一、原理簡(jiǎn)介

鍵盤(pán)接口電路是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要的一環(huán)，作為人機(jī)交互界面里最常用的輸入設(shè)備。我們可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)或命令來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)通信。在設(shè)計(jì)鍵盤(pán)電路與程序前，我們需要了解鍵盤(pán)和組成鍵盤(pán)的按鍵的一些知識(shí)。

1. 按鍵的分類(lèi)

一般來(lái)說(shuō)，按鍵按照結(jié)構(gòu)原理可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)按鍵，如機(jī)械式開(kāi)關(guān)、導(dǎo)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(yīng)按鍵等。前者造價(jià)低，后者壽命長(zhǎng)。目前，微機(jī)系統(tǒng)中最常見(jiàn)的是觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)按鍵（如本學(xué)習(xí)板上所采用按鍵）。

按鍵按照接口原理又可分為編碼鍵盤(pán)與非編碼鍵盤(pán)兩類(lèi)，這兩類(lèi)鍵盤(pán)的主要區(qū)別是識(shí)別鍵符及給出相應(yīng)鍵碼的方法。編碼鍵盤(pán)主要是用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵的識(shí)別，非編碼鍵盤(pán)主要是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)的識(shí)別。

全編碼鍵盤(pán)由專(zhuān)門(mén)的芯片實(shí)現(xiàn)識(shí)鍵及輸出相應(yīng)的編碼，一般還具有去抖動(dòng)和多鍵、竄鍵等保護(hù)電路，這種鍵盤(pán)使用方便，硬件開(kāi)銷(xiāo)大，一般的小型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)較少采用。非編碼鍵盤(pán)按連接方式可分為獨(dú)立式和矩陣式兩種，其它工作都主要由軟件完成。由于其經(jīng)濟(jì)實(shí)用，較多地應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)中（本學(xué)習(xí)板也采用非編碼鍵盤(pán)）。

2. 按鍵的輸入原理

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常使用機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵開(kāi)關(guān)，其主要功能是把機(jī)械上的通斷轉(zhuǎn)換成為電氣上的邏輯關(guān)系。也就是說(shuō)，它能提供標(biāo)準(zhǔn)的TTL 邏輯電平，以便與通用數(shù)字系統(tǒng)的邏輯電平相容。此外，除了復(fù)位按鍵有專(zhuān)門(mén)的復(fù)位電路及專(zhuān)一的復(fù)位功能外，其它按鍵都是以開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)設(shè)置控制功能或輸入數(shù)據(jù)。當(dāng)所設(shè)置的功能鍵或數(shù)字鍵按下時(shí)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)完成該按鍵所設(shè)定的功能。因此，鍵信息輸入是與軟件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的過(guò)程。 對(duì)于一組鍵或一個(gè)鍵盤(pán)，通過(guò)接口電路與單片機(jī)相連。單片機(jī)可以采用查詢(xún)或中斷方式了解有無(wú)按鍵輸入并檢查是哪一個(gè)按鍵按下，若有鍵按下則跳至相應(yīng)的鍵盤(pán)處理程序處去執(zhí)行，若無(wú)鍵按下則繼續(xù)執(zhí)行其他程序。

3. 按鍵的特點(diǎn)與去抖

機(jī)械式按鍵再按下或釋放時(shí)，由于機(jī)械彈性作用的影響，通常伴隨有一定時(shí)間的觸點(diǎn)機(jī)械抖動(dòng)，然后其觸點(diǎn)才穩(wěn)定下來(lái)。其抖動(dòng)過(guò)程如圖1（a） 所示，抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短與開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般為5 ～ 10 ms。從圖中可以看出，在觸點(diǎn)抖動(dòng)期間檢測(cè)按鍵的通與斷狀態(tài)，可能導(dǎo)致判斷出錯(cuò)。即按鍵一次按下或釋放被錯(cuò)誤地認(rèn)為是多次操作，這種情況是不允許出現(xiàn)的。為了克服按鍵觸點(diǎn)機(jī)械抖動(dòng)所致的檢測(cè)誤判，必須采取去抖動(dòng)措施，可從硬件、軟件兩方面予以考慮。一般來(lái)說(shuō)，在鍵數(shù)較少時(shí)，可采用硬件去抖，而當(dāng)鍵數(shù)較多時(shí)，采用軟件去抖。（ 本學(xué)習(xí)板采用軟件去抖方式）。軟件去抖的流程圖如圖1（b） 所示。

圖1

從按鍵的去抖流程圖我們可以知道，檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，應(yīng)延時(shí)等待一段時(shí)間（可調(diào)用一個(gè)5ms~10ms的延遲子程序），然后再次判斷按鍵是否被按下，若此時(shí)判斷按鍵仍被按下，則認(rèn)為按鍵有效，若此時(shí)判斷按鍵沒(méi)有被按下，說(shuō)明為按鍵抖動(dòng)或干擾，應(yīng)返回重新判斷。鍵盤(pán)真正被按下才可進(jìn)行相應(yīng)的處理程序，此時(shí)基本就算實(shí)現(xiàn)了按鍵輸入，進(jìn)一步的話可以判斷按鍵是否釋放。

二、電路詳解

電路圖如圖2 所示。

圖2

從圖2 中可知獨(dú)立式按鍵采用每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O 口線結(jié)構(gòu)。當(dāng)按下和釋放按鍵時(shí)，輸入到單片機(jī)I/O 端口的電平是不一樣的，因此可以根據(jù)不同端口電平的變化判斷是否有按鍵按下以及是哪一個(gè)按鍵按下。從圖2（a） 中可以看出，按鍵和單片機(jī)引腳連接并加了上拉電阻，這樣當(dāng)沒(méi)有按鍵按下的時(shí)候，I/O 輸入的電平是高電平，當(dāng)有按鍵按下的時(shí)候，I/O 輸入的電平是低電平。

雖然獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但每個(gè)按鍵必須占用一根I/O 口線，因此，在按鍵較多時(shí)，I/O 口線浪費(fèi)較大。對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng)或按鍵比較多的場(chǎng)合，可以用到矩陣鍵盤(pán)，圖2（b） 中所示的為4×4的矩陣式鍵盤(pán)，其他矩陣式鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)方法類(lèi)似。

4×4 的矩陣式鍵盤(pán)由4 根行線和4 根列線交叉構(gòu)成，按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上，這樣就構(gòu)成了16 個(gè)按鍵。其中交叉點(diǎn)的行列線是不連接的，當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，此交叉點(diǎn)處的行線和列線導(dǎo)通。圖2（b） 行線通過(guò)上拉電阻接到VCC 上。當(dāng)無(wú)鍵按下時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)；當(dāng)有鍵按下時(shí)，行、列線在交點(diǎn)導(dǎo)通，此時(shí)，行線電平將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。這是識(shí)別按鍵是否按下的關(guān)鍵。然而，矩陣鍵盤(pán)中的每條行線與4 條列線相交，交點(diǎn)的按鍵按下與否均影響該鍵所在行線和列線的電平，各按鍵間將相互影響，鍵分析時(shí)必須將行線、列線信號(hào)配合起來(lái)作適當(dāng)處理，才能確定閉合鍵的位置。

值得注意的是本文介紹的矩陣鍵盤(pán)，在傳統(tǒng)的矩陣鍵盤(pán)的輸出端加了一個(gè)四輸入與門(mén)芯片74HC21。當(dāng)四路輸入有一個(gè)為低電平的時(shí)候，輸出為低電平。將74HC21 的輸出端接到單片機(jī)的外部中斷0（P32 管腳）上，這樣在實(shí)時(shí)性要求較高的情況下，設(shè)P00~P03 為全低等待按鍵觸發(fā)，當(dāng)任何一個(gè)按鍵按下的情況下，系統(tǒng)都會(huì)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，提高了鍵盤(pán)響應(yīng)時(shí)間，在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高的情況下非常實(shí)用。本文的全部源程序見(jiàn)www.ele169.com。

三、程序設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)實(shí)例關(guān)鍵程序如下。

獨(dú)立按鍵程序

……

#define keyio P0 （ 1）

#define key1 P0_3 （ 2）

……

keyio|=0X0F; （ 3）

if（key1==0） （ 4）

{

delay_nms（20）； （ 5）

if（key1==0） （ 6）

{

while（key1==0）； （ 7）

return 1; （ 8）

}

}

程序說(shuō)明：

（1）定義按鍵管腳。

（2）定義按鍵連接管腳。

（3）將按鍵連接管腳輸出高電平，從而接收輸入。

（4）如果此時(shí)管腳所連接按鍵被按下。

（5）延時(shí)一段時(shí)間，去抖作業(yè)。

（6）如果此時(shí)按鍵仍然被按下，此時(shí)按鍵有效。

（7）等待按鍵抬起，死循環(huán)，如果按鍵一直按下則一直等待。

（8）返回鍵值。矩陣鍵盤(pán)程序

……

#define KEYIO P0 （ 1）

……

code ksp[4]={0x7F,0xBF,0xDF,0xEF}; （ 2）

unsigned char keypad_scan（） （ 3）

{

char key,i; （ 4）

KEYIO=0xF0; （ 5）

if （KEYIO!=0xF0） （ 6）

{

for（i=0;i<=3;i++） （ 7）

{

delaykey（10）； （ 8）

KEYIO=ksp[i]; （ 9）

delaykey（10）； （ 10）

if（KEYIO!=ksp[i]） （ 11）

{

delaykey（10）； （ 12）

key=KEYIO; （ 13）

while（KEYIO==key）； （ 14）

return（key）； （ 15）

}

}

}

}

程序說(shuō)明：

（1）定義矩陣鍵盤(pán)管腳。

（2）將掃描時(shí)用到的管腳四種輸出電平狀態(tài)定義成一個(gè)數(shù)組。

（3）按鍵掃描程序。

（4）定義兩個(gè)臨時(shí)變量key,i。

（5）讓鍵盤(pán)管腳的高四位輸出高電平，第四位為低電平，為掃描按鍵準(zhǔn)備。

（6）如果此時(shí)管腳狀態(tài)電平發(fā)生變化。

（7）將之前定義的數(shù)組中的值賦予管腳，開(kāi)始逐次掃描。

（8）延時(shí)一段時(shí)間，去抖。

（9）輸出掃描按鍵的電平。

（10）再延時(shí)一段時(shí)間。

（11）如果此時(shí)按鍵管腳電平依舊不是輸出的默認(rèn)電平，表示有鍵按下。

（12）延時(shí)一段時(shí)間，讓電平穩(wěn)定。

（13）讀取當(dāng)前按鍵管腳電平，即鍵值。

（14）等待按鍵抬起，死循環(huán)，如果按鍵一直按下則一直等待。

（15）返回鍵值。

四、調(diào)試要點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

接好硬件，通過(guò)冷啟動(dòng)方式將程序所生成的。hex文件下載到單片機(jī)運(yùn)行后，打開(kāi)串口調(diào)試助手軟件，設(shè)置好波特率9600，復(fù)位單片機(jī)，然后按下板上的4×4按鍵中的任意一個(gè)，并注意觀串口調(diào)試助手上的顯示。（見(jiàn)圖3），可以觀察到在接收窗口有按鍵的數(shù)據(jù)顯示。

圖3 按鍵通過(guò)串口調(diào)試助手顯示界面

此外，在本文所附的實(shí)驗(yàn)程序中，其中與串口通信中調(diào)用了發(fā)送字符函數(shù)與發(fā)送字符串函數(shù)。在沒(méi)有仿真器和遇到需要顯示一些提示信息的時(shí)候，可以采用串口打印的方式，這樣不僅直觀方便而且不增加其他成本。

五、總結(jié)

本文介紹了單片機(jī)外接鍵盤(pán)的工作原理并給出了實(shí)例，通過(guò)該文，我們可以知道一個(gè)完善的鍵盤(pán)控制程序應(yīng)具備以下功能：

（1） 檢測(cè)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(jī)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(duì)任何按鍵的操作對(duì)系統(tǒng)不產(chǎn)生影響，且無(wú)論一次按鍵時(shí)間有多長(zhǎng)，系統(tǒng)僅執(zhí)行一次按鍵功能程序。

（3） 準(zhǔn)確輸出按鍵值（或鍵號(hào)），以滿足按鍵功能要求。對(duì)于矩陣鍵盤(pán)而言，必須將行線、列線信號(hào)配合起來(lái)作適當(dāng)處理，才能確定閉合鍵的位置。

此外，按鍵的掃描方式有多種，本文中所述的是程序掃描方式，另外常見(jiàn)的還有定時(shí)掃描方式和中斷掃描方式，這些方式均可以在本學(xué)習(xí)板上實(shí)現(xiàn)，因此希望讀者結(jié)合前幾講的知識(shí)，自行進(jìn)行程序的編寫(xiě)與調(diào)試。