【STM32单片机按键扫描宝典】：从原理到实战，解锁按键控制秘诀

# 1. STM32单片机按键扫描原理

STM32单片机按键扫描是一种通过检测按键状态来获取用户输入的方法。其原理是利用单片机的GPIO引脚检测按键的电平变化，从而判断按键是否被按下。

按键扫描的实现主要分为两个步骤：

1. **GPIO引脚配置：**将单片机的GPIO引脚配置为输入模式，并连接到按键。
2. **按键扫描算法：**通过不断读取GPIO引脚的电平，判断按键是否被按下。通常使用消抖算法和状态检测算法来提高按键扫描的可靠性。

# 2. STM32单片机按键扫描实践

### 2.1 GPIO引脚配置

#### 2.1.1 GPIO模式和时钟配置

GPIO引脚配置是按键扫描的基础，需要设置引脚的模式和时钟。

// GPIO模式配置
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN; // 开启GPIOA时钟
GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODER0; // 清除PA0模式位
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER0_0; // 设置PA0为输入模式

// GPIO时钟配置
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SYSCFGEN; // 开启SYSCFG时钟

- `RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;`：开启GPIOA时钟，使能GPIOA端口。
- `GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODER0;`：清除PA0模式位，将PA0引脚的模式设置为输入模式。
- `GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER0_0;`：设置PA0引脚为输入模式。
- `RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SYSCFGEN;`：开启SYSCFG时钟，使能SYSCFG外设。

#### 2.1.2 引脚复用功能配置

如果引脚需要复用其他功能，如中断或模拟输入，需要进行引脚复用功能配置。

// 引脚复用功能配置
GPIOA->AFR[0] &= ~GPIO_AFRL_AFRL0; // 清除PA0复用功能位
GPIOA->AFR[0] |= GPIO_AFRL_AFRL0_0; // 设置PA0复用功能为EXTI0

- `GPIOA->AFR[0] &= ~GPIO_AFRL_AFRL0;`：清除PA0复用功能位，将PA0引脚的复用功能设置为默认状态。
- `GPIOA->AFR[0] |= GPIO_AFRL_AFRL0_0;`：设置PA0复用功能为EXTI0，使PA0引脚可以作为外部中断线0。

### 2.2 按键扫描算法

按键扫描算法是按键扫描的核心，需要解决按键消抖和按键状态检测问题。

#### 2.2.1 按键消抖算法

按键消抖算法用于消除按键按下或松开时的抖动现象。

// 按键消抖算法
uint8_t key_debounce(uint8_t key_state)
{
    static uint8_t key_state_prev = 0;

    if (key_state != key_state_prev) {
        key_state_prev = key_state;
        return 0;
    } else {
        return 1;
    }
}

- `key_state`：当前按键状态，0表示未按下，1表示按下。
- `key_state_prev`：前一次按键状态。

算法原理：如果当前按键状态与前一次按键状态不同，则认为按键发生了抖动，返回0；否则，返回1，表示按键状态稳定。

#### 2.2.2 按键状态检测算法

按键状态检测算法用于检测按键的按下或松开状态。

// 按键状态检测算法
uint8_t key_scan(uint8_t key_pin)
{
    if (GPIOA->IDR & (1 << key_pin)) {
        return 0; // 未按下
    } else {
        return 1; // 按下
    }
}

- `key_pin`：按键引脚号。
- `GPIOA->IDR & (1 << key_pin)`：读取按键引脚的状态，如果为0表示按键按下，为1表示按键未按下。

### 2.3 按键中断处理

按键中断处理可以提高按键扫描效率，在按键按下或松开时触发中断。

#### 2.3.1 中断配置

// 中断配置
NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn); // 使能EXTI0中断
NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 1); // 设置EXTI0中断优先级为1

- `NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);`：使能EXTI0中断，允许EXTI0中断发生。
- `NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 1);`：设置EXTI0中断优先级为1，表示EXTI0中断具有较高的优先级。

#### 2.3.2 中断服务函数编写

// 中断服务函数
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    if (EXTI->PR & EXTI_PR_PR0) {
        // 按键按下处理
        EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0; // 清除EXTI0中断标志位
    }
}

- `if (EXTI->PR & EXTI_PR_PR0)`：判断EXTI0中断标志位是否置位，如果置位表示EXTI0中断发生。
- `EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0;`：清除EXTI0中断标志位，表示EXTI0中断已处理。

# 3. STM32单片机按键扫描应用

### 3.1 按键控制LED灯

#### 3.1.1 LED灯硬件连接

**材料清单：**

- STM32单片机开发板
- LED灯
- 100Ω电阻

**连接方式：**

1. 将LED灯的正极通过100Ω电阻连接到STM32单片机的GPIO引脚。
2. 将LED灯的负极连接到地线。

#### 3.1.2 按键控制LED灯代码实现

#include "stm32f10x.h"

// 定义LED灯连接的GPIO引脚
#define LED_GPIO_PORT GPIOC
#define LED_GPIO_PIN GPIO_Pin_13

int main(void)
{
    // 初始化LED灯GPIO引脚
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(LED_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    // 按键扫描
    while (1)
    {
        // 按键按下时，LED灯亮
        if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0) == 0)
        {
            GPIO_SetBits(LED_GPIO_PORT, LED_GPIO_PIN);
        }
        // 按键松开时，LED灯灭
        else
        {
            GPIO_ResetBits(LED_GPIO_PORT, LED_GPIO_PIN);
        }
    }
}

**代码逻辑分析：**

1. 初始化LED灯GPIO引脚为推挽输出模式。
2. 进入按键扫描循环。
3. 读取按键GPIO引脚的状态，如果按键按下，则LED灯亮；如果按键松开，则LED灯灭。

### 3.2 按键控制电机

#### 3.2.1 电机硬件连接

**材料清单：**

- STM32单片机开发板
- 直流电机
- L298N电机驱动模块

**连接方式：**

1. 将电机的正极连接到L298N电机驱动模块的IN1引脚。
2. 将电机的负极连接到L298N电机驱动模块的IN2引脚。
3. 将L298N电机驱动模块的ENA引脚连接到STM32单片机的GPIO引脚。
4. 将L298N电机驱动模块的ENB引脚连接到STM32单片机的GPIO引脚。

#### 3.2.2 按键控制电机代码实现

#include "stm32f10x.h"

// 定义电机驱动模块连接的GPIO引脚
#define MOTOR_ENA_GPIO_PORT GPIOA
#define MOTOR_ENA_GPIO_PIN GPIO_Pin_0
#define MOTOR_ENB_GPIO_PORT GPIOA
#define MOTOR_ENB_GPIO_PIN GPIO_Pin_1

int main(void)
{
    // 初始化电机驱动模块GPIO引脚
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = MOTOR_ENA_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(MOTOR_ENA_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = MOTOR_ENB_GPIO_PIN;
    GPIO_Init(MOTOR_ENB_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    // 按键扫描
    while (1)
    {
        // 按键按下时，电机正转
        if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0) == 0)
        {
            GPIO_SetBits(MOTOR_ENA_GPIO_PORT, MOTOR_ENA_GPIO_PIN);
            GPIO_ResetBits(MOTOR_ENB_GPIO_PORT, MOTOR_ENB_GPIO_PIN);
        }
        // 按键松开时，电机停止
        else
        {
            GPIO_ResetBits(MOTOR_ENA_GPIO_PORT, MOTOR_ENA_GPIO_PIN);
            GPIO_ResetBits(MOTOR_ENB_GPIO_PORT, MOTOR_ENB_GPIO_PIN);
        }
    }
}

**代码逻辑分析：**

1. 初始化电机驱动模块GPIO引脚为推挽输出模式。
2. 进入按键扫描循环。
3. 读取按键GPIO引脚的状态，如果按键按下，则电机正转；如果按键松开，则电机停止。

### 3.3 按键控制串口通信

#### 3.3.1 串口硬件连接

**材料清单：**

- STM32单片机开发板
- USB转串口模块

**连接方式：**

1. 将USB转串口模块的TX引脚连接到STM32单片机的RX引脚。
2. 将USB转串口模块的RX引脚连接到STM32单片机的TX引脚。
3. 将USB转串口模块的GND引脚连接到STM32单片机的GND引脚。

#### 3.3.2 按键控制串口通信代码实现

#include "stm32f10x.h"

// 定义串口连接的GPIO引脚
#define USART_TX_GPIO_PORT GPIOA
#define USART_TX_GPIO_PIN GPIO_Pin_9
#define USART_RX_GPIO_PORT GPIOA
#define USART_RX_GPIO_PIN GPIO_Pin_10

int main(void)
{
    // 初始化串口GPIO引脚
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = USART_TX_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = USART_RX_GPIO_PIN;
    GPIO_Init(USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    // 初始化串口
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2, ENABLE);
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
    USART_Init(USART2, &USART_InitStructure);
    USART_Cmd(USART2, ENABLE);

    // 按键扫描
    while (1)
    {
        // 按键按下时，发送数据到串口
        if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0) == 0)
        {
            USART_SendData(USART2, 'A');
        }
    }
}

**代码逻辑分析：**

1. 初始化串口GPIO引脚为复用推挽输出模式。
2. 初始化串口，设置波特率、数据位、停止位、校验位和工作模式。
3. 进入按键扫描循环。
4. 读取按键GPIO引脚的状态，如果按键按下，则发送数据到串口。

# 4. STM32单片机按键扫描进阶

### 4.1 按键矩阵扫描

#### 4.1.1 按键矩阵原理

按键矩阵扫描是一种使用多个GPIO引脚来扫描多个按键的方法。它通过将按键排列成行和列的矩阵，并使用GPIO引脚分别扫描行和列，来检测按键状态。

例如，一个4x4的按键矩阵有4行和4列，共16个按键。我们可以使用4个GPIO引脚扫描行，4个GPIO引脚扫描列。当某个按键按下时，它会连接相应的行和列引脚，从而形成一个闭合回路。

#### 4.1.2 按键矩阵扫描代码实现

#define ROW_NUM 4
#define COL_NUM 4

// 行引脚
const uint8_t row_pins[] = {GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_3};

// 列引脚
const uint8_t col_pins[] = {GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_7};

// 按键状态数组
uint8_t key_matrix[ROW_NUM][COL_NUM];

void key_matrix_scan() {
    // 扫描行
    for (uint8_t row = 0; row < ROW_NUM; row++) {
        // 设置行引脚为输出，低电平
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, row_pins[row], GPIO_PIN_RESET);

        // 扫描列
        for (uint8_t col = 0; col < COL_NUM; col++) {
            // 读取列引脚状态
            if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, col_pins[col]) == GPIO_PIN_RESET) {
                // 按键按下
                key_matrix[row][col] = 1;
            } else {
                // 按键未按下
                key_matrix[row][col] = 0;
            }
        }

        // 设置行引脚为输入，高阻态
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, row_pins[row], GPIO_PIN_SET);
    }
}

### 4.2 按键长按检测

#### 4.2.1 长按检测算法

长按检测算法通过记录按键按下的时间，当按键按下的时间超过某个阈值时，认为是长按。

#### 4.2.2 长按检测代码实现

#define LONG_PRESS_TIME 1000 // 长按阈值，单位：ms

// 按键长按状态数组
uint8_t key_long_press[KEY_NUM];

void key_long_press_detect() {
    // 遍历所有按键
    for (uint8_t i = 0; i < KEY_NUM; i++) {
        // 如果按键按下
        if (key_matrix[i / ROW_NUM][i % ROW_NUM] == 1) {
            // 记录按键按下的时间
            key_long_press_time[i]++;

            // 如果按键按下的时间超过阈值
            if (key_long_press_time[i] >= LONG_PRESS_TIME) {
                // 触发长按事件
                key_long_press[i] = 1;
            }
        } else {
            // 如果按键未按下，重置按键按下的时间
            key_long_press_time[i] = 0;
        }
    }
}

### 4.3 按键组合检测

#### 4.3.1 按键组合原理

按键组合检测是检测多个按键同时按下的情况。它可以用于实现一些特殊功能，例如快捷键。

#### 4.3.2 按键组合检测代码实现

#define KEY_COMBO_NUM 4 // 按键组合数量

// 按键组合数组
const uint8_t key_combo[KEY_COMBO_NUM][KEY_NUM] = {
    {KEY_1, KEY_2},
    {KEY_3, KEY_4},
    {KEY_5, KEY_6},
    {KEY_7, KEY_8}
};

// 按键组合状态数组
uint8_t key_combo_status[KEY_COMBO_NUM];

void key_combo_detect() {
    // 遍历所有按键组合
    for (uint8_t i = 0; i < KEY_COMBO_NUM; i++) {
        // 检查按键组合中的所有按键是否按下
        uint8_t combo_pressed = 1;
        for (uint8_t j = 0; j < KEY_NUM; j++) {
            if (key_matrix[key_combo[i][j] / ROW_NUM][key_combo[i][j] % ROW_NUM] == 0) {
                combo_pressed = 0;
                break;
            }
        }

        // 如果按键组合中的所有按键都按下
        if (combo_pressed == 1) {
            // 触发按键组合事件
            key_combo_status[i] = 1;
        } else {
            // 如果按键组合中的任何一个按键未按下，重置按键组合状态
            key_combo_status[i] = 0;
        }
    }
}

# 5.1 智能家居控制

### 5.1.1 智能家居系统设计

智能家居系统通常由以下几个部分组成：

- **传感器：**用于感知环境和设备状态，如温湿度传感器、光照传感器、运动传感器等。
- **执行器：**用于控制设备，如灯泡、电机、继电器等。
- **控制器：**负责处理传感器数据、控制执行器和实现智能功能，如单片机、微控制器等。
- **通信网络：**用于连接传感器、执行器和控制器，实现数据传输和控制，如Wi-Fi、ZigBee、蓝牙等。

### 5.1.2 按键控制智能家居设备代码实现

// 按键扫描函数
void KeyScan(void)
{
    // 扫描所有按键
    for (uint8_t i = 0; i < KEY_NUM; i++)
    {
        // 读取按键状态
        uint8_t keyState = HAL_GPIO_ReadPin(KEY_PORT[i], KEY_PIN[i]);

        // 消抖处理
        if (keyState == GPIO_PIN_RESET)
        {
            keyCount[i]++;
            if (keyCount[i] >= KEY_DEBOUNCE_TIME)
            {
                // 按键按下
                keyPressed[i] = true;
            }
        }
        else
        {
            keyCount[i] = 0;
            keyPressed[i] = false;
        }
    }
}

// 按键控制智能家居设备函数
void KeyControl(void)
{
    // 扫描按键
    KeyScan();

    // 按键控制LED灯
    if (keyPressed[KEY_LED])
    {
        HAL_GPIO_TogglePin(LED_PORT, LED_PIN);
    }

    // 按键控制窗帘
    if (keyPressed[KEY_CURTAIN])
    {
        // 打开或关闭窗帘
        HAL_GPIO_WritePin(CURTAIN_PORT, CURTAIN_PIN, GPIO_PIN_SET);
        HAL_Delay(1000);
        HAL_GPIO_WritePin(CURTAIN_PORT, CURTAIN_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    }

    // 按键控制空调
    if (keyPressed[KEY_AC])
    {
        // 开启或关闭空调
        HAL_GPIO_WritePin(AC_PORT, AC_PIN, GPIO_PIN_SET);
        HAL_Delay(1000);
        HAL_GPIO_WritePin(AC_PORT, AC_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    }
}