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Arduino程序设计（五）按键中断+按键状态检测

2023-08-30 15:03

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按键中断+按键状态检测

前言
一、按键中断
二、按键状态检测
- 1、按键单击、双击和长按的工作原理
- 2、按键状态检测实验
参考资料

前言

本文主要介绍两种按键检测实验，分别是：
1、外部中断实现按键控制LED灯；
2、按键单击、双击和长按的状态检测。

一、按键中断

1、中断的基本概念

中断装置和中断处理中断处理程序统称为中断系统。中断（Interrupt）是计算机的一个重要概念，现代计算机普遍采用中断技术。
当计算机执行正常程序时，系统中会出现某些急需处理的异常情况和特殊请求，此时 CPU 会暂时中止现行程序，转去对随机发生的更为紧迫的事件进行处理，处理完毕后，CPU 自动返回原来的程序继续执行，此过程就叫做中断。实现中断功能的硬件和软件统称中断系统。一个完整的中断处理过程包括中断请求、中断响应、中断处理和中断返回。
（1）中断请求中断过程是从中断源向 CPU 发出中断请求而开始的，其中断请求信号应该至少保持到 CPU 做出响应为止。
（2）中断响应 CPU检测到中断请求后，在一定的条件和情况下进行响应。
（3）中断处理 CPU响应中断结束后，返回原先被中断的程序并继续执行。
（4）中断返回中断返回是指把运行程序从中断服务程序转回到被中断的主程序中。

中断结构如下图所示：
在这里插入图片描述

我们从一个生活中的例子引入。你正在家中看书，突然电话铃响了，你放下书本，去接电话，和来电话的人交谈，然后放下电话，回来继续看你的书。这就是生活中的“中断”的现象，就是正常的工作过程被外部的事件打断了。
Arduino有两种类型的中断：外部中断和定时器中断
① 外部中断是指当某个外部事件发生时，Arduino会立即停止当前的程序，执行中断服务程序，处理完中断后再返回原来的程序。
② 定时器中断是指当定时器计数器达到设定的值时，Arduino会执行中断服务程序，处理完中断后再返回原来的程序。
注意：如果没有中断的话，arduino 是一直运行 loop 内的代码，一遍一遍重复运行。当有中断产生时候，单片机会停止 loop 的代码，开始运行中断服务函数的代码，运行一遍中断服务函数后，继续回到 loop 内接着刚才运行的代码运行。

本文介绍的按键中断属于外部中断，重点介绍外部中断的工作模式，定时中断以后再详细介绍。

2、外部中断

外部中断是由外部设备发起请求的中断。要想使用外部中断，就需了解中断引脚的位置，根据外部设备选择中断模式，以及编写一个中断被触发后需执行的中断函数。
（1）在Arduino上，有两种类型的外部中断：INT0和INT1。INT0对应的引脚是数字引脚2（D2），而INT1对应的引脚是数字引脚3（D3）。这两个引脚都支持上升沿、下降沿和任何电平变化触发中断。
（2）使用外部中断，需要先将相应的引脚配置为输入模式，再使用attachInterrupt()函数来设置中断触发条件和中断处理函数。
（3）中断函数介绍：
attachInterrupt()
描述：外部中断配置函数。
函数原型：attachInterrupt(interrupt, ISR, mode)
参数解释：
① interrupt: 中断号。不同Arduino开发板中断号不同。Uno R3有两个外部中断，分别为数字管脚2(中断0)和数字管脚3(中断1)。
② ISR: 中断处理函数。此函数不带参数，没有返回值。
③ mode: 中断触发方式。
其中mode的触发方式分为：
LOW: 低电平触发
CHANGE:管脚状态改变触发
RISING:上升沿触发
FALLING:下降沿触发

3、示例代码

当使用Arduino进行按键中断检测时，attachInterrupt()函数来设置中断并指定相应的中断处理函数。以下是一个示例代码：

const int buttonPin = 2;  // 按钮连接到Arduino的2号引脚volatile int buttonState = 0;  // 按钮的状态变量void setup() {  pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);  // 设置按钮引脚为输入模式，使用内部上拉电阻  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(buttonPin), buttonInterrupt, CHANGE);  // 将中断函数与按钮引脚进行关联  Serial.begin(9600);  // 初始化串口通信}void loop() {  // 在主循环中可以执行其他任务}void buttonInterrupt() {  buttonState = digitalRead(buttonPin);  // 获取按钮引脚的状态  if (buttonState == HIGH) {    Serial.println("Button pressed");    // 执行按钮按下后的操作  }}

在上述代码中，我们将按钮连接到Arduino的2号引脚，并将该引脚设为输入模式。使用attachInterrupt()函数将一个中断处理函数buttonInterrupt()与按钮引脚相关联，并指定中断触发条件为状态改变（CHANGE）。当按钮状态发生改变时，中断处理函数会被调用。

在buttonInterrupt()函数中，我们通过digitalRead()函数获取按钮引脚的状态，并将其存储在buttonState变量中。如果按钮按下（状态为HIGH），则会在串口上打印"Button pressed"，你可以根据需要在这里执行其他操作。

4、按键中断实验

（1）本实验采用Arduino UNO R3开发板及自主搭建电路的方式，实现预设功能，其中按键消抖方式采用硬件消抖实现。
（2）按键中断的电路图如下图所示：
（3）实现功能：
① 未按下按键，LED灯熄灭
② 按下按键，LED灯点亮500ms,熄灭500ms,重复操作

代码实现：

//按键中断实验(硬件消抖)//未按下按键，LED灯熄灭//按下按键，LED灯点亮500ms,熄灭500ms,重复操作const int LED = 9;    //LED灯引脚const int buttonPin = 2;  // 按钮连接到Arduino的2号引脚int KEY_state = 1;//按键状态标志，未按下按键为1，按下按键为0int LED_state = 0;//LED状态标志，点亮为1，熄灭为0void setup() {  pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);  // 设置按钮引脚为输入模式，使用内部上拉电阻  pinMode(LED, OUTPUT); //设置LED为输出模式  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(buttonPin), buttonInterrupt, FALLING);  // 将中断函数与按钮引脚进行关联}void loop() {  digitalWrite(LED,LOW);//按键未按下，LED灯熄灭  if (LED_state == 1) {    digitalWrite(LED, HIGH);    delay(500);    digitalWrite(LED, !digitalRead(LED));    delay(500);  }  else {    digitalWrite(LED, LOW);  }}//中断处理函数void buttonInterrupt() {  KEY_state = digitalRead(buttonPin);  if (KEY_state == 0) {    LED_state = 1;  }  else {    LED_state = 0;  }}

二、按键状态检测

1、按键单击、双击和长按的工作原理

单击、双击、长按电平时序图：
在这里插入图片描述

从三种时序图我们可以看出：三种操作方式的区别就在于，当按键按下后低电平和高电平的时间，通过判断高低电平的变化时间就可以把这三种方式区别开。

单击和长按的区别：

在这里插入图片描述

单击和长按的时序图非常相似，最大的区别就是按键按下后低电平的持续时间，这里我们对比单击和长按的时序图，可知长按的低电平时间要比单击的要长很多。
所以，我们假设单击时低电平的时间为S1，长按时低电平的时间为S2，我们只要在单击和长按之间加一个判断时间，这里我们加入S3作为判断。当按键按下时低电平的时间超过了S3，则判断为长按，若低电平时间小于S3，则判断为单击。我们可以根据自己的需要，设定S3的时间，规定什么是长按，什么是单击。

单击和双击的区别：
在这里插入图片描述

通过时序图我们可以看到，双击相当于两次单击，双击时第一次按键放开到第二次按键按下有一个时间间隔，这里我们用D1表示。而双击和单击的区别在于在D1时间过后，单击的电平一直处于高电平状态，而双击则会再次出现一段低电平。
我们可以加一个定时器在第一次按键放开后开始计时，计时的最大值为D2，这里我们只要判断在D2时间内是否出现了低电平。如果出现了低电平则双击，如果没有出现低电平则为单击。如果出现低电平的时间超过了D2则为两次单击而不是双击。可以通过更改D2的时间来改变双击的速度。

2、按键状态检测实验

（1）本实验采用Arduino UNO R3开发板及自主搭建电路的方式，实现预设功能，其中按键消抖方式采用硬件消抖实现。
（2）按键状态检测的电路图如下图所示：
（3）实现功能：
① 按键单击时，LED亮100ms后熄灭(闪烁一次），串口打印"singleclick"；
② 按键双击时，LED亮300ms，熄灭300ms，然后，LED亮300ms，熄灭300ms（闪烁两次），串口打印"doubleclick"；
③ 按键长按时，第一次长按，LED常亮，串口打印"longclick"和"start"，第二次长按，LED熄灭，串口打印"longclick"和"end"。
（4）注意：编译代码前，需要下载安装OneButton库文件，并在程序中添加 #include 和 #include 两个头文件。

代码实现：

//按键单击、双击、长按的状态检测实验 #include #include #define PIN_INPUT 7#define PIN_LED 10OneButton button(PIN_INPUT, true);//单击void click(){  Serial.println("singleclick");  for (size_t i = 0; i < 2; i++)  {    digitalWrite(PIN_LED, !digitalRead(PIN_LED));    delay(100);  }}//双击void doubleclick(){  Serial.println("doubleclick");  for (size_t i = 0; i < 4; i++)  {    digitalWrite(PIN_LED, !digitalRead(PIN_LED));    delay(300);  }}//长按void longclick(){  Serial.println("longclick");  digitalWrite(PIN_LED, !digitalRead(PIN_LED));  if (digitalRead(PIN_LED))    Serial.println("start");  else    Serial.println("end");}void setup(){  Serial.begin(115200);//打开串口  pinMode(PIN_LED, OUTPUT);//设置LED引脚为输出模式  button.attachClick(click);//关联单击事件  button.attachDoubleClick(doubleclick);//关联双击事件  button.attachLongPressStart(longclick);//关联长按事件}void loop(){  button.tick();//按键扫描  delay(10);}