消除開關彈跳現象（de-bounce）、Timer delay、功能選單，以新唐N76S003為例

2月 03, 2025

新年快樂，這是003Clock系列的第三篇文章，前兩篇沒跟上的記得回追一下喔！

（一）製作新唐N76E003/N76S003白光LED電子時鐘套件
（二）以VS Code, SDCC, Git建立新唐8051編譯環境
（三）新唐N76E003/N76S003白光LED電子時鐘套件韌體技巧說明
Part 1：消除開關彈跳現象（de-bounce）、Timer delay、功能選單，以新唐N76S003為例
Part 2：Timer auto-reload產生中斷來精確計時，以函式指標（unction pointer）切換中斷服務程式的功能
Part 3：以N76S003的SPI控制PT6961白光LED七段顯示器
（四）免用燒錄器更新韌體：NuMicro ISP Programming Tool

接下來要介紹003Clock的韌體技巧，文章寫到一半發現內容實在太多了，還是將它分為三篇來說明。完整程式碼請見GitHub source code。https://github.com/danchouzhou/003Clock/blob/4cb1b697c0290f18e6e634b82753c02781767a5e/firmware/003Clock/main.c

開關除彈跳（de-bounce）

彈跳現象

理想的觸摸開關（Tact switch）應該是按下去形成導通，放開恢復為斷路。但實際上因為由機械構造組成的開關，在切換過程中會有一段時間像是彈簧一樣，接點反覆地開開合合，產生短暫的不穩定的情形，稱之為「彈跳現象」。這段不穩定的時間一般都會在50 ms以內結束。

如下圖所示，雖然我們只按了一下開關，但是卻測量到數個脈波。以前實習課拿開關當成計數器時脈的讀者一定很有經驗，這種信號送進計數器，按一下肯定不是乖乖加1而已。在韌體中單純在一個迴圈不斷用if確認開關的邏輯電位，也會讀到數個脈波，誤認按了好幾次，一定會降低使用者體驗的，因此開關除彈跳在設計上是必要的。

硬體除彈跳

開關除彈跳有人會從硬體著手，在開關兩端直接並聯上一顆電容，直接與上拉電阻形成一個RC低通濾波器，這個方法很適合用在一些純硬體的電路上。

軟體除彈跳

微控制器其中一個有趣的地方就是，很多電路上遇到的問題，原先要用硬體解決的事情，運用微控制器則可以用軟體去解決。像我自己就喜歡用軟體除彈跳，除了可以節省硬體成本，要調整參數時也直接改韌體就好，相當方便。

最簡單的處理方式也許就是在程式中加上一個夠長的delay，讓程式慢下來。但是這樣難以和使用者操作同步，比方這邊delay一秒，當使用者一秒內連續按個三次，也只會執行一次if中的內容；或者delay 100 ms，當使用者按一次會因為執行速度太快，重複執行好幾次if中的內容。

if (!SW1) {
    /* SW1 pressed */
}
delay(1000);

要解決同步問題，就是像下面一樣，開關按下去以後等開關穩定以後，再用while原地等待使用者放開開關。

if (!SW1) {
    /* SW1 pressed */
    delay(20);
    while (!SW1);
}

上述兩種方式都有個共同缺點，就是會讓程式停下來等開關，在等待的期間沒辦法做其他事情。以003Clock的應用來說可能沒事，因為七段顯示器是由內建的IC PT6961掃描驅動的，顯示的內容也是在Timer 3中斷服務程式中進行更新。

像是之前的應用範例，直接以MCU掃描驅動標準的七段顯示器，停下來等開關同時也會讓掃描停下來，顯示就會異常。總之，佔著CPU資源停下來等絕對不是件好事。

Non-blocking軟體除彈跳，還能分辨長按與短按

003Clock只有一個觸摸開關，功能選單是以開關長按與短按來區分[設定/確認]和[調整]來設計，因此軟體除了要能夠除彈跳之外，還要能分辨長按與短按。回顧第一篇提到的操作方式：

- 單一按鈕操作介面，操作直覺，不會久了忘記每顆按鈕是什麼功能
- 短按開關依序切換顯示模式: 時鐘(時針:分針) > 時鐘秒針 > 計時器(最多99分59秒)
- 持續按著開關大於兩秒為長按，時間模式長按可設定時間，設定完畢時間的秒針會自動歸零；計時器模式長按將計時器歸零
- 切換顯示模式後，程式都會在背景繼續計時，例如: 切換為顯示時間，計時器仍會繼續計時，下次切換成計時器，能夠正確顯示計時器時間

在這裡我就想了一個方法，在一個1 ms的迴圈不斷去判斷開關的邏輯電位，是0的話（按下去為0）就將u16swCount這個計數值加1，超過2000視為長按；放開以後邏輯電位變成1，判斷看看計數值是否介於20 ~ 2000，將這個區間定義為短按。由於迴圈以1 ms為單位，因此計數值與開關按下的時間有直接的關係。這邊計數值設為20就表示低電位信號要持續保持20 ms才視為短按的有效信號，而持續超過2000 ms（2秒鐘）則視為長按。

while(1)
{
    if (!SW1) {
        u16swCount++;
        if (u16swCount == 2000)
            /* long press */
    }
 
    if (SW1) {
        if (u16swCount > 20 && u16swCount < 2000)
            /* short press */
        u16swCount = 0;
    }
 
    /* 1 ms delay */
    delay(1);
}

Timer delay

那麼1 ms的迴圈怎麼產生？那就是加delay！在8051自己從底層寫就不像Arduino那麼方便，能直接呼叫delay()函式。但是不用擔心，了解原理以後就能如魚得水。

寫組合語言時，由於程式開發者還能充分掌握CPU到底執行了哪些指令，且每條指令都查得到它要花幾個clock cycle，因此能夠寫一個迴圈執行一定次數的NOP指令，達到delay的功能。

在C語言我們可以用空的for迴圈做delay，大致能夠評估for迴圈執行幾次、要多久時間。不過，我們很難掌握編譯器把我們寫的高階語言編出什麼東西來；即便真的很熟悉編譯器了，也可能在換了一個版本的編譯器，編出來的內容有所差異（編譯器能保證程式邏輯正確，但不能保證執行時間、效率），這會讓程式很難維護。所以希望delay時間準確的話，我們就要依靠MCU中的硬體計時器（Timer）來計時。

在標準型號的8051就有提供Timer 0和1，2組計時器。如下表，2組計時器都有Mode 0～3，4種運作模式，它們都是上數計數器。詳細內容還請讀者看一下N76S003手冊中的說明：

https://www.nuvoton.com/export/resource-files/en-us--TRM_N76S003_Series_EN_Rev1.00.pdf#page=226

TMOD		Mode	Description
M1	M0	Mode	Description
0	0	0	13-bit timer (to compatible with the predecessor 8048) THx and TLx are combined into a 13-bit counter. The upper three bits of TLx are ignored in this mode.
0	1	1	16-bit timer THx and TLx are combined into a 16-bit counter.
1	0	2	8-bit auto reload timer THx holds the reload value, TLx as counter. Reload THx value automatically while TLx overflow.
1	1	3	Two separate 8-bit timers THx and TLx operate independently as two 8-bit counters.

基本上Timer的運作就是溢位時，硬體會自己將timer overflow flag ‘TFx’設為1，那麼怎麼用Timer做到delay的功能？比方這邊我們要產生一個1 ms的delay，就可以來算算看多少個時脈數目是1 ms，將溢位數值扣除算出的時脈數目預先填入Timer當中，然後用一個while迴圈原地等待，直到Timer溢位，TFx變為1為止，即可做到delay的功能。

我使用Timer 0來做delay的功能，首先從CKCON這個暫存器將Timer 0的時脈來源從預設的Fsys/12，改為直接從Fsys輸入，Fsys就是003Clock電路中的震盪器16 MHz。16 MHz的週期是1 / 16 MHz，如果要產生1 ms的delay就需要16000個時脈。

1 / 16 MHz x 16000 = 1 ms

16000個時脈需要Mode 1的16-bit才算得到，所以從TMOD將Timer 0模式選擇成Mode 1，由TH0和TL0組合成一個16-bit的Timer。16-bit溢位數值65536扣除16000就是49536，將TH0和TL0分別填入49536的高8位元與低8位元。TCON & 0x20是從TCON這的暫存器中提取出TF0 -- Timer 0的溢位旗標，溢位時硬體會自己把這個旗標設為1，用while迴圈原地等待直到TF0變為1。最後要記得把TF0清為0，清除時是要由軟體介入將溢位旗標清除。

CKCON |= 0x08; // Timer 0 source from Fsys directly
TMOD |= 0x01; // Timer 0 mode 1
TCON |= 0x10; // Timer 0 run
 
/* 1 ms delay */
TH0 = (uint8_t)(49536 >> 8); // 65536 - 16000
TL0 = (uint8_t)(49536 & 0xFF);
while (!(TCON & 0x20)); // Wait until timer 0 overflow
TCON &= 0xDF; // Clear TF0

有仔細看完整程式碼的讀者，會發現填入TH0、TL0與while等待的順序實際上是反過來的，這麼做是為了增加delay的準確性。填入TH0、TL0後才回到整個while迴圈的開頭，這會讓程式執行的同時Timer 0也正在計時我們設定的1 ms，也就是程式執行花費的時間也會納入1 ms的計算，使整個while迴圈幾乎就是1 ms執行一次。

while(1)
{
    if (!SW1) {
        u16swCount++;
        if (u16swCount == 2000)
            /* long press */
    }
 
    if (SW1) {
        if (u16swCount > 20 && u16swCount < 2000)
            /* short press */
        u16swCount = 0;
    }
 
    /* 1 ms delay */
    while (!(TCON & 0x20)); // Wait until timer 0 overflow
    TH0 = (uint8_t)(49536 >> 8); // 65536 - 16000
    TL0 = (uint8_t)(49536 & 0xFF);
    TCON &= 0xDF; // Clear TF0
}

功能選單

003Clock包含了顯示時間、設定時間、讀秒、計時器等功能，因此我就在主程式迴圈中用switch case來切換，並由變數u8mode來選擇顯示時間、設定時間、秒針顯示、計時器等功能。u8mode會在長按觸摸開關時加1，在部分case之下也會直接改變u8mode的值，例如case 4設定完分鐘長按進入case 5，在case 5中就會將u8mode設為0，下次執行迴圈時就會執行case 0中顯示時間的功能。

switch (u8mode)	功能說明
case 0:	顯示時間
case 1:	關閉Timer 3中斷停止計時、設定時間小時十位數
case 2:	設定時間小時個位數
case 3:	設定時間分鐘十位數
case 4:	設定時間分鐘個位數
case 5:	將秒針歸零、啟動Timer 3中斷開始計時、將u8mode設為0（顯示時間）
case 6:	顯示秒針
case 7:	留空，會去執行default: 中的程式
case 8:	顯示計時器（00分00秒～99分59秒）
case 9:	將計時器歸零
default:	將u8mode設為0（顯示時間）

以下是選單程式的架構：

void main()
{
    uint16_t u16swCount = 0;
    uint8_t u8mode = 0;
 
    while(1)
    {
        if (!SW1) {
            u16swCount++;
            if (u16swCount == 2000) /* long press */
                u8mode++;
        }
 
        switch (u8mode) {
            case 0:
                if (SW1) {
                    if (u16swCount > 20 && u16swCount < 2000) /* short press */
                        u8mode = 6;
                    u16swCount = 0;
                }
                break;
 
            case 1:
                EIE1 &= 0xFD; // Disable timer 3 interrupt
                showSetup(u8mode);
                if (SW1) {
                    if (u16swCount > 20 && u16swCount < 2000) {
                        if (time.hour < 14)
                            time.hour += 10;
                        else if (time.hour < 20)
                            time.hour = 20;
                        else
                            time.hour -= 20;
                    }
                    u16swCount = 0;
                }
                break;
            
            case 2:
                ...
                break;
 
            ...
        }
 
        /* 1 ms delay */
        while (!(TCON & 0x20)); // Wait until timer 0 overflow
        TH0 = (uint8_t)(49536 >> 8); // 65536 - 16000
        TL0 = (uint8_t)(49536 & 0xFF);
        TCON &= 0xDF; // Clear TF0
    }
}

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