单片机状态机实现多个按键同时检测单击、多击、长按等操作

1.背景

在之前有个项目需要一个或多个按键检测：单击、双击、长按等操作

于是写了一份基于状态机的按键检测，分享一下思路

2.实现效果

单击翻转绿灯电平

双击翻转红灯电平

长按反转红绿灯电平

3.代码实现

本代码是基于正点原子STM32F407ZGT6探索者开发板 HAL库写的

关于按键的代码可以直接移植，与芯片和HAL库没有多大联系，主要就是引脚定义是使用CubeMX生成的在main.h中，如下

#define BUTTON3_Pin GPIO_PIN_2
#define BUTTON3_GPIO_Port GPIOE
#define BUTTON2_Pin GPIO_PIN_3
#define BUTTON2_GPIO_Port GPIOE
#define BUTTON1_Pin GPIO_PIN_4
#define BUTTON1_GPIO_Port GPIOE
#define LED0_Pin GPIO_PIN_9
#define LED0_GPIO_Port GPIOF
#define LED1_Pin GPIO_PIN_10
#define LED1_GPIO_Port GPIOF

3.1 driver_button.c文件

#include "main.h"
#include "driver_boutton.h"#define NUM_BUTTONS 3  
#define DOUBLE_CLICK_TIME  200  // 双击最大间隔时间（ms）  
#define LONG_PRESS_TIME  300  	// 长按最小持续时间（ms）void button_scan(void);
void button_init(void);
ButtonNum button_get_number(void);// GPIO端口和PIN引脚数组  
const GPIO_TypeDef* button_GPIO_Ports[NUM_BUTTONS] = 
{  BUTTON1_GPIO_Port,BUTTON2_GPIO_Port, BUTTON3_GPIO_Port,
};  const uint16_t button_GPIO_Pins[NUM_BUTTONS] = 
{  BUTTON1_Pin,BUTTON2_Pin, BUTTON3_Pin, 
};// 按键状态定义  
typedef enum 
{  BUTTON_RELEASED,  				//松开BUTTON_PRESSED,  				//按下BUTTON_SINGLE_CLICK,  			//单击BUTTON_DOUBLE_CLICK,  			//双击BUTTON_LONG_PRESS  				//长按
} Button_State; // 按键结构体定义  
typedef struct 
{  GPIO_TypeDef *GPIOx;uint16_t GPIO_PIN;              // 按键连接的GPIO引脚  Button_State state;         	// 按键状态  uint32_t press_time;       		// 按下时间  uint32_t release_time;    		// 释放时间 uint8_t click_count;           	// 连续点击次数  uint32_t num;					// 按键键值
} Button_TypeDef;  //按键函数指针
const Button_Handler *button = &(const Button_Handler)
{.get_tick = HAL_GetTick,				//获取系统时间滴答.init = button_init,					//按键初始化.callback = button_scan,				//按键扫描回调函数.get_number = button_get_number,		//获取键值
};static Button_TypeDef buttons[NUM_BUTTONS]; static ButtonNum button_num = {0,0,0};/*** @简要   初始化按键配置* @说明   该函数对每个按键的GPIO端口和引脚进行初始化，并将按键状态设置为未按下* @参数   无* @返回值 无*/
void button_init(void) 
{  for (int i = 0; i < NUM_BUTTONS; i++) {  buttons[i].GPIOx = (GPIO_TypeDef*)button_GPIO_Ports[i];  buttons[i].GPIO_PIN = button_GPIO_Pins[i];  buttons[i].state = BUTTON_RELEASED;  buttons[i].click_count = 0;  buttons[i].num = 0x01 << i;}  
}  /*** @简要   定时器扫描按键* @说明   定时器消抖扫描并检测按键状态* @参数   无* @返回值 无*/
void button_scan(void) {  uint32_t current_time = button->get_tick();  // 获取当前时间  for (int i = 0; i < NUM_BUTTONS; i++) 	//遍历所有按键{  Button_TypeDef *button = &buttons[i];  uint8_t current_state = HAL_GPIO_ReadPin(button->GPIOx, button->GPIO_PIN);  // 读取按键状态  if (current_state == 0) 	// 按键按下{    if (button->state == BUTTON_RELEASED) 	// 如果之前是松开状态{  button->press_time = current_time;  // 记录按下时间button->state = BUTTON_PRESSED;  	//更新按键状态为按下}  	} else  // 按键释放 {   if (button->state == BUTTON_PRESSED) // 如果之前是按下状态{  button->release_time = current_time;  // 记录释放时间uint32_t press_duration = button->release_time - button->press_time;   // 计算按下持续时间if (press_duration >= LONG_PRESS_TIME) // 如果按下时间超过长按阈值{  button->state = BUTTON_LONG_PRESS; // 更新状态为长按button_num.more |= buttons[i].num;	// 标记长按事件} else //如果按下时间在长按阈值范围内{  button->click_count++;  // 增加点击计数}  // 复位按键状态  button->state = BUTTON_RELEASED;  }  }if (button->click_count)  // 如果有点击计数{// 距离下一次按下时间大于 DOUBLE_CLICK_TIME 可认为是单击if (button->click_count == 1 && current_time - button->release_time > DOUBLE_CLICK_TIME) {button->click_count = 0;  		// 重置点击计数button_num.once |= buttons[i].num;			// 标记单击事件}// 否则 在 DOUBLE_CLICK_TIME 时间段内按几下算几连击else if (button->click_count >= 2 && current_time - button->release_time > DOUBLE_CLICK_TIME){button->click_count = 0;   // 重置点击计数button_num.twice |= buttons[i].num;	// 标记双击事件}                                   }}  
}  /*** @简要   获取按键状态* @说明   返回当前各类按键的键值* @参数   无* @返回值 按键的键值*/
ButtonNum button_get_number(void) 
{ButtonNum temp = button_num;button_num.once = 0;button_num.twice = 0;button_num.more = 0;return temp;
}

3.2 driver_button.h文件

#ifndef __driver_button__
#define __driver_button__#include <stdint.h>#define BUTTON1_ONCE (0x01 << 0)
#define BUTTON2_ONCE (0x01 << 1)
#define BUTTON3_ONCE (0x01 << 2)#define BUTTON1_TWICE (0x01 << 0)
#define BUTTON2_TWICE (0x01 << 1)
#define BUTTON3_TWICE (0x01 << 2)#define BUTTON1_MORE (0x01 << 0)
#define BUTTON2_MORE (0x01 << 1)
#define BUTTON3_MORE (0x01 << 2)typedef struct{uint32_t once;		//单击uint32_t twice;		//双击uint32_t more;		//长按
}ButtonNum;extern ButtonNum button_num;
// 按键处理函数结构体定义  
typedef struct {uint32_t (*get_tick)(void);           // 获取系统时间的函数指针void (*init)(void);                  // 初始化函数指针void (*callback)(void);              // 回调函数指针ButtonNum (*get_number)(void);
} Button_Handler;extern const Button_Handler *button;#endif 

3.3 在定时器中断中 检测按键

这里我使用的是TIM6，每10ms扫描一次 

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{static uint32_t timerCount_key = 0;if(htim->Instance == TIM6){timerCount_key++;if(timerCount_key == 10){timerCount_key = 0;button->callback();}}
}

3.4 主函数中使用方法

这里使用按键控制led灯演示

  /* USER CODE BEGIN 2 */HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6);button->init();/* USER CODE END 2 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */ButtonNum num = button->get_number();  if(num.twice == BUTTON1_TWICE) HAL_GPIO_TogglePin(LED0_GPIO_Port,LED0_Pin);if(num.twice == BUTTON2_TWICE) HAL_GPIO_TogglePin(LED0_GPIO_Port,LED0_Pin);if(num.twice == BUTTON3_TWICE) HAL_GPIO_TogglePin(LED0_GPIO_Port,LED0_Pin);if(num.more == BUTTON1_MORE) HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port,LED1_Pin),HAL_GPIO_TogglePin(LED0_GPIO_Port,LED0_Pin);if(num.more == BUTTON2_MORE) HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port,LED1_Pin),HAL_GPIO_TogglePin(LED0_GPIO_Port,LED0_Pin);if(num.more == BUTTON3_MORE) HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port,LED1_Pin),HAL_GPIO_TogglePin(LED0_GPIO_Port,LED0_Pin);if(num.once == BUTTON1_ONCE) HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port,LED1_Pin);if(num.once == BUTTON2_ONCE) HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port,LED1_Pin);if(num.once == BUTTON3_ONCE) HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port,LED1_Pin);}/* USER CODE END 3 */

4.按键状态机思路

void button_scan(void) 

主要思路是这样：

我每次定时器执行这个按键扫描的回调函数，都会轮询判断一下所有的按键状态。

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{static uint32_t timerCount_key = 0;if(htim->Instance == TIM6){timerCount_key++;if(timerCount_key == 10){timerCount_key = 0;button->callback();}}
}

例如在此之前我从来没按下过按键，当我的按键1按下的时刻，

uint8_t current_state = HAL_GPIO_ReadPin(button->GPIOx, button->GPIO_PIN);  // 读取按键状态  

current_state被返回了低电平（取决于你的电路设计，我这里按键按下接地）

然后就会进入到

    if (current_state == 0)    // 按键按下{    if (button->state == BUTTON_RELEASED)    // 如果之前是松开状态{  button->press_time = current_time;  // 记录按下时间button->state = BUTTON_PRESSED;    // 更新按键状态为按下}  	} 

在这里由于我们是第一次按下会被标记为状态为按下，然后将你的结构体中的按下时间记录为这一次扫描按键时的HAL_GetTick();
然后你按下按键是需要松手的吧
现在你松手了，接上面的if语句：

else    // 按键释放 {   if (button->state == BUTTON_PRESSED) // 如果之前是按下状态{  button->release_time = current_time;  // 记录释放时间uint32_t press_duration = button->release_time - button->press_time;   // 计算按下持续时间if (press_duration >= LONG_PRESS_TIME) // 如果按下时间超过长按阈值{  button->state = BUTTON_LONG_PRESS; // 更新状态为长按button_num.more |= buttons[i].num;    // 标记长按事件} else // 如果按下时间在长按阈值范围内{  button->click_count++;  // 增加点击计数}  // 复位按键状态  button->state = BUTTON_RELEASED;  }  }

松手之后（按键释放，那么按键又被上拉到高电平了），这里先判断一下你之前的状态，必须要判断一下这个按键之前是不是被按下了，要不然就会一直进入这个if语句。
由于每次进入这个按键扫描函数都会记录一下HAL_GetTick();，

uint32_t press_duration = button->release_time - button->press_time;   // 计算按下持续时间

所以记下了你上次按下按键与这次松开按键的时间间隔，那么这就可以得出你的按下时间，如果超过了长按阈值那么肯定就是长按状态了，就执行对应的长按操作。

如果你的时间间隔少于长按的时间阈值，那么就会给你增加一次点击计数。
之后你松开了按键那么可能要把按键的状态恢复到初始化的情况。

这时这个函数还没有结束，接下来会进入到这个if语句：

    if (button->click_count)    // 如果有点击计数{// 距离下一次按下时间大于 DOUBLE_CLICK_TIME 可认为是单击if (button->click_count == 1 && current_time - button->release_time > DOUBLE_CLICK_TIME) {button->click_count = 0;      // 重置点击计数button_num.once |= buttons[i].num;      // 标记单击事件}// 否则 在 DOUBLE_CLICK_TIME 时间段内按几下算几连击else if (button->click_count >= 2 && current_time - button->release_time > DOUBLE_CLICK_TIME){button->click_count = 0;     // 重置点击计数button_num.twice |= buttons[i].num;   // 标记双击事件}                                   }

如果你按下按键的时间低于长按的时间阈值的话，那么就会进入这个函数，否则直接跳过这个if语句。
例如，这个时候从头到尾，你只按了一次低于长按时间阈值的操作，暂停时间分析：
再进入这个if语句：

    if (button->click_count == 1 && current_time - button->release_time > DOUBLE_CLICK_TIME) {button->click_count = 0;  // 重置点击计数button_num.once |= buttons[i].num;      // 标记单击事件}

这里判断你的点击次数为1，但是当前你按下到松手后时间还没有超过双击的时间阈值，那么

current_time - button->release_time > DOUBLE_CLICK_TIME 

就是false，if语句就进不去，但是如果时间再过去一点，

current_time - button->release_time > DOUBLE_CLICK_TIME

就是true，时间超过了双击的阈值，所以直接判断为单击。

再回到：例如，这个时候从头到尾，你只按了一次低于长按时间阈值的操作，时间暂停分析
接着上面的if判断：

  if (button->click_count == 1 && current_time - button->release_time > DOUBLE_CLICK_TIME) {button->click_count = 0;  // 重置点击计数button_num.once |= buttons[i].num;      // 标记单击事件}

目前你还没有超过双击的时间阈值
紧接着你又按下了一次按键，并且这一次按下时间同样低于双击的阈值，那么就会继续增加的点击计数
直到本次按键的时间间隔大于双击的阈值，则判断结束，可以返回按键的点击次数了

5.结束

目前代码能够正常检测单击，双击，长按等操作，如果读者使用此代码发现有什么bug，或者值得优化的地方，欢迎评论区留言！