什么是開關(guān)抖動(dòng)？防止電路開關(guān)彈跳的常用方法

一：什么是開關(guān)抖動(dòng)？

當(dāng)我們按下按鈕或撥動(dòng)開關(guān)或微動(dòng)開關(guān)時(shí)，兩個(gè)金屬部件會(huì)接觸以短路電源。但它們不會(huì)立即連接，而是金屬部件在實(shí)際穩(wěn)定連接之前連接和斷開幾次。

釋放按鈕時(shí)也會(huì)發(fā)生同樣的事情。這會(huì)導(dǎo)致誤觸發(fā)或多次觸發(fā)，例如多次按下按鈕。這就像一個(gè)彈跳的球從高處落下，它一直在表面彈跳，直到它靜止。

換句話說，我們可以說開關(guān)彈跳是任何開關(guān)的非理想行為，它會(huì)生成單個(gè)輸入的多個(gè)轉(zhuǎn)換。當(dāng)我們處理電源電路時(shí)，開關(guān)彈跳不是主要問題，但當(dāng)我們處理邏輯或數(shù)字電路時(shí)，它會(huì)引起問題。因此，為了消除電路中的抖動(dòng)，使用了開關(guān)去抖動(dòng)電路。

二：電路及波形

首先，我們將演示沒有開關(guān)去抖動(dòng)的電路

通過示波器抓取信號(hào)的波形如下：

您還可以在按下按鈕時(shí)在示波器中看到波形。它顯示在按鈕切換期間發(fā)生了多少彈跳。

三：硬件去抖動(dòng)

防止電路開關(guān)彈跳的常用方法有3種。

硬件去抖

RC 去抖

開關(guān)去抖IC

01

硬件電路去抖

在硬件去抖動(dòng)技術(shù)中，我們使用 S-R 觸發(fā)器來防止電路發(fā)生開關(guān)抖動(dòng)。這是所有方法中最好的去抖動(dòng)方法。

該電路由兩個(gè)與非門（74HC00 IC）組成，形成一個(gè) SR 觸發(fā)器。正如您在電路圖中看到的，只要撥動(dòng)開關(guān)切換到 A 側(cè)，輸出邏輯就會(huì)變?yōu)椤案摺?。在這里，我們使用示波器來檢測(cè)彈跳。而且，正如您在下面給出的波形中看到的那樣，邏輯正在以輕微的曲線移動(dòng)而不是彈跳。電路中使用的電阻是上拉電阻。 每當(dāng)開關(guān)在觸點(diǎn)之間移動(dòng)以產(chǎn)生反彈時(shí)，觸發(fā)器都會(huì)保持輸出，因?yàn)椤?”是從與非門的輸出反饋的。

02

R-C 去抖

R-C 僅由其名稱定義，該電路使用 RC 網(wǎng)絡(luò)來防止開關(guān)彈跳。電路中的電容器濾除開關(guān)信號(hào)的瞬間變化。當(dāng)開關(guān)處于打開狀態(tài)時(shí)，電容器兩端的電壓保持為零。最初，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，電容器通過 R1 和 R2 電阻器充電。

當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電容器開始放電至零，因此反相施密特觸發(fā)器輸入端的電壓為零，因此輸出變?yōu)楦唠娖健?

在彈跳情況下，電容器停止 Vin 處的電壓，直到它達(dá)到 Vcc 或接地。

為了提高 RC 去抖動(dòng)的速度，我們可以連接一個(gè)二極管，如下圖所示。因此，它減少了電容器的充電時(shí)間。

03

開關(guān)去抖IC

市場(chǎng)上有用于開關(guān)去抖動(dòng)的 IC。一些去抖 IC 是 MAX6816、MC14490 和 LS118。

下面是使用MAX6818進(jìn)行開關(guān)去抖的電路圖。

所以在這里，我們學(xué)習(xí)了按鈕如何產(chǎn)生開關(guān)反彈效應(yīng)，以及如何通過使用硬件的方式來防止按鍵抖動(dòng)。

四：軟件消抖

我們都知道，并且也是我們使用最多的場(chǎng)合是通過軟件實(shí)現(xiàn)按鍵消抖。

最簡(jiǎn)單的方式是增加延遲以消除軟件去抖。添加延遲會(huì)強(qiáng)制控制器在特定時(shí)間段內(nèi)停止，但在程序中添加延遲并不是一個(gè)好的選擇，因?yàn)樗鼤?huì)暫停程序并增加處理時(shí)間。最好的方法是在代碼中使用中斷來進(jìn)行軟件彈跳。

01

軟件延時(shí)

sbit KEY = P1^3;
///按鍵讀取函數(shù)
uint8_t GetKey(void)
{
    if(KEY == 1)
    {
        DelayMs(20);        //延時(shí)消抖
        if(KEY == 1)
        {
            return 1;
        }
        else 
        {
            return 0;
        }
    }
    else 
    {
        return 0;
    }
}

上面是最簡(jiǎn)單的軟件延時(shí)方法，也可以通過多個(gè)按鍵組合增加相關(guān)軟件濾波的方式進(jìn)行按鍵判斷，其實(shí)原理相似。

但是這種純延時(shí)的實(shí)現(xiàn)方式太過暴力，在延時(shí)的時(shí)候一直占用cpu的資源，如果在延時(shí)的時(shí)候，有其他外部中斷或者搶占事件，系統(tǒng)完全沒有響應(yīng)的。

所以我們CPU需要一個(gè)獨(dú)立的定時(shí)裝置，來完成這個(gè)計(jì)時(shí)工作，而且需要在計(jì)時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)再檢測(cè)一次按鍵的電平值。

02

中斷消抖

首先初始化管腳，打開管腳的外部中斷:

/*Configure GPIO pins : KEY_1_Pin KEY_2_Pin */
  GPIO_InitStruct.Pin = KEY_1_Pin|KEY_2_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);  
  
  /* EXTI interrupt init*/
  HAL_NVIC_SetPriority(EXTI15_10_IRQn, 5, 0);
  HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI15_10_IRQn);

初始化TIM1，打開其update中斷：

static void MX_TIM1_Init(void)
{
  htim1.Instance = TIM1;
  htim1.Init.Prescaler = 7200 - 1;                // 72000000 / 7200 = 10000 hz  0.01ms
  htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim1.Init.Period = 200 - 1;                    // 200 * 0.01 = 20ms
  htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
  htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
  
  if (HAL_TIM_Base_Init(&htim1) != HAL_OK)
  {
    _Error_Handler(__FILE__, __LINE__);
}

void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef* htim_base)
{ 
    if(htim_base->Instance==TIM1) 
    {
   /* Peripheral clock enable */                 
        __HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE();    
  /* USER CODE BEGIN TIM1_MspInit 1 */
        HAL_NVIC_SetPriority(TIM1_UP_IRQn,1,3); 
        HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM1_UP_IRQn); 
    }
}

在stm32f1xx_hal_it.c中去注冊(cè)中斷回調(diào)函數(shù)(關(guān)鍵的步驟，需要在按鍵中斷處理函數(shù)中打開定時(shí)器，開始計(jì)時(shí))：

void EXTI15_10_IRQHandler(void)            // 按鍵的中斷處理函數(shù)
{
 
  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);    //  開啟定時(shí)器1，開始計(jì)時(shí)
 
  printf("key down
");
 
  __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(GPIO_PIN_11);
  __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(GPIO_PIN_12);
}

定時(shí)器的中斷處理函數(shù)：

void TIM1_UP_IRQHandler(void)
{
  
  HAL_TIM_IRQHandler(&htim1);   //這個(gè)是所有定時(shí)器處理回調(diào)的入口，在這個(gè)函數(shù)里對(duì)應(yīng)定時(shí)器多種中斷情況的中斷回調(diào)，需要找到update的回調(diào)函數(shù)
  printf("TIM IRQ
");
 
}
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)        // 定時(shí)器update中斷處理回調(diào)函數(shù)
{
   /* USER CODE BEGIN Callback 0 */
 
   /* USER CODE END Callback 0 */
   if (htim->Instance == TIM2) {
     HAL_IncTick();
   }
   
   if (htim->Instance == TIM1) {            // 在這里選擇tim1 
 
     printf("TIM1 updata
");
 
    HAL_TIM_Base_Stop_IT(&htim1);       //    關(guān)閉tim1 及清除中斷
 
     if (GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC,GPIO_PIN_11) )    //再次判斷管腳的電平
     {
      printf("KEY1 be pressed!!!
");
     }
    
    if (GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC,GPIO_PIN_12) )//再次判斷管腳的電平
    {
      printf("KEY2 be pressed!!!
");
    }
   }
   /* USER CODE BEGIN Callback 1 */
 
   /* USER CODE END Callback 1 */
}

總結(jié)一下,實(shí)現(xiàn)用定時(shí)器中斷來完成按鍵延時(shí)去抖的關(guān)鍵步驟：

1. 初始化GPIO腳，初始化TIM ，算好時(shí)間，填入分頻值。

2. 打開GPIO中斷，在中斷處理函數(shù)中打開定時(shí)器，讓其計(jì)數(shù)。

3. 定時(shí)器溢出中斷函數(shù)中，再次判斷按鍵電平值。關(guān)閉定時(shí)器，清除pending。

審核編輯：劉清