一碌尔、原理簡介
鍵盤接口電路是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要的一環(huán)浇辜，作為人機(jī)交互界面里最常用的輸入設(shè)備。我們可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令來實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)通信柳洋。在設(shè)計(jì)鍵盤電路與程序前，我們需要了解鍵盤和組成鍵盤的按鍵的一些知識(shí)测蹲。
1. 按鍵的分類
一般來說，按鍵按照結(jié)構(gòu)原理可分為兩類，一類是觸點(diǎn)式開關(guān)按鍵种远，如機(jī)械式開關(guān)妙同、導(dǎo)電橡膠式開關(guān)等限次；另一類是無觸點(diǎn)式開關(guān)按鍵，如電氣式按鍵，磁感應(yīng)按鍵等柏卤。前者造價(jià)低钧唐，后者壽命長酸舍。目前，微機(jī)系統(tǒng)中最常見的是觸點(diǎn)式開關(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與非編碼鍵盤兩類，這兩類鍵盤的主要區(qū)別是識(shí)別鍵符及給出相應(yīng)鍵碼的方法。編碼鍵盤主要是用硬件來實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵的識(shí)別，非編碼鍵盤主要是由軟件來實(shí)現(xiàn)鍵盤的識(shí)別柒桑。
全編碼鍵盤由專門的芯片實(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，這種鍵盤使用方便该溯，硬件開銷大氯庆，一般的小型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)較少采用。非編碼鍵盤按連接方式可分為獨(dú)立式和矩陣式兩種洞豁，其它工作都主要由軟件完成志电。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）咧叭。
2. 按鍵的輸入原理
在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中吉挣，通常使用機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵開關(guān)镀赌，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，它能提供標(biāo)準(zhǔn)的TTL 邏輯電平闲延，以便與通用數(shù)字系統(tǒng)的邏輯電平相容。此外想暗，除了復(fù)位按鍵有專門的復(fù)位電路及專一的復(fù)位功能外，其它按鍵都是以開關(guān)狀態(tài)來設(shè)置控制功能或輸入數(shù)據(jù)捣郊。當(dāng)所設(shè)置的功能鍵或數(shù)字鍵按下時(shí)着茸，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)的過程碱工。 對(duì)于一組鍵或一個(gè)鍵盤，通過接口電路與單片機(jī)相連梳猪。單片機(jī)可以采用查詢或中斷方式了解有無按鍵輸入并檢查是哪一個(gè)按鍵按下扫责，若有鍵按下則跳至相應(yīng)的鍵盤處理程序處去執(zhí)行，若無鍵按下則繼續(xù)執(zhí)行其他程序拾碌。
3. 按鍵的特點(diǎn)與去抖
機(jī)械式按鍵再按下或釋放時(shí)蔫敲，由于機(jī)械彈性作用的影響尽狠，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)定下來接癌。其抖動(dòng)過程如圖1（a） 所示，抖動(dòng)時(shí)間的長短與開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)座享，一般為5 ～ 10 ms。從圖中可以看出缀雳，在觸點(diǎn)抖動(dòng)期間檢測按鍵的通與斷狀態(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)為是多次操作刊侯，這種情況是不允許出現(xiàn)的辜羊。為了克服按鍵觸點(diǎn)機(jī)械抖動(dòng)所致的檢測誤判，必須采取去抖動(dòng)措施它抱，可從硬件、軟件兩方面予以考慮克锣。一般來說巾乳，在鍵數(shù)較少時(shí)肢础，可采用硬件去抖，而當(dāng)鍵數(shù)較多時(shí)迹冤，采用軟件去抖泡徙。（ 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） 所示苏章。
從按鍵的去抖流程圖我們可以知道，檢測到有鍵按下時(shí)兔毙，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）叙量，然后再次判斷按鍵是否被按下酸些，若此時(shí)判斷按鍵仍被按下，則認(rèn)為按鍵有效檐蚜，若此時(shí)判斷按鍵沒有被按下魄懂，說明為按鍵抖動(dòng)或干擾，應(yīng)返回重新判斷闯第。鍵盤真正被按下才可進(jìn)行相應(yīng)的處理程序市栗，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咳短。
二填帽、電路詳解
電路圖如圖2 所示。
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)咙好。當(dāng)按下和釋放按鍵時(shí)篡腌，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)按鍵按下勾效。從圖2（a） 中可以看出嘹悼，按鍵和單片機(jī)引腳連接并加了上拉電阻，這樣當(dāng)沒有按鍵按下的時(shí)候葵第，I/O 輸入的電平是高電平绘迁，當(dāng)有按鍵按下的時(shí)候，I/O 輸入的電平是低電平卒密。
雖然獨(dú)立式按鍵電路配置靈活缀台，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個(gè)按鍵必須占用一根I/O 口線哮奇，因此膛腐，在按鍵較多時(shí)，I/O 口線浪費(fèi)較大鼎俘。對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng)或按鍵比較多的場合哲身，可以用到矩陣鍵盤，圖2（b） 中所示的為4×4的矩陣式鍵盤贸伐，其他矩陣式鍵盤的設(shè)計(jì)方法類似勘天。
4×4 的矩陣式鍵盤由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)按鍵脯丝。其中交叉點(diǎn)的行列線是不連接的商膊，當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，此交叉點(diǎn)處的行線和列線導(dǎo)通宠进。圖2（b） 行線通過上拉電阻接到VCC 上晕拆。當(dāng)無鍵按下時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)材蹬；當(dāng)有鍵按下時(shí)实幕，行、列線在交點(diǎn)導(dǎo)通堤器，此時(shí)昆庇，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)鍵闸溃。然而凰锡，矩陣鍵盤中的每條行線與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圈暗，各按鍵間將相互影響掂为，鍵分析時(shí)必須將行線、列線信號(hào)配合起來作適當(dāng)處理员串，才能確定閉合鍵的位置勇哗。
值得注意的是本文介紹的矩陣鍵盤，在傳統(tǒng)的矩陣鍵盤的輸出端加了一個(gè)四輸入與門芯片74HC21寸齐。當(dāng)四路輸入有一個(gè)為低電平的時(shí)候欲诺，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）上渺鹦，這樣在實(shí)時(shí)性要求較高的情況下扰法，設(shè)P00~P03 為全低等待按鍵觸發(fā)，當(dāng)任何一個(gè)按鍵按下的情況下毅厚，系統(tǒng)都會(huì)進(jìn)入中斷服務(wù)程序塞颁，提高了鍵盤響應(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)用吸耿。
三祠锣、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）
}
}
程序說明：
（1）定義按鍵管腳戒财。
（2）定義按鍵連接管腳。
（3）將按鍵連接管腳輸出高電平陶珠，從而接收輸入才顿。
（4）如果此時(shí)管腳所連接按鍵被按下边臼。
（5）延時(shí)一段時(shí)間磷斧，去抖作業(yè)动分。
（6）如果此時(shí)按鍵仍然被按下馋评，此時(shí)按鍵有效。
（7）等待按鍵抬起刺啦，死循環(huán)，如果按鍵一直按下則一直等待纠脾。
（8）返回鍵值玛瘸。矩陣鍵盤程序
……
#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）苟蹈； （ 10）
if（KEYIO!=ksp[i]） //不等于ox（ 11）
{
delaykey（10）糊渊； （ 12）
key=KEYIO; （ 13）
while（KEYIO==key）； （ 14）
return（key）慧脱； （ 15）
}
}
}
}
程序說明：
（1）定義矩陣鍵盤管腳渺绒。
（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。//確定第幾列數(shù)
（3）按鍵掃描程序菱鸥。
（4）定義兩個(gè)臨時(shí)變量key,i宗兼。
（5）讓鍵盤管腳的高四位輸出高電平，低四位為低電平氮采，為掃描按鍵準(zhǔn)備殷绍。
（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)組中的值賦予管腳鹊漠，開始逐次掃描主到。
（8）延時(shí)一段時(shí)間，去抖躯概。
（9）輸出掃描按鍵的電平登钥。
（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)電平娶靡，表示有鍵按下牧牢。
（12）延時(shí)一段時(shí)間，讓電平穩(wěn)定姿锭。
（13）讀取當(dāng)前按鍵管腳電平结执，即鍵值。
（14）等待按鍵抬起艾凯，死循環(huán)献幔，如果按鍵一直按下則一直等待。
（15）返回鍵值趾诗。
四蜡感、調(diào)試要點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
接好硬件蹬蚁，通過冷啟動(dòng)方式將程序所生成的。hex文件下載到單片機(jī)運(yùn)行后郑兴，打開串口調(diào)試助手軟件犀斋，設(shè)置好波特率9600，復(fù)位單片機(jī)情连，然后按下板上的4×4按鍵中的任意一個(gè)叽粹，并注意觀串口調(diào)試助手上的顯示。（見圖3）却舀，可以觀察到在接收窗口有按鍵的數(shù)據(jù)顯示虫几。
此外，在本文所附的實(shí)驗(yàn)程序中挽拔，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)辆脸。在沒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螃诅，這樣不僅直觀方便而且不增加其他成本啡氢。
五、總結(jié)
本文介紹了單片機(jī)外接鍵盤的工作原理并給出了實(shí)例术裸，通過該文倘是，我們可以知道一個(gè)完善的鍵盤控制程序應(yīng)具備以下功能：
（1） 檢測有無按鍵按下袭艺，并采取硬件或軟件措施辨绊，消除鍵盤按鍵機(jī)械觸點(diǎn)抖動(dòng)的影響。
∑ケ怼（2） 有可靠的邏輯處理辦法门坷。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)生影響袍镀，且無論一次按鍵時(shí)間有多長默蚌，系統(tǒng)僅執(zhí)行一次按鍵功能程序。
∥邸（3） 準(zhǔn)確輸出按鍵值（或鍵號(hào)）绸吸，以滿足按鍵功能要求。對(duì)于矩陣鍵盤而言设江，必須將行線锦茁、列線信號(hào)配合起來作適當(dāng)處理，才能確定閉合鍵的位置叉存。
此外码俩，按鍵的掃描方式有多種，本文中所述的是程序掃描方式歼捏，另外常見的還有定時(shí)掃描方式和中斷掃描方式稿存，這些方式均可以在本學(xué)習(xí)板上實(shí)現(xiàn)笨篷。
