单片机定时器在按键消抖和键音输出中的应用

文/徐连喜

键盘输入和键音输出是单片机系统中人机对话的常见部分。一般情况下，按键按下时易产生抖动干扰，进而使系统误动作，程序员处理此问题时通常会在检测到有键被按下时，加入一个延时，延时过后再检测同一按键是否仍处于被按状态？若是，就判定此键确实被按下，接着就开始执行此键的功能；若不是，就判定为干扰，并忽略延时前的检测结果。通常情况下，两次检测之间所加入的延时需要约100mS才能达到比较理想的消抖效果，而CPU是依用户程序从头到尾扫描执行程序代码，如果在长达100mS的时间里，CPU仅仅完成一次延时的功能，那么此时段内其它任务都将被搁置，这对于那些实时控制要求较高的场所(例如数码管动态扫描显示)是绝对不允许的。基于实时控制所遇到的另外一个问题就是键音输出问题，当CPU判定某个键被按下时，通过某个IO端口输出键音，用户就会有更加贴切的人机对话体验，要让人清晰地听到清脆的键音，声音的频率一般控制在1KHz左右，而且时间不能太短，约100mS较适宜，依照前述的用户程序的运行规则，此时若用常规的IO端口取反、延时、再取反来输出键音，显然不能满足用户程序的实时控制要求。为此，本文详述了新的思路，巧妙地利用2个定时器分别去控制按键消抖和键音输出，经实物验证，CPU不仅能轻松处理按键消抖和键音输出，同时还能完成数码管的动态扫描及各个IO端口的实时控制，取得了理想的控制效果。

1 单片机应用系统硬件框图

如图1所示。

2 键盘输入硬件电路

如图2所示。

键盘硬件电路，采用4X4矩阵键盘，用8个I/O口就能得到16个键值，可实现0~9共十个数字键输入和A~F共六个功能键输入。

3 键音输出硬件电路

图1：单片机应用系统硬件框图

图2：键盘输入硬件电路

图3：键音输出硬件电路

如图3所示。

键音的发声器件BZ1采用线圈蜂鸣器，这样可使得发声器件的体积小，声音清脆。驱动器件由限流电阻、续流二极管、开关驱动管等部分组成。 R6、R18与Q2组成简单的开关驱动电路，为CPU有力推动BZ1提供动力，R18是快速关断电阻，可使CPU由低电平转高电平时快速关断Q2，避免了Q2因关断不及时而产生意想不到的杂音。D3作为续流二极管，避免在Q2关断瞬间由BZ1线圈产生的负高压损伤Q2，电阻R7既可以调节音量大小，也可以起到限流作用(当Q2导通时)。

4 矩阵键盘扫描及其消抖和键音的软件设计

如图4、5、6所示。

键盘功能由“矩阵键盘扫描子程序”和“按键消抖(T0中断)子程序”和“键音(T1中断)子程序”完成。按键消抖对系统可靠运行至关重要，如果仅仅用普通的延时消抖，延时时间短了起不到消抖作用，延时时间长了又会影响CPU的实时控制功能，特别是当应用系统配有数码管动态扫描显示时，消抖延时时间长了就会使周期内的数码管动态显示时间缩短而变暗，严重影响数码管显示效果，为此，系统采用T0中断方式延时消抖，消抖“开中断”命令是被巧妙地安插在按键消抖子程序里，一旦有键被按，键扫描程序必定调用按键消抖子程序，于是开T0中断，进入T0中断后立即关闭键扫描100mS，这100mS期间CPU只扫描数码管及其它IO端口而不扫描键盘，从而保证了消抖期间数码管亮度不受影响。消抖延时结束后恢复键盘扫描。同消抖延时一样，也是缘于键音对数码管显示及对其它IO端口实时控制的影响，为此，系统采用T1中断方式处理键音，键音中断的“开中断”命令是被巧妙地安插在按键消抖子程序里，一旦有键被按，键扫描程序必定调用按键消抖子程序，从而开启键音中断，键音频率由T1的初值决定，键音时长则由中断次数决定。键音中断子程序完成“BZ1通电与断电切换”和“切换401次（102mS）后关闭中断”，以及“关闭中断期间CPU驱动脚锁高电平”功能。

图4：矩阵键盘扫描子程序

图5：按键消抖(T0中断)子程序

图6：键音(T1中断)子程序

5 结论

古老的8051单片机有T0和T1两个定时器，若主程序有键盘输入但不需用到T0和T1，则也可以用此办法来解决消抖和键音问题；若主程序有时钟或秒脉冲计时需求，也可以由外部扩展时钟IC（例如DS1302或DS3231）,利用时钟IC的秒脉冲触发CPU的外部中断来引入秒脉冲计时。

加强型的STC系列单片机一般都有3个及以上数量的定时器，随便拿其中的两个定时器来处理消抖和键音问题，其余的定时器留给主程序使用。

总之，只要主程序有键盘输入和键音输出需求，只要能腾出两个定时器，利用本文的方案就能完美解决消抖和键音问题，进而安心地处理数码管动态扫描显示及其它IO端口的实时控制。