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。
今天看到公众号 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]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
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:https://mp.weixin.qq.com/s/RN3kj0d4isf4XCu98DIIjA
作者：卓晴
原文链接：TsinghuaJoking
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