采用單個ADC端口來讀取多個按鈕狀態(tài)的方法

利用單片機的ADC端口，可以讀取多個按鈕的狀態(tài)。在設(shè)計過程中，需要綜合考慮到按扭的個數(shù)與讀取的可靠性，特別是對選擇電阻的阻值進行優(yōu)化，使得不同分壓數(shù)值之間相差最大。如果按鍵面板需要通過長的引線與單片機電路相連，還需要對接口電路進行保護以提高電路的EMC特性。

01 讀取按鍵

按鍵是單片機系統(tǒng)中人機交互常用到的方法，通常情況下，通過普通的IO端口可以獲得按鍵開關(guān)狀態(tài)。在某些電子系統(tǒng)設(shè)計中，如果碰到按鈕比較多，但單片機的IO口不夠使用的時候，則需要通過端口擴展的方式來增加讀取按鈕的數(shù)量。比如通過并串轉(zhuǎn)換芯片，8-3編碼芯片等等。

今天看到 公眾號電路啊中的一篇推文：電視機的按鍵功能是用什么電路實現(xiàn)的？經(jīng)典ADC按鍵電路[1] 介紹了在一款電視機中，采用單個ADC端口來讀取多個按鈕狀態(tài)的方法。

一、電路原理

1、電路原理圖

按鍵面板中的三個引線中，其中一個是電路地線，另外兩個是信號線，分別接入主板中MCU的兩路ADC端口。這兩條線在主板上都通過3.3kΩ的電阻接到電源（3.3V）。在面板上，有多個按鈕與電阻的串聯(lián)之后連接在信號線與地線之間。

▲ 圖1.1.1 工作原理說明圖

并聯(lián)在 一起的按鈕所串聯(lián)的電阻不同，所以每個按鈕按下之后，信號線的電壓就是上拉電阻與按鍵串聯(lián)電阻對電源的分壓。由于每個按鍵串聯(lián)電阻不同，所以對應(yīng)信號線電壓也就不同了。經(jīng)過單片機ADC讀取電壓值之后，在與事先確定下的每個按鍵分壓范圍進行對比，從而可以確定是哪一個按鈕被按下。

【表1-1-1 不同按鍵對應(yīng)的電壓】

2、按鍵個數(shù)

根據(jù)上述原理，一條ADC端口可以讀取按鈕的個數(shù)是非常多的，它的上限受到以下因素影響：

單片機ADC分辨率；

分壓信號的穩(wěn)定性和噪聲范圍；

機械按鍵接觸電阻；

分壓電阻偏差與穩(wěn)定性等。

為了可靠的通過ADC讀取的模擬分壓電壓來確定按鍵，需要合理選擇分壓電阻，使得每個按鍵所對應(yīng)的電壓之間的間隔越大越好。在上述實際設(shè)計的電路中，每個ADC端口只讀取了四個按鈕的狀態(tài)，總共采用了兩個ADC端口讀取了7個（< 8個）按鍵狀態(tài)。

二、電路改進

1、增加接口可靠性

由于按鍵板與電路主板之間通過三根線連接，為了提高電路工作的可靠性，在按鍵電路接口中增加了R、C、TVS來消除靜電、電磁干擾對主控板的影響。

▲ 圖1.2.1 增加有提高EMC接口電路

對于電路中的RC濾波器件參數(shù)選擇，需要綜合考慮濾除噪聲的頻率范圍以及電路穩(wěn)定時間。不能夠為了降低噪聲一味增加RC時間常數(shù)，還需要考慮按鍵動作時，對應(yīng)的分壓信號達到穩(wěn)定的過渡時間的大小。

02 更多按鍵

在前面案例中，每個ADC只讀取四個按鍵，下面給出一些可以讀取更多按鍵的方案。

一、八個按鍵

1、電路原理圖

下面是在推文經(jīng)典ADC按鍵電路[2]中給出的已經(jīng)批量應(yīng)用的八按鍵ADC讀取電路配置方案。

▲ 圖2.1.1 被批量使用的八個按鍵方案

2、按鍵對應(yīng)的電壓值

按照電路中的電阻參數(shù)，可以計算出每個按鍵對應(yīng)的信號分壓電壓值：

【表2-1-1 八個按鍵對應(yīng)的信號電壓】

▲ 圖2.1.2 八個按鍵對應(yīng)的信號電壓

3、方案特點

在這個電路中，后面按鍵對應(yīng)的電阻值是由前面所有串聯(lián)電阻累加和。

這個電路的巧妙之處在于，按鍵具有優(yōu)先級之分。假設(shè)按下了按鍵SW1，那么再按下SW2-SW8中的任何一個都是不起作用的，即SW1的優(yōu)先級最高，SW2次之，以此類推。

二、組合按鍵

上面電路中不允許使用組合按鍵，即通過兩個或者兩個 以上的按摩同時按下代表更多的功能。

1、三個按鍵組合輸入

下面電路中，只使用3按鈕便可以獲得8個狀態(tài)的輸入。

▲ 圖2.2.1 利用電阻組合完成多個多個按鈕輸入

需要通過適當(dāng)選擇的阻值，使得八種不同的按鍵組合，所得到的八個電壓之間的間隔最大，這樣才能夠保證ADC通過分壓數(shù)值確定狀態(tài)時更加可靠。

利用程序?qū)M行搜索，搜索范圍（100,10k），搜索步長：50歐姆?？梢垣@得一組最優(yōu)電阻取值：

最小的電壓間隔為：0.152V。

下面是八種按鍵組合所得到的電壓，從小到大的電壓值。

['1.19V', '1.37V', '1.53V', '1.68V', '1.83V', '2.05V', '2.43V', '3.30V']

※ 總??結(jié) ※

利用單片機的ADC端口，可以讀取多個按鈕的狀態(tài)。在設(shè)計過程中，需要綜合考慮到按扭的個數(shù)與讀取的可靠性，特別是對選擇電阻的阻值進行優(yōu)化，使得不同分壓數(shù)值之間相差最大。

如果按鍵面板需要通過長的引線與單片機電路相連，還需要對接口電路進行保護以提高電路的EMC特性。

審核編輯：劉清