行宏定义增加程序可读性
#define KEY0_PRES 1
#define KEY1_PRES 2
#define KEY2_PRES 3
#define WKUP_PRES 4


void KEY_Init(void);//按键初始化函数
uint8_t KEY_Scan(uint8_t mode); //按键扫描函数


#endif

需要注意的是：为提高代码的可读性，为了后续对按键进行便捷的操作，我们为按键操作函数做了下面的定义，此外我对按键的键值同样使用了宏定义。

//对按键操作函数做了下面的定义
#define KEY0 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_4) //PE4
#define KEY1 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_3) //PE3
#define KEY2 GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_2) //PE2
#define WK_UP GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_0) //PA0

通过这种方式，我们后面直接使用KEY0、KEY1、KEY2、WK_UP相当于调用相应端口读取电平函数，KEY0、KEY1、KEY2和WK_UP分别是读取对应按键状态的宏定义。用GPIO_ReadInputDataBit() 函数实现，该函数的返回值就是 IO 口的状态，返回值是枚举类型，取值 0 或者 1。看起来更加直观。

//按键进行宏定义增加程序可读性
#define KEY0_PRES 1
#define KEY1_PRES 2
#define KEY2_PRES 3
#define WKUP_PRES 4

KEY0_PRES、KEY1_PRES、KEY2_PRES 和 WKUP_PRES 则是按键对应的四个键值宏定义标识符。同样使得代码更加直观，而不是数字1 2 3 4 ，直接代表按键。

在 mykey.c文件夹下编写如下代码：

KEY_Init()函数用来初始化按键的端口及时钟。要知道按键是否按下，就需要读取按键所对应的 IO 口电平状态，因此我们需要把 GPIO 配置为输入模式，并且需要把 KEY_UP 按键对应的GPIOA_Pin_0设置为下拉模式，其他几个GPIO口，PE4、 PE3、 PE2需要设置为上拉模式，前面我们分析过。

#include "stm32f4xx.h"                  // Device header
#include "mykey.h"
#include "mydelay.h"

//按键初始化函数:四个按键对应4个GPIO口
void KEY_Init(void)
{
	//第一步：开启时钟，使能 GPIOA,GPIOE 时钟
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE,ENABLE);
	
	//第二步：设置端口模式  
	//step1.对于PE2、PE3、PE4应设置为输入上拉模式
	GPIO_InitTypeDef Struct;
	Struct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4;//KEY0 KEY1 KEY2 对应引脚
    Struct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;//普通输入模式
    Struct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100M
    Struct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉，默认高电平
    GPIO_Init(GPIOE, &Struct);//初始化 GPIOE2,3,4
	
	//step2.对于PA0应设置为输入下拉模式
	GPIO_InitTypeDef Struct1;//按键WK_UP 对应引脚 PA0
	Struct1.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    Struct1.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;//普通输入模式
    Struct1.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100M
    Struct1.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN ;//下拉，默认低电平
    GPIO_Init(GPIOA, &Struct1);//初始化 GPIOA0

}

4.5.4 编写按键扫描函数

要知道哪个按键被按下，就需要编写按键扫描函数

同样在 mykey.c文件夹下编写如下代码：

mode: 具体含义如下:

0, 不支持连续按(当按键按下不放时, 只有第一次调用会返回键值, 必须松开以后, 再次按下才会返回其他键值)

1, 支持连续按(当按键按下不放时, 每次调用该函数都会返回键值)

uint8_t KEY_Scan(uint8_t mode)
{
	static uint8_t key=1;//按键按松开标志
    if(mode)
	{	
		key=1; 
	}	
	
    if(key&&(KEY0==0||KEY1==0||KEY2==0||WK_UP==1))  //任何一个按键按下
    {
       My_Delay_ms(10);//去抖动
       key=0;      
       if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_4)==0)  //按键0被按下
		   return 1;
       else if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_3)==0)//按键1被按下
		   return 2;
       else if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_2)==0)//按键2被按下
		   return 3;
       else if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_0)==1)//按键WK_UP被按下
		   return 4;
    }
	else if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_4)==1&&GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_3)==1&&GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_2)==1&&GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_0)==0)
	{
		key=1;
	}		
    return 0;// 无按键按下
}

key_scan 函数用于扫描这 4 个 IO 口是否有按键按下。key_scan 函数，支持两种扫描方式，通过 mode 参数来设置。

当 mode 为 0 的时候，key_scan 函数将不支持连续按，扫描某个按键，该按键按下之后必须要松开，才能第二次触发，否则不会再响应这个按键，这样的好处就是可以防止按一次多次触发，而坏处就是在需要长按的时候比较不合适。

当 mode 为 1 的时候，函数是支持连续扫描的，即使按键未松开，在函数内部有 if(mode==1)这条判断语句，因此 key 始终是等于 1 的，所以可以连续扫描按键，当按下某个按键，会一直返回这个按键的键值，这样做的好处是可以很方便实现连按操作。

有了 mode 这个参数，大家就可以根据自己的需要，选择不同的方式。函数内的 My_Delay_ms(10)即为软件消抖处理，通常延时 10ms 即可。 KEY_Scan 函数还带有一个返回值，如果未有按键按下，返回值即为 0，否则返回值即为对应按键的键值，如 KEY_UP_PRESS、KEY0_PRESS、KEY1_PRESS、KEY2_PRESS，这都是头文件内定义好的宏，方便大家记忆和使用。函数内定义了一个 static 变量，所以该函数不是一个可重入函数（静态局部变量在函数进行下一次调用时不会重新初始化，直接使用上一次调用函数后的值）。还有一点要注意的就是该函数按键的扫描是有优先级的，因为函数内用了 if...else if...else 格式，所以最先扫描处理的按键是 KEY_UP，其次是 KEY0，然后是 KEY1，最后是 KEY2。如果需要将其优先级设置一样，那么可以全部用 if 语句。

4.5.5 编写延时函数

利用系统节拍定时器可以实现精准延时（后期博客详细总结），因此我们实现了三个延时任意时间的函数，后续项目使用直接引入头文件，然后直接调用相应的函数即可。

在 mydelay.h文件夹下编写如下代码：

#ifndef __MYDELAY_H__
#define __MYDELAY_H__
#include <stdint.h>

void My_Delay_us(uint32_t num); //延时任意微秒
void My_Delay_ms(uint32_t num); //延时任意毫秒
void My_Delay_s(uint32_t num);  //延时任意秒

#endif

在 mydelay.c文件夹下编写如下代码：

#include "stm32f4xx.h"                  // Device header
#include "mydelay.h"
 
 
//延时num微秒
void My_Delay_us(uint32_t num)
{
    while(num--)
    {
        SysTick ->CTRL = (1 << 0);
    
        SysTick ->CTRL &= ~(1<<2);
    
        SysTick ->CTRL &= ~(1<<1);
    
        SysTick ->VAL = 0x0;
    
        SysTick ->LOAD = 21;   //1秒 21000000HZ，1毫秒 21000HZ  1微秒 21 HZ
    
        while(!(SysTick ->CTRL & (1<<16)));
        SysTick ->CTRL = ~(1<<0);
    }
}
 
 
//延时num毫秒，1毫秒等于1000微秒
void My_Delay_ms(uint32_t num)
{
    while(num--)
    {
        My_Delay_us(1000);
    }
}
 
 
//延时num秒，1秒等于1000毫秒
void My_Delay_s(uint32_t num)
{
    while(num--)
    {
        My_Delay_ms(1000);
    }
}

4.5.6 程序主函数

首先是打开外设时钟。接下来调用 led_init 来初始化 LED 灯，调用 beep_init 函数初始化蜂鸣器，调用 key_init 函数初始化按键。最后在无限循环里面扫描获取键值，扫描函数传入的参数值为 0，即 mode=0，所以这里只对它单次按键操作，将扫描函数返回后的键值保存在变量 key 内，接着用键值判断哪个按键按下，如果有按键按下则翻转相应的灯或翻转蜂鸣器，如果没有按键按下则延时 10ms。编写代码如下：

这里用到了一个电平翻转函数 GPIO_ToggleBits ();，一个按键被连续按下两次，那么电平便会翻转，从而控制灯的翻转和蜂鸣器的打开和关闭。

#include "stm32f4xx.h"                  // Device header
#include "mykey.h"
#include "mydelay.h"
#include "myled.h"
#include "mybeep.h"


int main(void)
{
	uint8_t  key; //保存键值   
    LED_Init(); //初始化 LED 端口PF9和PF10
    BEEP_Init(); //初始化蜂鸣器端口PF8
    KEY_Init(); //初始化与按键连接的硬件接口
	while(1)
	{
		key=KEY_Scan(0); //得到键值
    if(key)
    { 
	    switch(key)
       { 
		   case WKUP_PRES:            //控制蜂鸣器开和关
		   GPIO_ToggleBits (GPIOF,GPIO_Pin_8);
           break;
		   
           case KEY0_PRES:           //控制 LED0 翻转
		   GPIO_ToggleBits (GPIOF,GPIO_Pin_9);
           break;
		   
           case KEY1_PRES:          //控制 LED1 翻转
		   GPIO_ToggleBits (GPIOF,GPIO_Pin_10);
           break;
		   
           case KEY2_PRES:        //同时控制 LED0,LED1 翻转 
		   GPIO_ToggleBits (GPIOF,GPIO_Pin_9);
		   GPIO_ToggleBits (GPIOF,GPIO_Pin_10);
           break;
       }
    }
  else 
  {
	        My_Delay_ms(10); //延时10ms
		
  }

     }  

}