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2.1 利用按鍵控制發(fā)光二極管的亮滅
2.1.1 實(shí)例功能
在“點(diǎn)亮發(fā)光二極管”和“讓發(fā)光二極管動(dòng)起來(lái)”這兩個(gè)例子中，都是通過(guò)單片機(jī)程序來(lái)控制發(fā)光二極管的亮滅。如果想要控制發(fā)光二極管的亮滅，只有通過(guò)打開(kāi)或者關(guān)閉電源來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。那么怎樣實(shí)現(xiàn)人工參與控制呢？
在有些應(yīng)用場(chǎng)合，需要單片機(jī)對(duì)人工的開(kāi)關(guān)信號(hào)作出相應(yīng)的響應(yīng)和處理，通過(guò)控制電源的通斷會(huì)影響到單片機(jī)系統(tǒng)中的其他功能，所以通過(guò)控制電源的方法并不明智。能不能通過(guò)按動(dòng)一個(gè)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管的亮滅呢？
當(dāng)然可以，前面已經(jīng)講過(guò)，AVR單片機(jī)的I/O口都是雙向的，也就是既能當(dāng)作輸出控制端口，也能當(dāng)作輸入檢測(cè)端口。既然我們可以通過(guò)控制端口輸出不同的高低電平使發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮和熄滅；那么為什么不能通過(guò)監(jiān)測(cè)端口輸入電平的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的處理呢。
在本例中，通過(guò)介紹利用按鍵開(kāi)關(guān)控制發(fā)光二極管的亮滅來(lái)了解AVR單片機(jī)的端口檢測(cè)外部信號(hào)的功能和方法。
本例中有3個(gè)功能模塊，描述如下：
● 單片機(jī)系統(tǒng)：檢測(cè)外界的按鍵開(kāi)關(guān)信號(hào)，根據(jù)按鍵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制發(fā)光二極管的亮滅狀態(tài)。
● 外圍電路：首先是產(chǎn)生信號(hào)的按鍵電路，包括對(duì)按鍵去抖動(dòng)電路的介紹；然后是發(fā)光二極管的控制電路。
● 軟件程序：通過(guò)讀取AVR單片機(jī)相應(yīng)端口的狀態(tài)，編寫(xiě)相應(yīng)的程序控制發(fā)光二極管的亮滅。
本例的目的在于希望讀者完成本例后，能完成相關(guān)電路的設(shè)計(jì)和相應(yīng)程序的編寫(xiě)，從而掌握以下知識(shí)點(diǎn)：
◆ 了解AVR單片機(jī)端口輸入功能，掌握使用AVR單片機(jī)端口輸入功能檢測(cè)外部信號(hào)的原理。
◆ 熟悉單片機(jī)端口輸入輸出功能的綜合使用。
◆ 掌握AVR單片機(jī)按鍵的硬件去抖動(dòng)的電路設(shè)計(jì)和原理。
◆ 掌握AVR單片機(jī)端口輸入輸出程序的編寫(xiě)。
◆ 掌握AVR單片機(jī)按鍵軟件去抖動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)。

2.1.2  器件和原理
本例主要介紹AVR單片機(jī)外圍電路中按鍵去抖電路的設(shè)計(jì)，分別介紹相應(yīng)的軟件和硬件解決方案。然后利用C語(yǔ)言編寫(xiě)通過(guò)按鍵控制發(fā)光二極管亮滅狀態(tài)的程序。
1、按鍵的去抖動(dòng)電路
（1）按鍵的響應(yīng)過(guò)程
我們?nèi)粘Ｋf(shuō)的按鍵，實(shí)際上是一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)，本實(shí)例所用的按鍵外觀如圖2.1.1所示。理想的按鍵的閉合和斷開(kāi)時(shí)，接觸點(diǎn)的電壓應(yīng)該立即變高或者變低，但 是由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性以及按鍵按動(dòng)時(shí)電壓突變等原因，在觸點(diǎn)閉合或斷開(kāi)的瞬間會(huì)出現(xiàn)電壓抖動(dòng)現(xiàn)象，如圖2.1.2所示。在發(fā)生抖動(dòng)的時(shí)間一般在 5-10ms。
一次按鍵處理過(guò)程如下：當(dāng)按鍵按下之后，相應(yīng)的按鍵接觸點(diǎn)的電壓以高低電平的方式輸入到單片機(jī)的I/O口。按鍵的閉合與斷開(kāi)是有一定時(shí)間的，一般為 0.1-1S。而AVR單片機(jī)的機(jī)器周期一般為1us甚至更短，在0.1-1S的時(shí)間段內(nèi)，程序會(huì)檢測(cè)很多次按鍵的輸入電平，這樣單片機(jī)可能會(huì)認(rèn)為按鍵被 按下了多次，從而出現(xiàn)誤判。

圖2.1.1 按鍵開(kāi)關(guān)             圖2.1.2  按鍵閉合斷開(kāi)時(shí)的電壓波動(dòng)示意圖
（2）按鍵去抖動(dòng)的方法和原理
為了去除按鍵的抖動(dòng)，保證單片機(jī)對(duì)按鍵的一次輸入只響應(yīng)一次，可以采用硬件和軟件兩種方法：硬件電路去抖動(dòng)是在外圍電路中加入去抖動(dòng)電路（如R-S觸發(fā) 器）；軟件去抖動(dòng)是在程序中加入延時(shí)程序以跳過(guò)抖動(dòng)時(shí)間，等待信號(hào)穩(wěn)定后再次判斷按鍵的輸入電平，如果信號(hào)電平保持不變，則可以確認(rèn)一次按鍵按下。
●硬件去抖動(dòng)電路的原理
用R-S觸發(fā)器形成去抖電路是單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)中常用的方法，這種方法可以減少單片機(jī)軟件對(duì)按鍵動(dòng)作的延時(shí)和計(jì)算。
先來(lái)了解一下R-S觸發(fā)器的基本工作原理和工作特點(diǎn)。R-S觸發(fā)器的基本構(gòu)成如圖2.1.3所示，這個(gè)電路有兩個(gè)與非門(mén)交叉耦合而成，/S、/R是信號(hào)輸入端，低電平有效。Q和/Q既表示觸發(fā)器狀態(tài)，又是觸發(fā)器的輸出端。

圖2.1.3  R-S觸發(fā)器的基本原理
在啟動(dòng)過(guò)程中，/S端一旦下降到開(kāi)門(mén)電平，Q端電平就會(huì)上升，反饋到門(mén)B的輸入端，此時(shí)門(mén)B在/R的低電平作用下處于導(dǎo)通狀態(tài)，/Q輸出高電平反饋到A的 輸入端，如果這時(shí)/S端電壓有一個(gè)高的跳動(dòng),則A門(mén)截止，Q段輸出低電平，這個(gè)低電平反饋到A的輸入端，使A門(mén)導(dǎo)通，Q端電平為高，這樣就保證了Q端電平 的穩(wěn)定，從而消除按鍵的抖動(dòng)。
典型的硬件去抖動(dòng)電路如圖2.1.4，74LS02按鍵輸出端口通過(guò)/Q端接入單片機(jī)的I/O口，74LS02構(gòu)成一個(gè)R-S觸發(fā)器電路實(shí)現(xiàn)按鍵的消抖。
●軟件消抖的原理和實(shí)現(xiàn)
軟件消抖的基本原理是在軟件中對(duì)按鍵進(jìn)行兩次檢測(cè)確認(rèn)，記載第一次檢測(cè)到按鍵按下后，間隔10ms左右再次檢測(cè)按鍵是否按下，只有在兩次都檢測(cè)到按鍵按下時(shí)才最終確認(rèn)有鍵按下，這樣就避開(kāi)了按鍵的抖動(dòng)時(shí)間，從而消除了抖動(dòng)的影響。
圖2.1.4 74LS02實(shí)現(xiàn)的硬件消抖電路
在按鍵接口軟件的設(shè)計(jì)中，除了要考慮按鍵消抖外，一般還要判別按鍵的釋放，只有檢測(cè)到按鍵釋放后，才能確定為一次完整的按鍵動(dòng)作。
通用的案件檢測(cè)程序如下：

[code="c"]
Keyscan()
{
if(!key)       //判斷按鍵是否按下，key=0表示按鍵按下
{
delayms(20);  //延時(shí)20ms。避開(kāi)按鍵抖動(dòng)時(shí)間
if(!key)     //再次判斷按鍵是否按下，
{
…     //按鍵按下的處理程序
}
}
While(!key);    //判斷按鍵是否放開(kāi)，key=1表示按鍵釋放，退出按鍵處理函數(shù)
}
[/code]

2.1.3 電路
本例中的電路如圖2.1.5和2.1.6所示。
1、電路原理
圖2.1.5是按鍵檢測(cè)電路，兩個(gè)按鍵分別連接到單片機(jī)的PD6、PD7管腳，AVR單片機(jī)在程序里把PD6、PD7設(shè)置為帶上拉的端口，這樣按鍵沒(méi)有按 下時(shí)，PD6、PD7處于高電平狀態(tài)，當(dāng)按鍵按下時(shí)PD6、PD7被連接到地，電平狀態(tài)變?yōu)榈碗娖剑绦蛑袡z測(cè)到PD6、PD7的電平為低電平時(shí)，就可以 認(rèn)為按鍵被按下了。
圖2.1.6為L(zhǎng)ED顯示電路，當(dāng)按鍵K3被按下時(shí)，D1、D3、D5、D7點(diǎn)亮，D2、D4、D6、D8熄滅。當(dāng)按鍵K4被按下時(shí)，D1、D3、D5、D7熄滅，D2、D4、D6、D8點(diǎn)亮。
2、元器件選擇
在這里列出和本例相關(guān)的、關(guān)鍵部分的器件名稱及其在電路中的作用。
● ATmega16：?jiǎn)纹瑱C(jī)，檢測(cè)按鍵按下情況并控制發(fā)光二極管的亮滅。
● D1-D8：發(fā)光二極管，指示按鍵狀態(tài)。
● RP1：阻值為330Ω的排阻，限流電阻。
● K3、K4：按鍵，當(dāng)按鍵按下時(shí)，與按鍵連接的單片機(jī)端口的電平發(fā)生變化。

3、管腳連接
在這里列出和本例相關(guān)的、關(guān)鍵部分的單片機(jī)端口與外圍電路的連接。
● PB0-PB7：連接8個(gè)發(fā)光二極管LED1-LED8，控制發(fā)光二極管的亮滅。
● PD6、PD7：連接按鍵K3、K4，檢測(cè)兩個(gè)按鍵的狀態(tài)。
2.1.4 程序設(shè)計(jì)
1、程序功能
● 按鍵軟件消抖
本例中采用軟件消抖的方法，在程序中加入軟件延時(shí)，去除按鍵的抖動(dòng)。
● 按鍵檢測(cè)
通過(guò)將單片機(jī)的PD6、PD7口設(shè)置為輸入狀態(tài)，同時(shí)使能這兩個(gè)口的內(nèi)部上拉電阻（因?yàn)檫@兩個(gè)口在按鍵沒(méi)有按下時(shí)處于懸空狀態(tài)，易受外界干擾，所以必須將其內(nèi)部上來(lái)電阻使能，使其平時(shí)處于高電平狀態(tài)），檢測(cè)按鍵是否按下。

1. LED的亮滅控制

     通過(guò)將單片機(jī)的PB0-PB7口設(shè)置為輸出狀態(tài)，根據(jù)K3、K4兩個(gè)按鍵的按下情況，控制不同的發(fā)光二極管點(diǎn)亮或熄滅。
● AVR單片機(jī)端口輸入狀態(tài)的讀取
AVR單片機(jī)端口配備有3個(gè)寄存器，分別是方向控制寄存器DDRx，數(shù)據(jù)寄存器PORTx，和輸入引腳寄存器PINx（x=A\B\C\D）。當(dāng)I/O工作在輸入方式，要讀取外部引腳上的電平時(shí)，應(yīng)讀取PINxn的值，而不是PORTxn的值。
2、主要變量和函數(shù)說(shuō)明
無(wú)
3、使用WINAVR開(kāi)發(fā)環(huán)境，makefile文件同前面的例子，直接復(fù)制到本實(shí)例程序的文件夾中即可。
4、程序代碼
[code="c"] #include <avr/io.h>    
#include <util/delay.h>

int main(void)         
{           
PORTB = 0X00;      //輸出低，LED全部熄滅
DDRB = 0Xff;      //PB端口置為輸出
PORTD = 0Xc0;     //一定要使能上拉電阻，否則會(huì)有干擾
DDRD = 0X3F;      //K3、K4按鍵(PD6、PD7)設(shè)置為輸入端口

while(1)
{
if(!(PIND & (1 <<  PD6)))     //判斷按鍵是否按下
{
_delay_ms(20);    //判斷按鍵按下，延時(shí)一會(huì)再判斷是否按下， 以消除干擾
if(!(PIND & (1 <<  PD6)))    // 按鍵真正按下后，進(jìn)行相應(yīng)處理
{
PORTB = 0X55;              //          按鍵按下，燈亮   
while(!(PIND & (1 <<  PD6)));//等待按鍵釋放
//PORTB = 0X55;  //  把這句話從上面移到這里，按鍵釋放后，燈才點(diǎn)亮
}
}

if(!(PIND & (1 <<  PD7)))     //判斷按鍵是否按下
{
_delay_ms(20);     //判斷按鍵按下，延時(shí)一會(huì)再判斷是否按下， 以消除干擾
if(!(PIND & (1 <<  PD7)))    // 按鍵真正按下后，進(jìn)行相應(yīng)處理
{
PORTB = 0Xaa;                  //
while(!(PIND & (1 <<  PD7)));  //
//PORTB = 0Xaa;                        //
}
}
}
}

[/code]