单个端口读取多个按钮(ADC按键电路)

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所属分类:功能电路

单个端口读取多个按钮(ADC按键电路)

以下文章转载自清华大学卓晴老师的微信公众号:TsinghuaJoking,感谢卓老师对“电路啊”文章的引用。

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。

看到微信公众号“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[1]

该推文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。

单个端口读取多个按钮(ADC按键电路)

▲ 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。

单个端口读取多个按钮(ADC按键电路) ▲ 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。

单个端口读取多个按钮(ADC按键电路)

▲ 表1-1-1 不同按键对应的电压

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。

单个端口读取多个按钮(ADC按键电路)

▲ 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。

单个端口读取多个按钮(ADC按键电路)

▲ 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[2]中给出的已经批量应用的八按键ADC读取电路配置方案。

单个端口读取多个按钮(ADC按键电路)

▲ 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:

单个端口读取多个按钮(ADC按键电路)

▲ 表2-1-1 八个按键对应的信号电压

单个端口读取多个按钮(ADC按键电路)

▲ 图2.1.2 八个按键对应的信号电压

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。

单个端口读取多个按钮(ADC按键电路)

▲ 图2.2.1 利用电阻组合完成多个多个按钮输入

需要通过适当选择的阻值,使得八种不同的按键组合,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R1、R2、R3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:

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']

※ 总 结 ※

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。

参考资料

[1]电视机的按键功能是用什么电路实现的?经典ADC按键电路

以下是“电路啊”的补充:

这种ADC按键电路在电视机中大量使用,导致了一些问题:按键在磨损或氧化后可能会出现导通电阻变大,进而导致ADC按键出现失灵、功能混乱的现象。

那为什么还在电视机中大量使用?

1、首先是可以节省电视机主控芯片的IO口;

2、其次是电视机的按键功能较少被使用,一般使用遥控器,问题相对不容易暴露;

3、最后是可以节省按键电路的成本?这个由于没有仔细对比核算,不好下定论。但这种ADC按键电路多年来确实在电视机中大量使用,似乎已经成为一种惯例,所以是因为惯例而沿用?欢迎大家讨论!

 

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