單片機(jī)系統(tǒng)鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)小結(jié)

鍵盤(pán)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令的功能，是人工干預(yù)的主要手段。鍵盤(pán)分兩大類(lèi)：編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)。
編碼鍵盤(pán)：由硬件邏輯電路完成必要的鍵識(shí)別工作與可靠性措施。每按一次鍵，鍵盤(pán)自動(dòng)提供被按鍵的讀數(shù)，同時(shí)產(chǎn)生一選通脈沖通知微處理器，一般還具有反彈跳和同時(shí)按鍵保護(hù)功能。這種鍵盤(pán)易于使用，但硬件比較復(fù)雜，對(duì)于主機(jī)任務(wù)繁重之情況，采用8279可編程鍵盤(pán)管理接口芯片構(gòu)成編碼式鍵盤(pán)系統(tǒng)是很實(shí)用的方案。
非編碼鍵盤(pán)：只簡(jiǎn)單地提供鍵盤(pán)的行列與矩陣，其他操作如鍵的識(shí)別，決定按鍵的讀數(shù)等僅靠軟件完成，故硬件較為簡(jiǎn)單，但占用CPU較多時(shí)間。有：獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)、矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)。
二、鍵盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　首先，確定鍵盤(pán)編碼方案：采用編碼鍵盤(pán)或非編碼鍵盤(pán)。隨后，確定鍵盤(pán)工作方式：采用中斷或查詢(xún)方式輸入鍵操作信息。然后，設(shè)計(jì)硬件電路。非編碼鍵盤(pán)系統(tǒng)中，鍵閉合和鍵釋放的信息的獲取，鍵抖動(dòng)的消除，鍵值查找及一些保護(hù)措施的實(shí)施等任務(wù)，均由軟件來(lái)完成。
　　（一）非編碼鍵盤(pán)的鍵輸入程序應(yīng)完成的基本任務(wù)
　　1.監(jiān)測(cè)有無(wú)鍵按下；鍵的閉合與否，反映在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平，所以通過(guò)電平的高低狀態(tài)的檢測(cè)，便可確認(rèn)按鍵按下與否。
2.判斷是哪個(gè)鍵按下。
3.完成鍵處理任務(wù)。
　?。ǘ碾娐坊蜍浖慕嵌葢?yīng)解決的問(wèn)題
　　1.消除抖動(dòng)影響。鍵盤(pán)按鍵所用開(kāi)關(guān)為機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)，利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。由于機(jī)械觸點(diǎn)的的彈性作用，一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)在閉合和斷開(kāi)的瞬間均有一連串的抖動(dòng)

　　抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為5~10ms，這是一個(gè)很重要的參數(shù)。抖動(dòng)過(guò)程引起電平信號(hào)的波動(dòng)，有可能令CPU誤解為多次按鍵操作，從而引起誤處理。
　　為了確保CPU對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動(dòng)的影響。按鍵的消抖，通常有軟件，硬件兩種消除方法。

這種方法只適用于鍵的數(shù)目較少的情況。
　　軟件消抖：如果按鍵較多，硬件消抖將無(wú)法勝任，常采用軟件消抖。通常采用軟件延時(shí)的方法：在第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí)10ms的子程序后，再確認(rèn)電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)真正有鍵按下，進(jìn)行相應(yīng)處理工作，消除了抖動(dòng)的影響。（這種消除抖動(dòng)影響的軟件措施是切實(shí)可行的。）
　　2.采取串鍵保護(hù)措施。串鍵：是指同時(shí)有一個(gè)以上的鍵按下，串鍵會(huì)引起CPU錯(cuò)誤響應(yīng)。
　　通常采取的策略：?jiǎn)捂I按下有效，多鍵同時(shí)按下無(wú)效。
3.處理連擊。連擊：是一次按鍵產(chǎn)生多次擊鍵的效果。要有對(duì)按鍵釋放的處理，為了消除連擊，使得一次按鍵只產(chǎn)生一次鍵功能的執(zhí)行（不管一次按鍵持續(xù)的時(shí)間多長(zhǎng)，僅采樣一個(gè)數(shù)據(jù)）。否則的話(huà)，鍵功能程序的執(zhí)行次數(shù)將是不可預(yù)知，由按鍵時(shí)間決定。連擊是可以利用的。連擊對(duì)于用計(jì)數(shù)法設(shè)計(jì)的多功能鍵特別有效。
三、鍵盤(pán)工作方式
單片及應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤(pán)掃描只是CPU的工作內(nèi)容之一。CPU忙于各項(xiàng)任務(wù)時(shí)，如何兼顧鍵盤(pán)的輸入，取決于鍵盤(pán)的工作方式?？紤]儀表系統(tǒng)中CPU任務(wù)的份量，來(lái)確定鍵盤(pán)的工作方式。
鍵盤(pán)的工作方式選取的原則是：既要保證能及時(shí)響應(yīng)按鍵的操作，又不過(guò)多的占用CPU的工作時(shí)間。
鍵盤(pán)的工作方式有：查詢(xún)方式（編程掃描，定時(shí)掃描方式）、中斷掃描方式。
　 四、鍵盤(pán)電路結(jié)構(gòu)
（一）獨(dú)立式按鍵接口設(shè)計(jì)
獨(dú)立式按鍵就是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線(xiàn)，每根I/O口線(xiàn)的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他I/O口線(xiàn)上的工作狀態(tài)。因此，通過(guò)檢測(cè)輸入線(xiàn)的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)按鍵被按下了。
優(yōu)點(diǎn)：電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
缺點(diǎn)：每個(gè)按鍵需占用一根I/O口線(xiàn)，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，I/O口浪費(fèi)大，電路結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。
因此，此鍵盤(pán)是用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。

中斷方式 查詢(xún)方式
也可以用擴(kuò)展I/O口搭接獨(dú)立式按鍵接口電路，可采用8255擴(kuò)展I/O口，用三態(tài)緩沖器擴(kuò)展。這兩種配接方式，都是把按鍵當(dāng)作外部RAM某一工作單元的位來(lái)對(duì)待，通過(guò)讀片外RAM 的方法，識(shí)別按鍵的工作狀態(tài)。
上電路中獨(dú)立式按鍵電路，各按鍵開(kāi)關(guān)均采用了上拉電阻，是為了保證在按鍵斷開(kāi)時(shí)，各I/O有確定的高電平。如輸入口線(xiàn)內(nèi)部已有上拉電阻，則外電路的上拉電阻可省去。
（二）矩陣式鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì)
矩陣式鍵盤(pán)適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，由行線(xiàn)和列線(xiàn)組成，按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上。節(jié)省I/O口。
　　矩陣鍵盤(pán)工作原理：行線(xiàn)通過(guò)上拉電阻接到+5V上。無(wú)按鍵，行線(xiàn)處于高電平狀態(tài)，有鍵按下，行線(xiàn)電平狀態(tài)將由與此行線(xiàn)相連的列線(xiàn)電平?jīng)Q定。列線(xiàn)電平為低，則行線(xiàn)電平為低；列線(xiàn)電平為高，則行線(xiàn)電平為高。
　　五、雙功能及多功能鍵設(shè)計(jì)
　　在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，為簡(jiǎn)化硬件線(xiàn)路，縮小整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)模，總希望設(shè)置最少的按鍵，獲得最多的控制功能。
　　矩陣鍵盤(pán)與獨(dú)立式按鍵鍵盤(pán)相比，硬件電路大大節(jié)省?？赏ㄟ^(guò)軟件的方法讓一鍵具有多功能。方法：選擇一個(gè)RAM工作單元，對(duì)某一個(gè)按鍵進(jìn)行按鍵計(jì)數(shù)，根據(jù)不同計(jì)數(shù)值，轉(zhuǎn)到子程序。這種計(jì)數(shù)多功能鍵最好與顯示器結(jié)合用，以便知道當(dāng)前計(jì)數(shù)值，同時(shí)配合一個(gè)啟動(dòng)鍵。
　　復(fù)合鍵是使用軟件實(shí)現(xiàn)一鍵多功能的另一個(gè)途徑。所謂復(fù)合鍵，就是兩個(gè)或兩個(gè)以上的鍵的聯(lián)合，當(dāng)這些鍵同時(shí)按下時(shí)，才能執(zhí)行相應(yīng)的功能程序。實(shí)際情況做不到“同時(shí)按下”，他們的時(shí)間差別可以長(zhǎng)到50ms，解決策略是：定義一個(gè)或兩個(gè)引導(dǎo)鍵，這些引導(dǎo)鍵按下時(shí)沒(méi)什么意義，執(zhí)行空操作。引導(dǎo)鍵的例子：微機(jī)鍵盤(pán)上的CTRL、SHIFT、ALT。
缺點(diǎn)：一是操作變得復(fù)雜，二是操作時(shí)間變長(zhǎng)。
　　多功能鍵的利用，應(yīng)具體情況具體分析。要求速度的場(chǎng)合最好做一鍵一功能。如果系統(tǒng)功能很多，一鍵一功能不現(xiàn)實(shí)，可采取一鍵多功能。
　　六、功能開(kāi)關(guān)及撥碼盤(pán)接口設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)原因：鍵盤(pán)輸入靈活性大，操縱方便。但某些重要功能或數(shù)據(jù)由鍵盤(pán)輸入，誤操作將產(chǎn)生一些不良后果。因此常設(shè)定靜態(tài)開(kāi)關(guān)的方法來(lái)執(zhí)行這些功能或輸入數(shù)據(jù)。靜態(tài)開(kāi)關(guān)一經(jīng)設(shè)定，將不再改變，一直維持設(shè)定的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。通常這些開(kāi)關(guān)狀態(tài)是在單片機(jī)系統(tǒng)加電時(shí)由CPU讀入內(nèi)存RAM的，以后CPU將不再關(guān)注這些開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，因此，即使加電后，這些開(kāi)關(guān)的狀態(tài)發(fā)生變化，也不會(huì)影響CPU的正常工作，只有在下一次加電時(shí)，這些新?tīng)顟B(tài)才能生效。
　　第一，功能開(kāi)關(guān)：主要是根據(jù)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)執(zhí)行一些重要的功能。
　　第二，撥碼盤(pán)：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，有時(shí)要輸入一些控制參數(shù)，這些參數(shù)一經(jīng)設(shè)定，將維持不變，除非給系統(tǒng)斷電后重新設(shè)定。這時(shí)使用數(shù)字撥碼盤(pán)既簡(jiǎn)單直觀，又方便可靠。
　　七、按鍵介紹
常用的按鍵有三種：機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵、導(dǎo)電橡膠式和柔性按鍵（又稱(chēng)觸摸式鍵盤(pán)）。
機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵是利用彈性使鍵復(fù)位，手感明顯，連線(xiàn)清晰，工藝簡(jiǎn)單，適合單件制造。但是觸點(diǎn)處易侵入灰塵而導(dǎo)致接觸不良，體積相對(duì)較大。
導(dǎo)電橡膠按鍵是利用橡膠的彈性來(lái)復(fù)位，通過(guò)壓制的方法把面板上所有的按鍵制成一塊，體積小，裝配方便，適合批量生產(chǎn)。但是時(shí)間長(zhǎng)了，橡膠老化而使彈力下降，同時(shí)易侵入灰塵。
柔性按鍵是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種新型按鍵，可以分為凸球型和平面型兩種。凸球型動(dòng)作幅度觸感明顯，富有立體感，但制造工藝相對(duì)復(fù)雜；平面型幅度微小，觸感較弱，但工藝簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)。柔性按鍵最大特點(diǎn)是防塵、防潮、耐蝕，外形美觀，裝嵌方便。而且外形和面板的布局、色彩、鍵距可按照整機(jī)的要求來(lái)設(shè)計(jì)。
　　八、單片機(jī)系統(tǒng)鍵盤(pán)設(shè)計(jì)實(shí)例
　　本次設(shè)計(jì)中，鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)采用非編碼鍵盤(pán)系統(tǒng)中的獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)。用三態(tài)緩沖器573擴(kuò)展I/O口搭接獨(dú)立式按鍵接口電路，按鍵狀態(tài)由573鎖存。
　　鍵盤(pán)工作方式采用定時(shí)掃描方式。采用定時(shí)器T0定時(shí)，CPU每隔200ms掃描鍵盤(pán)一次，即通過(guò)讀取573的輸出數(shù)據(jù)，識(shí)別按鍵的工作狀態(tài)。
　　設(shè)計(jì)中對(duì)于重鍵和連擊的處理：對(duì)于重鍵（串鍵：指同時(shí)有一個(gè)以上的鍵按下），采用軟件提供保護(hù)，當(dāng)判斷為一個(gè)以上的鍵按下，則不處理，返回重新進(jìn)行監(jiān)測(cè)。只有監(jiān)測(cè)到一個(gè)鍵按下時(shí)，才判斷鍵值，執(zhí)行相應(yīng)鍵處理工作。
　　鍵盤(pán)對(duì)液晶顯示的控制是通過(guò)顯示畫(huà)面的頁(yè)碼作為接口參數(shù)來(lái)完成的。在每一頁(yè)中，鍵盤(pán)對(duì)數(shù)據(jù)的修改是通過(guò)對(duì)按鍵次數(shù)的計(jì)算作為接口參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
　　具體例程如下：
void keyscan()
{ucher data newz ，temp，pat；
if(time_out)
{ACC=MJP;
temp=ACC&0x0f，
if(temp！=0x0f)
{msec(10);
ACC=MJP；
temp=ACC&0x0f
if(temp=0x0f)
{newz=temp;
pat=newz^old;
if(pat)>0)
{old=newz;
keymana();
}

else;
}
else;
}
elsr;
old=temp;
time_out=0
}
esel;
}
　　九、結(jié)語(yǔ)
　　鍵盤(pán)是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一種主要的信息輸入接口，合理的設(shè)計(jì)，不僅可以節(jié)省系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，更可使儀器設(shè)備的操作變得更為簡(jiǎn)單、方便，很大程度上提高系統(tǒng)綜合性能。