51单片机开发板实验：使用独立按键控制LED灯
- 物联网-嵌入式工程师
- 2025-02-20
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一、实验目标
学会如何使用 51 单片机来检测独立按键的控制，通过开发板上的独立按键控制 D1 指示灯亮灭。
二、按键介绍
按键，作为一种电子开关装置，其操作简便，仅需轻轻一按即可实现电路的通断控制。在释放后，电路则自动断开。
51单片机开发板上所使用的按键，其内部结构依据引脚间距离的长短来定义默认状态：长距离代表常态下为闭合状态，而短距离则代表常态下为断开状态。当按键被按下时，这种默认状态会发生反转，即闭合变为断开，断开变为闭合。
然而，由于按键采用机械弹性触点，其闭合与断开的过程并非瞬间完成，而是伴随着一定的时间延迟和信号波动，这一现象被称为“抖动”。抖动的时间长度取决于按键的机械特性，通常在5毫秒至10毫秒之间。为了确保微处理器（CPU）能够准确识别并响应每一次按键操作，而非因抖动而产生误读，必须进行消抖处理。
消抖可以通过硬件或软件两种方式实现。出于简化电路设计的考虑，51单片机开发板采用软件消抖方法。其基本原理是：首先检测按键的初始状态，若检测到按键被按下（即电平由高变低），则通过软件延时（如10毫秒）来等待抖动结束。之后，再次检测按键状态，若仍处于按下状态，则确认按键操作有效，并执行相应的程序逻辑。
这里给大家列出单片机常用的软件去抖动方法：
1，先设置 IO 口为高电平（由于开发板 IO 都有上拉电阻，所以默认 IO 为高
电平）。
2，读取 IO 口电平确认是否有按键按下。
3，如有 IO 电平为低电平后，延时几个毫秒。
4，再读取该 IO 电平，如果任然为低电平，说明对应按键按下。
5，执行相应按键的程序
键盘根据识别方式的不同，可分为编码键盘和非编码键盘两大类。其中，非编码键盘，特别是独立式键盘，在单片机系统中应用广泛。这类键盘通过软件编程来识别闭合的按键，无需额外的硬件编码器。本实验采用的是独立键盘。
三、独立按键检测原理
独立按键电路构成是由各个按键的一个管脚连接在一起接地，按键其他引脚
分别接到单片机 IO 口。
单片机的 IO 口既可作为输出也可作为输入使用，当检测按键时用的是它的输入功能，独立按键的一端接地，另一端与单片机的某个 I/O 口相连，开始时先给该 IO 口赋一高电平，然后让单片机不断地检测该 I/O 口是否变为低电平，当按键闭合时，即相当于该 I/O 口通过按键与地相连，变成低电平，程序一旦检测到 I/O 口变为低电平则说明按键被按下，然后执行相应的指令。
独立按键检测步骤：
初始化IO口：在程序开始时，首先将该IO口配置为输入模式，并通过软件或硬件方式（如上拉电阻）将其电平设置为高电平。
循环检测：程序进入一个循环，不断地检测该IO口的电平状态。这通常是通过读取IO口的电平值来实现的。
按键检测：当按键被按下时，按键的两个引脚之间形成通路，将单片机的IO口与地相连。由于IO口之前被设置为高电平，并且连接了上拉电阻，因此当按键按下时，IO口的电平会迅速下降为低电平。
响应按键：程序一旦检测到IO口的电平变为低电平，就认为按键被按下。随后，程序可以执行与该按键相关的指令或函数。
等待按键释放：在按键的响应逻辑执行完毕后，程序通常会继续检测IO口的电平状态，以等待按键释放（即IO口电平再次变为高电平）。这样做是为了防止按键被长时间按下时，程序重复执行相同的指令。
通过这种方式，单片机可以准确地检测到每个独立按键的按下和释放事件，并根据需要执行相应的操作。
四、硬件电路
本实验使用到硬件资源如下：
（1）LED 模块中的 D1 指示灯
（2）K1 按键
LED 模块电路在前面介绍过，这里就不多说，开发板上的独立按键模块电路如下图所示：
从上图中可以看出，该电路是独立的，4 个独立按键的控制管脚直接连接到
51 单片机的 P3^0~P3^3 IO 上。
如果要想 51 单片机能够检测按键是否按下，就必须通过单片机管脚来控制独立按键。由于独立按键模块电路是集成的，所以使用单片机 P3^0~P33 管脚即可。
五、软件设计
本软件设计是基于51系列单片机的一个独立按键控制LED灯开关的系统。系统通过检测按键K1的状态来控制LED灯的亮灭。
1. 硬件配置
按键K1：连接到单片机的P3.1引脚，用于控制LED灯的亮灭。
LED灯：连接到单片机的P2.0引脚，作为被控制的对象。
2. 数据类型定义
u16：无符号16位整型，用于定义延时函数的计数器。
u8：无符号8位整型，虽然在本设计中未直接使用，但为常见的数据类型定义，保持代码的一致性。
3. 位定义
使用sbit关键字定义了k1和led，分别对应单片机的P3.1引脚和P2.0引脚，便于后续直接操作这些引脚。
4. 延时函数
delay(u16 i)：该函数通过空循环实现延时，延时的具体时间取决于单片机的时钟频率和编译器优化，在本设计中，delay(1000)用于消抖处理，大约延时10ms左右。
5. 按键处理函数
keypros()：该函数负责检测按键K1的状态，并控制LED灯的亮灭。
首先，通过读取k1的值判断按键是否被按下。如果按键被按下，则调用delay(1000)进行消抖处理。消抖后再次检查按键状态，确认按键确实被按下。将led的状态取反，即如果LED灯之前是亮的，则熄灭；如果之前是灭的，则点亮。使用while(!k1);循环等待按键释放，确保在按键未松开前不会重复执行LED状态切换的操作。
6. 主函数
main()：主函数通过无限循环不断调用keypros()函数，以持续检测按键状态并控制LED灯的亮灭。在循环开始前，将led初始化为高电平（即LED灯初始状态为熄灭）。无限循环中，仅调用keypros()函数，该函数会根据按键K1的状态来控制LED灯的亮灭。
7. 注意事项
延时函数的准确性：在实际应用中，可能需要使用更精确的延时方法，如定时器中断。
消抖处理：通过延时来消除按键抖动是一种简单有效的方法，但延时时间需要根据实际情况进行调整。
按键检测逻辑：本设计中的按键检测逻辑相对简单，适用于简单的按键控制场景。在更复杂的应用中，可能需要考虑更多的按键状态和组合。
LED控制：通过直接操作led引脚的状态来控制LED灯的亮灭是一种常见的方法，但需要注意单片机的引脚输出电流限制，以免损坏LED灯或单片机。
六、编写程序
/*************************************************************************************
*
实验现象：下载程序后按下K1按键可以对D1小灯状态取反
**************************************************************************************
*/
#include "reg52.h" //此文件中定义了单片机的一些特殊功能寄存器
typedef unsigned int u16; //对数据类型进行声明定义
typedef unsigned char u8;
sbit k1=P3^1; //定义P31口是k1
sbit led=P2^0; //定义P20口是led
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : delay
* 函数功能 : 延时函数，i=1时，大约延时10us
*******************************************************************************/
void delay(u16 i)
{
while(i--);
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : keypros
* 函数功能 : 按键处理函数，判断按键K1是否按下
*******************************************************************************/
void keypros()
{
if(k1==0) //检测按键K1是否按下
{
delay(1000); //消除抖动 一般大约10ms
if(k1==0) //再次判断按键是否按下
{
led=~led; //led状态取反
}
while(!k1); //检测按键是否松开
}
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : main
* 函数功能 : 主函数
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void main()
{
led=1;
while(1)
{
keypros(); //按键处理函数
}
}
七、实验现象
使用 USB 线将开发板和电脑连接成功后，把编写好的程序编译后将编译产生的.hex 文件烧入到芯片内，按照如下 图所示的接线方式可以看到当按键 K1 按下后，指示灯 D1 点亮，再次按下则熄灭， 如此循环。
