输入检测实验演示硬件理论

Tutorial: 电子电路 Category: 嵌入式 Published: 2026-08-29 08:09:36 Views: 0 Likes: 0 Comments: 0

033.3.1 输入检测实验演示硬件理论

#include "reg52.h"
#include <intrins.h>

typedef unsigned char uchar; // 类型别名
typedef unsigned int uint;   // 类型别名

sbit LED1 = P1^0;
sbit LED2 = P1^1;
sbit LED3 = P1^2;
sbit LED4 = P1^3;

sbit KEY1 = P3^2;
sbit KEY2 = P3^3;

sbit SUN = P3^7;

void Delay_xms(uint xms) // @11.0592MHz
{
    uchar data i, j;

    while (xms)
    {
        _nop_();
        i = 2;
        j = 199;
        do
        {
            while (--j);
        } while (--i);
        xms--;
    }
}

void main()
{
    while (1)
    {
        if (0 == KEY1)
        {
            Delay_xms(20);
            while (0 == KEY1);
            Delay_xms(20);
            LED1 = ~LED1;
        }

        if (0 == KEY2)
        {
            Delay_xms(20);
            while (0 == KEY2);
            Delay_xms(20);
            LED2 = ~LED2;
        }

        if (0 == SUN)
        {
            LED3 = 1;
        }
        else
        {
            LED3 = 0;
        }
    }
}

一、输入检测实验演示及硬件理论

本节先运行配套的 3.1输入检测_实验演示 工程观察现象，再新建 3.2输入检测 工程讲解输入电路。上方源码是本节实际演示所用的完整 3.1 程序，保留了按键消抖、松手检测和光敏输入处理。

整套实验包含两条输入链路：按键把人的按压动作变成高低电平，光敏模块把光强变化变成高低电平。单片机读取电平后，再控制开发板上的 LED。

flowchart LR
    A[按下 K1/K2] --> B[P3.2/P3.3 由高变低]
    B --> C[程序消抖并等待松手]
    C --> D[翻转 LED1/LED2 状态]
    E[环境光变化] --> F[光敏电阻阻值变化]
    F --> G[LM393 比较器输出 DO]
    G --> H[P3.7 读取高低电平]
    H --> I[控制 LED3]

1.1 实验演示及硬件

1.1.1 按键检测实验演示
  • 按一次按键 1，LED1 的亮灭状态翻转一次；再按一次，状态再次翻转。
  • 按一次按键 2，LED2 的亮灭状态翻转一次。两个按键分别检测，不互相影响。
  • 光敏模块控制 LED3：遮住光敏电阻、环境变暗时 LED3 亮；用手机手电筒照射、环境变亮时 LED3 灭。这相当于一个简化的智能路灯模型。
  • 如果照射后现象不明显，应先让手机手电筒靠近光敏电阻，再微调模块上的蓝色电位器，使环境光跨过比较器阈值。

这里的“按一次改变一次”不是把按键电平直接复制给 LED，而是检测到一次完整的按下和松开后执行 LED1 = ~LED1 或 LED2 = ~LED2，把原状态取反。

开发板上的两个独立按键分别接到 P3.2、P3.3，另一侧接 GND。P3 口复位后通常处于释放为高电平的准双向输入状态，按下按键则把端口直接接到地：

释放：P3.x -- 内部弱上拉 --> 高电平 1

按下：P3.x -------- 按键 -------- GND
                           电平变为 0

因此，这两个按键是低电平有效：

按键状态P3.2/P3.3 电平程序判断
松开1未按下
按下0已按下

开发板 LED 也采用低电平点亮电路。以 LED3 为例，其电流路径是 +5V → LED3 → 10 kΩ 限流电阻 → P1.2。当 P1.2=0 时，单片机引脚吸收电流，LED3 亮；当 P1.2=1 时，两端电位接近，LED3 灭。也就是说，输入和 LED 都存在“0 有效”的情况，读代码时不能把数字 1 想当然地理解为“灯亮”。

1.1.2 光敏传感器连接

光敏传感器模块有四个引脚，本实验只使用 VCC、GND、DO：

模块引脚含义本实验连接说明
VCC模块电源正极开发板 +5V给光敏电阻、LM393 和指示灯供电
GND电源地开发板 GND两块电路必须共地，电平才有共同参考
DODigital Output，数字输出单片机 P3.7只输出可直接判断的高/低电平
AOAnalog Output，模拟输出本实验不连接输出随光强连续变化的电压，需由 ADC 采样

DO 应连接单片机端口 P3.7；P3.7 是端口编号，不是 3.7 V 电源。

推荐在断电状态下接线，再依次核对：

光敏模块                         STC89C52 开发板
┌────────┐
│ VCC    ├────────────────────── +5V
│ GND    ├────────────────────── GND
│ DO     ├────────────────────── P3.7
│ AO     ├──── 本实验悬空，不接
└────────┘

这三根线缺一不可。尤其是 GND，它并不是“检测低电平的输入线”，而是供电和信号共同的零电位参考；没有共地，P3.7 看到的高低电平就不可靠。模块通常是排针，开发板也是排针或排母，可按接口选用母对母、公对母等杜邦线。公头带针，母头带孔，连接前还要核对模块丝印顺序，不能只根据线的颜色判断。

DO 与 AO 的区别如下：

  • DO 只回答“当前光强在阈值的哪一边”，结果只有 0 或 1，51 单片机普通数字口可直接读取。
  • AO 输出连续电压，能反映相对光强，但必须通过 ADC 转换成数字量。STC89C52 本身没有片上 ADC，所以本实验不接 AO；后续使用带 ADC 的 STM32 等单片机时可以读取它。
  • GND 接地不等于 DO 必然为低电平。DO 的高低由光敏分压、电位器阈值和 LM393 的比较结果共同决定。
1.1.3 光敏电阻原理

光敏电阻是一个阻值随入射光变化的元件：光越强，阻值通常越小；光越弱，阻值通常越大。模块则是在光敏电阻之外增加了分压电阻、电位器、LM393 比较器、滤波电容、上拉电阻及指示灯，使其既能输出模拟量 AO，也能输出数字量 DO。

视频展示的模块电路可简化为：

                           VCC
                            │
               ┌────────────┼──────────────┐
               │            │              │
             [10 kΩ]     [电位器 10 kΩ]   [10 kΩ 上拉]
               │            │←滑片 VREF     │
      VAO o─────●───────┐    └──────┐        ├────── DO ──> P3.7
               │       (+)          │(-)     │
          [光敏电阻]     └────── LM393 ──────┘
               │                    │   开集电极输出
              GND                  GND
               │
             [104]
               │
              GND

另一路状态指示：VCC ── 状态 LED ── 1 kΩ ── DO

图中的连线可分成五个功能部分：

  1. 光敏分压：固定 10 kΩ 电阻在上，光敏电阻在下，中点就是 AO，同时接 LM393 的同相输入 +。
  2. 阈值产生：电位器两端接 VCC 和 GND，滑片产生可调参考电压 VREF，接 LM393 的反相输入 -。
  3. 电压比较：LM393 比较 VAO 与 VREF，把连续变化的光照电压变成 0/1。
  4. 输出与指示：LM393 为开集电极输出；模块上的 10 kΩ 把 DO 上拉到 VCC。DO 被拉低时，状态 LED 的电流流向 DO，因此状态灯点亮。
  5. 滤波：标注 104 的电容通常为 100 nF，从 AO 接到 GND，用来滤掉部分高频干扰，避免光线轻微抖动立即影响比较结果。

光敏分压电压为：

$ V_{AO}=V_{CC}\times\frac{R_{LDR}}{10,\text{k}\Omega+R_{LDR}} $

其中 $R_{LDR}$ 是光敏电阻阻值。由公式可以直接看出：

  • 光变亮：$R_{LDR}$ 变小，$V_{AO}$ 降低；
  • 光变暗：$R_{LDR}$ 变大，$V_{AO}$ 升高。

电位器的作用不是改变光敏电阻，而是改变 VREF。比较器的翻转点满足 $V_{AO}\approx V_{REF}$。按图中的分压方向，阈值处的光敏电阻阻值约为：

$ R_{LDR(th)}=10,\text{k}\Omega\times\frac{V_{REF}}{V_{CC}-V_{REF}} $

所以转动电位器就是在移动“多亮才算亮”的分界线。实际调节时，可在正常环境光下慢慢旋转，找到状态灯刚好翻转的位置，再略微回调，给噪声留一点余量。

LM393 的输出不是主动输出高电平的普通推挽结构，而是一个只能把输出端拉向 GND 的开集电极晶体管：

  • 当 V+ > V- 时，输出晶体管截止，外部 10 kΩ 上拉电阻把 DO 拉成高电平；
  • 当 V+ < V- 时，输出晶体管导通，把 DO 拉成低电平；
  • 没有上拉电阻时，晶体管截止后的 DO 会悬空，无法得到稳定高电平。

把传感器电路、开发板 LED 电路和程序放在一起，可得到本实验的完整状态表：

环境光敏电阻VAO 与 VREFDO/SUN模块状态灯程序写入 LED3开发板 LED3
较亮阻值较小VAO < VREF0亮1灭
较暗阻值较大VAO > VREF1灭0亮

这也解释了源码中看似“反着写”的逻辑：SUN == 0 时执行 LED3 = 1，实际上是让低电平有效的 LED3 熄灭；SUN == 1 时执行 LED3 = 0，LED3 才点亮。该结论来自本视频所示电路和配套源码；其他模块若交换了比较器正负输入，DO 极性可能相反，应以模块原理图或实测为准。

模块上通常有两个指示灯：电源指示灯在正确接入 VCC、GND 后常亮；开关/状态指示灯跟随 DO 的吸电流状态变化。若光线在阈值附近波动，DO 可能快速来回翻转，表现为状态灯闪烁。可以重新调整阈值，或在后续程序中加入多次采样、时间确认或迟滞处理。

1.2 代码部分

视频先烧录 3.1输入检测_实验演示 的 HEX 文件观察结果，然后由已有模板/工程建立 3.2输入检测 工程。51 单片机工程在当前工具中可以使用中文名，但为了兼容其他编译器、构建脚本和跨平台路径，后续工程仍建议使用简短英文名。

新建工程时可清理旧例程的业务代码和不再使用的延时函数，但应保留本实验需要的 LED 引脚定义。头文件也要按实际调用管理：上方演示源码的延时函数调用了 _nop_()，因此需要 <intrins.h>；视频中新建的 3.2 工程若暂时没有调用 _nop_()，可以先将该头文件注释掉。不能仅凭“暂时看起来没用”删除必需声明。

上方演示源码的处理顺序是：

循环扫描
  ├─ KEY1=0？→ 延时20 ms → 等待松手 → 延时20 ms → 翻转LED1
  ├─ KEY2=0？→ 延时20 ms → 等待松手 → 延时20 ms → 翻转LED2
  └─ SUN=0？ → LED3=1（灭）
               否则 LED3=0（亮）

第一次 20 ms 延时过滤按下时的机械抖动，while (KEYx == 0); 等待松手，第二次 20 ms 延时过滤松手抖动，这样一次按压通常只翻转一次 LED。它的缺点是按键一直不松手时程序会阻塞在 while 中，其他任务暂时不能执行；这是入门实验中简单直观的写法，后续可改成非阻塞状态机。

1.2.1 写代码

本节在新工程中先保留 LED 定义，再根据电路图定义输入端。用 sbit 给位地址起名后，程序可以直接写 KEY1、KEY2、SUN，不必反复书写端口位。

需要区分“定义”和“方向配置”：经典 8051 的 P3 是准双向口，没有现代 MCU 常见的独立输入模式寄存器。要把它当输入读取，对应口线应处于写 1 的释放状态；芯片复位后的端口默认为 1，所以本例可以直接读取。若此前程序把该位写成 0，应先写 1 释放端口，否则外部按键无法把它读成正常高电平。

1.2.1.1 电路图按键定义

根据开发板原理图：

  • 按键 1（原理图 SW3）连接 P3.2，可定义为 sbit KEY1 = P3^2;。P3.2 还复用为外部中断 INT0，本实验把它当普通 GPIO 使用。
  • 按键 2（原理图 SW4）连接 P3.3，可定义为 sbit KEY2 = P3^3;。P3.3 还复用为外部中断 INT1，本实验同样把它当普通 GPIO 使用。
  • 光敏模块 DO 连接 P3.7，源码定义为 sbit SUN = P3^7;。
  • LED1～LED4 分别连接 P1.0～P1.3，并且都是低电平点亮。

电路图中的按键支路可以展开为：

                 STC89C52
              ┌────────────┐
内部弱上拉 ───┤ P3.2/INT0  ├──── SW3 ──── GND
内部弱上拉 ───┤ P3.3/INT1  ├──── SW4 ──── GND
              └────────────┘

松开：开关断开，端口由弱上拉保持为 1
按下：开关闭合，端口经开关接 GND，读到 0

这里没有把 +5V 直接通过按键送入端口，也没有在图上另画外部上拉电阻；高电平主要来自 P3 口内部的弱上拉结构。按键闭合时，电流从弱上拉经按键流向 GND，端口节点随之变为低电平。

1.2.1.2 按键结构讲解

常见四脚轻触按键内部有弹性的金属弹片。按下时弹片形变并跨接两组触点，松手后弹片恢复，因此会产生回弹力和“咔嗒”声。

四只引脚并不是四个独立触点，而是分成两个内部常通组。以开发板原理图 SW3/SW4 的编号为例：

未按下：

P3.x ─── 1 ═════ 2        1 与 2 永久相通
          ·     ·         两组之间断开
GND  ─── 3 ═════ 4        3 与 4 永久相通

按下后：

P3.x ─── 1 ═════ 2
          │     │         弹片把上下两组接通
GND  ─── 3 ═════ 4        四个脚处于同一电位

因此，按照这张开发板原理图采用的编号方式，1、2 同属 P3.x 网络，3、4 同属 GND 网络；按下按键时，两组网络才会接通。引脚的常通组合必须与当前器件采用的编号方式对应，不能混用不同封装图的编号。

另一种常见实物示意图会把同一侧两脚编号为 1、3，另一侧编号为 2、4，因此对应关系是 1、3 常通、2、4 常通。两种图描述的是同一种内部结构，只是编号与观察方向不同。设计 PCB 或接线时不能只背编号，应看当前器件的数据手册和封装图。

最可靠的确认方法是断电后用万用表蜂鸣档实测：

  1. 任取两脚，未按按键时若持续蜂鸣，它们属于同一常通组。
  2. 找到另一对未按时也持续蜂鸣的引脚，它们属于另一组。
  3. 跨两组测量，未按时应断开，按下后才蜂鸣。
  4. 测量必须在断电状态进行，避免板上其他电路形成并联通路而误判。

机械触点闭合和断开的一瞬间会反复弹跳数毫秒，单片机速度远高于机械动作，可能把一次按压读成多次。配套程序在按下和松手后各延时约 20 ms，就是软件消抖；对于需要同时处理其他任务的程序，应使用定时扫描和状态机，而不是一直阻塞等待松手。

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