單片機基礎：鍵盤(pán)接口原理詳解

技術(shù)小白

單片機基礎：鍵盤(pán)接口原理詳解


1. 鍵的分類(lèi)


按鍵按照結構原理可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)按鍵，如機械式開(kāi)關(guān)、導電橡膠式開(kāi)關(guān)等;另一類(lèi)是無(wú)觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)按鍵，如電氣式按鍵，磁感應按鍵等。前者造價(jià)低，后者壽命長(cháng)。目前，微機系統中最常見(jiàn)的是觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)按鍵。


2.輸入原理


在單片機應用系統中，除了復位按鍵有專(zhuān)門(mén)的復位電路及專(zhuān)一的復位功能外，其它按鍵都是以開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)設置控制功能或輸入數據的。當所設置的功能鍵或數字鍵按下時(shí)，計算機應用系統應完成該按鍵所設定的功能，鍵信息輸入是與軟件結構密切相關(guān)的過(guò)程。

對于一組鍵或一個(gè)鍵盤(pán)，總有一個(gè)接口電路與CPU相連。CPU可以采用查詢(xún)或中斷方式了解有無(wú)將鍵輸入，并檢查是哪一個(gè)鍵按下，將該鍵號送入累加器ACC，然后通過(guò)跳轉指令轉入執行該鍵的功能程序，執行完后再返回主程序


3.按鍵結構與特點(diǎn)


微機鍵盤(pán)通常使用機械觸點(diǎn)式按鍵開(kāi)關(guān)，其主要功能是把機械上的通斷轉換成為電氣上的邏輯關(guān)系。也就是說(shuō)，它能提供標準的TTL邏輯電平，以便與通用數字系統的邏輯電平相容。

機械式按鍵再按下或釋放時(shí)，由于機械彈性作用的影響，通常伴隨有一定時(shí)間的觸點(diǎn)機械抖動(dòng)，然后其觸點(diǎn)才穩定下來(lái)。其抖動(dòng)過(guò)程如下圖所示，抖動(dòng)時(shí)間的長(cháng)短與開(kāi)關(guān)的機械特性有關(guān)，一般為5~10 ms。

在觸點(diǎn)抖動(dòng)期間檢測按鍵的通與斷狀態(tài)，可能導致判斷出錯，即按鍵一次按下或釋放被錯誤地認為是多次操作，這種情況是不允許出現的。為了克服按鍵觸點(diǎn)機械抖動(dòng)所致的檢測誤判，必須采取去抖動(dòng)措施。這一點(diǎn)可從硬件、軟件兩方面予以考慮。在鍵數較少時(shí)，可采用硬件去抖，而當鍵數較多時(shí)，采用軟件去抖。


4. 按鍵編碼


一組按鍵或鍵盤(pán)都要通過(guò)I/O口線(xiàn)查詢(xún)按鍵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。根據鍵盤(pán)結構的不同，采用不同的編碼。無(wú)論有無(wú)編碼，以及采用什么編碼，最后都要轉換成為與累加器中數值相對應的鍵值，以實(shí)現按鍵功能程序的跳轉。


5. 制鍵盤(pán)程序


一個(gè)完善的鍵盤(pán)控制程序應具備以下功能：

(1) 檢測有無(wú)按鍵按下，并采取硬件或軟件措施，消除鍵盤(pán)按鍵機械觸點(diǎn)抖動(dòng)的影響。

(2) 有可靠的邏輯處理辦法。每次只處理一個(gè)按鍵，其間對任何按鍵的操作對系統不產(chǎn)生影響，且無(wú)論一次按鍵時(shí)間有多長(cháng)，系統僅執行一次按鍵功能程序。

(3) 準確輸出按鍵值(或鍵號)，以滿(mǎn)足跳轉指令要求。

獨立式按鍵

單片機控制系統中，往往只需要幾個(gè)功能鍵，此時(shí)，可采用獨立式按鍵結構。


1.獨立式按鍵結構


獨立式按鍵是直接用I/O口線(xiàn)構成的單個(gè)按鍵電路，其特點(diǎn)是每個(gè)按鍵單獨占用一根I/O口線(xiàn)，每個(gè)按鍵的工作不會(huì )影響其它I/O口線(xiàn)的狀態(tài)。獨立式按鍵的典型應用如圖7.4所示。
獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結構簡(jiǎn)單，但每個(gè)按鍵必須占用一根I/O口線(xiàn)，因此，在按鍵較多時(shí)，I/O口線(xiàn)浪費較大，不宜采用。


2. 立式按鍵的軟件結構

獨立式按鍵的軟件常采用查詢(xún)式結構。先逐位查詢(xún)每根I/O口線(xiàn)的輸入狀態(tài)，如某一根I/O口線(xiàn)輸入為低電平，則可確認該I/O口線(xiàn)所對應的按鍵已按下，然后，再轉向該鍵的功能處理程序。

矩陣式按鍵

單片機系統中，若使用按鍵較多時(shí)，通常采用矩陣式(也稱(chēng)行列式)鍵盤(pán)。


1. 矩陣式鍵盤(pán)的結構及原理


矩陣式鍵盤(pán)由行線(xiàn)和列線(xiàn)組成，按鍵位于行、列線(xiàn)的交叉點(diǎn)上，其結構如下圖所示。

由圖可知，一個(gè)4×4的行、列結構可以構成一個(gè)含有16個(gè)按鍵的鍵盤(pán)，顯然，在按鍵數量較多時(shí)，矩陣式鍵盤(pán)較之獨立式按鍵鍵盤(pán)要節省很多I/O口。

矩陣式鍵盤(pán)中，行、列線(xiàn)分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端，行線(xiàn)通過(guò)上拉電阻接到+5V上。當無(wú)鍵按下時(shí)，行線(xiàn)處于高電平狀態(tài);當有鍵按下時(shí)，行、列線(xiàn)將導通，此時(shí)，行線(xiàn)電平將由與此行線(xiàn)相連的列線(xiàn)電平?jīng)Q定。這是識別按鍵是否按下的關(guān)鍵。然而，矩陣鍵盤(pán)中的行線(xiàn)、列線(xiàn)和多個(gè)鍵相連，各按鍵按下與否均影響該鍵所在行線(xiàn)和列線(xiàn)的電平，各按鍵間將相互影響，因此，必須將行線(xiàn)、列線(xiàn)信號配合起來(lái)作適當處理，才能確定閉合鍵的位置。


2.式鍵盤(pán)按鍵的識別


識別按鍵的方法很多，其中，最常見(jiàn)的方法是掃描法。
按鍵按下時(shí)，與此鍵相連的行線(xiàn)與列線(xiàn)導通，行線(xiàn)在無(wú)鍵按下時(shí)處在高電平。顯然，如果讓所有的列線(xiàn)也處在高電平，那么，按鍵按下與否不會(huì )引起行線(xiàn)電平的變化，因此，必須使所有列線(xiàn)處在低電平。只有這樣，當有鍵按下時(shí)，該鍵所在的行電平才會(huì )由高電平變?yōu)榈碗娖�。CPU根據行電平的變化，便能判定相應的行有鍵按下。


3. 盤(pán)的編碼


對于獨立式按鍵鍵盤(pán)，因按鍵數量少，可根據實(shí)際需要靈活編碼。對于矩陣式鍵盤(pán)，按鍵的位置由行號和列號惟一確定，因此可分別對行號和列號進(jìn)行二進(jìn)制編碼，然后將兩值合成一個(gè)字節，高4位是行號，低4位是列號。


4. 鍵盤(pán)的工作方式


對鍵盤(pán)的響應取決于鍵盤(pán)的工作方式，鍵盤(pán)的工作方式應根據實(shí)際應用系統中CPU的工作狀況而定，其選取的原則是既要保證CPU能及時(shí)響應按鍵操作，又不要過(guò)多占用CPU的工作時(shí)間。通常，鍵盤(pán)的工作方式有三種，即編程掃描、定時(shí)掃描和中斷掃描。

1) 編程掃描方式

編程掃描方式是利用CPU完成其它工作的空余時(shí)間，調用鍵盤(pán)掃描子程序來(lái)響應鍵盤(pán)輸入的要求。在執行鍵功能程序時(shí)，CPU不再響應鍵輸入要求，直到CPU重新掃描鍵盤(pán)為止。

2) 定時(shí)掃描方式

定時(shí)掃描方式就是每隔一段時(shí)間對鍵盤(pán)掃描一次，它利用單片機內部的定時(shí)器產(chǎn)生一定時(shí)間(例如10 ms)的定時(shí)，當定時(shí)時(shí)間到就產(chǎn)生定時(shí)器溢出中斷。CPU響應中斷后對鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，并在有鍵按下時(shí)識別出該鍵，再執行該鍵的功能程序。

3) 中斷掃描方式

采用上述兩種鍵盤(pán)掃描方式時(shí)，無(wú)論是否按鍵，CPU都要定時(shí)掃描鍵盤(pán)，而單片機應用系統工作時(shí)，并非經(jīng)常需要鍵盤(pán)輸入，因此，CPU經(jīng)常處于空掃描狀態(tài)。

為提高CPU工作效率，可采用中斷掃描工作方式。其工作過(guò)程如下：當無(wú)鍵按下時(shí)，CPU處理自己的工作，當有鍵按下時(shí)，產(chǎn)生中斷請求，CPU轉去執行鍵盤(pán)掃描子程序，并識別鍵號。

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