AVR单片机教程——数字输入

本文隶属于AVR单片机教程系列。

 

我们已经学习了如何使用按键和拨动开关，不知你有没有好奇 button_down 和 switch_status 等函数是如何实现的。本篇教程带你一探究竟，让我们从按键的原理开始。

在原理图中，按键的符号如下图所示：

符号很简单，就是两个触点上方有一个动片，当按下时与两个触点接触。实际上按键内部的机械结构大体上就是这样，实现的功能是，没有按下时两端断路，按下时两端短路。

还有一种画法是这样的，即电键：

就按键内部的机械结构来说，第一种更加真实，但从电路角度来看，两者没什么区别。

但是我们的开发板上的按键有4个引脚，这是怎么回事呢？其实上面两个和下面两个分别是连通的，相当于只有两个：

拨动开关，相当于单刀双掷开关：

从开发板反面可以看到拨动开关有3个引脚。拨到上方时，上面两个导通；拨到下方时，下面两个导通。

然而，光知道这些原理还不够。任何IC，包括单片机，与外界打交道的唯一途径是引脚。单片机要知道按键状态，必须由我们搭建合适的电路，把按键和开关的信息转换为电平，连接到单片机上。

先说按键吧。按键按下时，两引脚之间导通，如果一端接在某一极（电源或地）上，另一端的电平就是确定的。然而，如果不连接其他器件，当没有按下时，这一端是浮空的，电压可能高也可能低，是无效的。而我们希望不按下时检测到的是另一种电平，因此我们可以在按键一端和另一极之间接一个电路：

按键接到地，电阻接到电源，这是一种很常见的接法，其中的电阻称为上拉电阻，取值几千欧到几十千欧都没啥问题。这个电阻可以在单片机内部，也可以是一个独立的元件。在我们的开发板上，4个按键（以及4个开关，后面会提到）是通过排阻上拉的。

为什么把按键接在地上用上拉，而不是接在正电源上用下拉？这是个很复杂的问题。尽管在布尔代数中0和1是完全对称的，但电子毕竟是电子而空穴是电子的缺失，由于某些很复杂的原因，导致上拉比下拉更加常见（得多）。事实上，AVR单片机的引脚可以配置独立的上拉电阻，但是没有下拉电阻可选（部分新型号中有）。

如果你没有受过上拉电阻思想的熏陶，对于拨动开关，你可能会想到这种接法：

这种接法不需要额外的元器件，听起来很妙。然而，虽然可行，这是一种不好的方法。万一两个触点之间短路了怎么办？整块开发板都短路保护了。尽管短路保护听起来安全，但即使保护起来，在解决短路问题之前，开发板还是不能用的。还有一种情况，我真的碰到过，就是单片机上两个相邻的读取开关的引脚因为焊接时的疏忽短路了，导致一旦这两个开关状态不一样就会触发短路保护。总之，这种接法不提倡。

与按键类似，在开关这边我们也可以用上拉电阻的接法：

利用这两种电路，我们成功地将按键不按下与按下分别转换成高电平和低电平，把开关位于下方和上方分别转换成低电平和高电平。那么，单片机怎么读取电平呢？库提供了 pin_read 函数，定义在 <ee1/pin.h> 中。我们还是通过一个例子来学习其使用方法：保持黄灯和蓝灯的状态分别与按键2和开关2的电平相同。

#include <ee1/pin.h>
#include <ee1/led.h>

#define BUTTON2 PIN_0
#define SWITCH2 PIN_1

int main()
{
    led_init();
    pin_mode(BUTTON2, INPUT);
    pin_mode(SWITCH2, INPUT);
    while (1)
    {
        led_set(LED_YELLOW, pin_read(BUTTON2));
        led_set(LED_BLUE  , pin_read(SWITCH2));
    }
}

异常简单的例子，不是吗？用 pin_read 读取引脚电平，再把LED设置为相应值。

当程序涉及端口操作时，为了能在硬件连接改变时方便地修改程序，建议用宏或常量建立设备与引脚之间的映射关系。这样在修改时就只有这个映射关系需要改动了，总比程序每一处调用都修改要方便得多。

值得一提的是，尽管今天的教程介绍了更底层的知识，但这仍不是我们能达到的最底层的地方。在几篇教程之后，你就可以抛弃库函数了。

 

作业：利用 pin_read 函数，结合之前教程中的知识，实现按键动作的检测并测试之。