通过一个端口读取多个按钮
Posted 卓晴
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了通过一个端口读取多个按钮相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
简 介： 利用单片机的ADC端口，可以读取多个按钮的状态。在设计过程中，需要综合考虑到按扭的个数与读取的可靠性，特别是对选择电阻的阻值进行优化，使得不同分压数值之间相差最大。如果按键面板需要通过长的引线与单片机电路相连，还需要对接口电路进行保护以提高电路的EMC特性。
关键词： MCU，ADC，按键
§01 读取按键
按键是单片机系统中人机交互常用到的方法，通常情况下，通过普通的IO端口可以获得按键开关状态。在某些电子系统设计中，如果碰到按钮比较多，但单片机的IO口不够使用的时候，则需要通过端口扩展的方式来增加读取按钮的数量。比如通过并串转换芯片，8-3编码芯片等等。
今天看到 公众号 电路啊 中的一篇推文： 电视机的按键功能是用什么电路实现的？经典ADC按键电路 介绍了在一款电视机中，采用单个ADC端口来读取多个按钮状态的方法。
▲ 图1.1 电视机控制面板上的七个按钮，接口线只有三条线
一、电路原理
1、电路原理图
按键面板中的三个引线中，其中一个是电路地线，另外两个是信号线，分别接入主板中MCU的两路ADC端口。这两条线在主板上都通过3.3kΩ的电阻接到电源（3.3V）。在面板上，有多个按钮与电阻的串联之后连接在信号线与地线之间。
▲ 图1.1.1 工作原理说明图
并联在 一起的按钮所串联的电阻不同，所以每个按钮按下之后，信号线的电压就是上拉电阻与按键串联电阻对电源的分压。由于每个按键串联电阻不同，所以对应信号线电压也就不同了。经过单片机ADC读取电压值之后，在与事先确定下的每个按键分压范围进行对比，从而可以确定是哪一个按钮被按下。
| SW1 | SW2 | SW3 | SW4 |
|---|---|---|---|
| 75 ohm | 1000 ohm | 3300 ohm | 6800 ohm |
| 0.07 V | 0.77 V | 1.65 V | 2.22 V |
2、按键个数
根据上述原理，一条ADC端口可以读取按钮的个数是非常多的，它的上限受到以下因素影响：
- 单片机ADC分辨率；
- 分压信号的稳定性和噪声范围；
- 机械按键接触电阻；
- 分压电阻偏差与稳定性等。
为了可靠的通过ADC读取的模拟分压电压来确定按键，需要合理选择分压电阻，使得每个按键所对应的电压之间的间隔越大越好。在上述实际设计的电路中，每个ADC端口只读取了四个按钮的状态，总共采用了两个ADC端口读取了7个（< 8个）按键状态。
▲ 图1.1.2 利用Arduino测试上述方案
二、电路改进
1、增加接口可靠性
由于按键板与电路主板之间通过三根线连接，为了提高电路工作的可靠性，在按键电路接口中增加了R、C、TVS来消除静电、电磁干扰对主控板的影响。
▲ 图1.2.1 增加有提高EMC接口电路
对于电路中的RC滤波器件参数选择，需要综合考虑滤除噪声的频率范围以及电路稳定时间。不能够为了降低噪声一味增加RC时间常数，，还需要考虑按键动作时，对应的分压信号达到稳定的过渡时间的大小。
§02 更多按键
在前面案例中，每个ADC只读取四个按键，下面给出一些可以读取更多按键的方案。
一、八个按键
1、电路原理图
下面是在推文经典ADC按键电路中给出的已经批量应用的八按键ADC读取电路配置方案。
▲ 图2.1.1 被批量使用的八个按键方案
2、按键对应的电压值
按照电路中的电阻参数，可以计算出每个按键对应的信号分压电压值：
| SW1 | SW2 | SW3 | SW4 | SW5 | SW6 | SW7 | SW8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 ohm | 510 ohm | 680 ohm | 1000 ohm | 1200 ohm | 2200 ohm | 4700 ohm | 15000 ohm |
| 0.00 V | 0.32 V | 0.67 V | 1.05 V | 1.38 V | 1.79 V | 2.27 V | 2.78 V |
▲ 图2.1.2 八个按键对应的信号电压
from headm import * # =
from tqdm import tqdm
R0 = 4.7e3 # ohm
Rdim = [0, 510, 680, 1e3, 1.2e3, 2.2e3, 4.7e3, 15e3]
U0 = 3.3 # V
Vdim = [sum(Rdim[:r+1])/(R0+sum(Rdim[:r+1]))*U0 for r in range(len(Rdim))]
Rstr = ['%4d ohm'%r for r in Rdim]
Vstr = ['%.2f V'%v for v in Vdim]
printt('|'.join(['SW%d'%(d+1) for d in range(len(Rstr))]))
printt('|'.join(["--"]*len(Rstr)))
printt('|'.join(Rstr))
printt('|'.join(Vstr))
plt.figure(figsize=(10,6))
plt.plot(Vdim)
plt.xlabel("Swn")
plt.ylabel("Voltage")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()
3、方案特点
在这个电路中，后面按键对应的电阻值是由前面所有串联电阻累加和。
这个电路的巧妙之处在于，按键具有优先级之分。假设按下了按键SW1，那么再按下SW2-SW8中的任何一个都是不起作用的，即SW1的优先级最高，SW2次之，以此类推。
二、组合按键
上面电路中不允许使用组合按键，即通过两个或者两个 以上的按摩同时按下代表更多的功能。
1、三个按键组合输入
下面电路中，只使用3按钮便可以获得8个状态的输入。
▲ 图2.2.1 利用电阻组合完成多个多个按钮输入
需要通过适当选择 R 1 , R 2 , R 3 R_1 ,R_2 ,R_3 R1,R2,R3的阻值，使得八种 S W 1 , 2 , 3 SW_1,2,3 SW1,2,3不同的按键组合，所得到的八个电压之间的间隔最大，这样才能够保证ADC通过分压数值确定状态时更加可靠。
利用程序对 R 1 , 2 , 3 R_1,2,3 R1,2,3进行搜索，搜索范围（100,10k），搜索步长：50欧姆。可以获得一组最优电阻取值：
R 1 = 1250 Ω , R 2 = 1650 Ω , R 3 = 2800 Ω R_1 = 1250\\Omega ,\\,R_2 = 1650\\Omega ,\\,R_3 = 2800\\Omega R1=1250Ω,R2=1650Ω,R3=2800Ω
最小的电压间隔为： 0.152V。
下面是八种按键组合所得到的电压，从小到大的电压值。
['1.19V', '1.37V', '1.53V', '1.68V', '1.83V', '2.05V', '2.43V', '3.30V']
vdiffmin:
0.15112480559591712
vr123:
[1250.0, 1650.0, 2800.0]
from headm import * # =
from tqdm import tqdm
R0 = 1e3
U0 = 3.3
searchStep = 199
searchRange = [[0.1*R0, 10*R0], [0.1*R0, 10*R0], [0.1*R0, 10*R0]]
searchDim = [linspace(r[0],r[1], searchStep) for r in searchRange]
def minVoltage(r1,r2,r3):
rdim = [10e10, r1, r2, r3,
1/(1/r1 + 1/r2),
1/(1/r1 + 1/r3),
1/(1/r2 + 1/r3),
1/(1/r1 + 1/r2以上是关于通过一个端口读取多个按钮的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章