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。

▲ 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。

▲ 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。

▲ 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。

▲ 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。

▲ 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。

▲ 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：

▲ 表2-1-1 八个按键对应的信号电压

▲ 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。

▲ 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！