单片机去键抖动程序的可移植性设计

2014-09-25龚松显王殷廷张爱民

单片机与嵌入式系统应用 2014年1期

龚松显，王殷廷，张爱民

（总参通信训练基地，宣化075100）

引言

在单片机控制系统中，对按键操作进行去抖动处理，是整个系统设计中必须考虑的一个重要问题。目前常用的去键抖动设计方法与对应的硬件环境结合较为紧密，考虑到单片机硬件种类繁多，此实现方法可移植性差。文章通过使用定时器中断，在软件程序中实现了对按键抖动的处理，程序代码可以在不同的单片机硬件环境中快速移植，缩短了项目开发的周期，增加项目的灵活性。

1 按键抖动的原理描述

单片机应用系统中的按键通常为机械弹性开关，由于机械触点的弹性作用，其在实际的闭合及断开瞬间，常常会产生如图1所示的一连串电压的抖动［1]。对按键处理的重要环节就是去抖动，即去除键按下和抬起瞬间的电压抖动问题。如果对抖动不做任何处理，则会引起程序的误操作，对整个系统产生较大的负面影响。

图1 按键电压抖动波形

对于常用的8051单片机，如果使用的是下降沿触发中断的工作方式，则在电压低于0.7V时会产生一次触发。在图1中，如果A点的电压高于0.7V，则在键按下的过程中会触发单片机产生两次中断。在键释放的阶段，如果B点的电压高于0.7V，而C点电压低于0.7V，同样会触发单片机产生两次中断。按键抖动的时间长短与按键的机械特性、操作人员的按键动作和习惯有关，一般而言，认为抖动的时间大概为5～10ms。按键抖动会导致一次按键被误判为多次，为了确保对按键动作的正确处理，必须去除按键抖动。

2 常用的去键抖动硬件和软件消除方法

按键抖动的硬件消除方法有很多，如R－S去抖、积分型去抖、翻转式去抖等［2]，其设计原理在大量论文及书籍中均有介绍，这里不再赘述。硬件实现的方法只适合按键数目比较少、对项目要求比较高的情况。在实际的项目中，考虑到电路的复杂程度以及成本、体积等问题，常用的方法是软件去抖动［3]，其思路是：在按键处理程序中首先执行一个延时函数产生5～10ms的延时，在前沿抖动消失后检测按键的状态，如果保持闭合状态电平，则认为真正有按键被按下。当检测到按键释放后同样进行延时处理，让后沿抖动消失后才转入该键的处理代码。以外部中断的按键为例，代码的一种C语言实现如下［4－5]：

采用以上软件去抖动的方法存在以下两个问题：

①在代码实现中，延时子函数空循环，消耗了单片机CPU的时间，造成资源的浪费，程序的效率不高。

②代码的可移植性不高。按键抖动的时间取决于按键的机械特性，按键开关的抖动波形、抖动次数、抖动时间都是随机的，不同的按键抖动时间不同；不同的操作者按键动作习惯也会导致抖动的时间不同。综合考虑以上因素，如果单片机系统的硬件有变化，或者代码有移植的需求，则在新的硬件环境中必须对延时子函数进行调试，找出适合该硬件系统的延时时间，而这将增加程序调试的时间成本，不利于在不同硬件系统中进行快速移植。

3 去键抖动程序的可移植性设计

结合系统设计时对正常按键频率的考虑，比如最快0.5s按键一次，可以在程序中使用定时器来控制按键抖动。具体的思路是：在软件中定义一个全局变量，设定其初始值为0。当按键中断处理程序被调用时，首先读取该全局变量的值。如果变量值为0，即此时是第一次检测按键抖动，将该变量置为1，同时启动定时器并进行按键事件的处理；如果由于按键抖动导致按键中断处理程序被重复调用时，在该全局变量的值为1的情况下就跳过按键事件处理代码。另一方面，在定时器的中断处理程序中，经过设定的时间后将该全局变量重置为0，保证程序对下一次按键的正确处理。程序的流程图如图2所示。

图2 程序流程图

采取以上处理方法，虽然按键抖动会导致中断处理程序被反复调用，但在定时器设定的时间内，中断程序实质上只处理第一次按键事件，避免了对按键事件的重复处理以及使用延时子函数造成的空循环，提高了CPU的执行效率。当工程的硬件环境有变动时，根据项目对按键使用的要求，开发人员只需根据具体情况更改定时器的预设值即可，程序的其他部分保持不变，这样就提高了程序的可移植性。程序框架的一种C语言实现如下：