單片機獨立按鍵和矩陣鍵盤概念及原理
一、基本知識
1.按鍵分類與輸入原理
按鍵按照結(jié)構(gòu)原理科分為兩類，一類是觸點式開關(guān)按鍵，如機械式開關(guān)、導(dǎo)電橡膠式開關(guān)燈;另一類是無觸點式開關(guān)按鍵，如電氣式按鍵，磁感應(yīng)按鍵等。前者造價低，后者壽命長。目前，微機系統(tǒng)中最常見的是觸點式開關(guān)按鍵。
在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，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，其他按鍵都是以開關(guān)狀態(tài)來設(shè)置控制功能或輸入數(shù)據(jù)的。當(dāng)所設(shè)置的功能鍵或數(shù)字鍵按下時，計算機應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)完成該按鍵所設(shè)定的功能，鍵信息輸入時與軟件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的過程。
對于一組鍵或一個鍵盤，總有一個接口電路與CPU相連。CPU可以采用查詢或中斷方式了解有無將按鍵輸入，并檢查是哪一個按鍵按下，將該鍵號送人累加器，然后通過跳轉(zhuǎn)指令轉(zhuǎn)入執(zhí)行該鍵的功能程序，執(zhí)行完成后再返回主程序。
2.按鍵結(jié)構(gòu)與特點
微機鍵盤通常使用機械觸點式按鍵開關(guān)，其主要功能式把機械上的通斷轉(zhuǎn)換為電氣上的邏輯關(guān)系。也就是說，它能提供標(biāo)準的TTL邏輯電平，以便于通用數(shù)字系統(tǒng)的邏輯電平相容。機械式按鍵再按下或釋放時，由于機械彈性作用的影響，通常伴隨有一定的時間觸點機械抖動，然后其觸點才穩(wěn)定下來。其抖動過程如下圖1所示，抖動時間的長短與開關(guān)的機械特性有關(guān)，一般為5-10ms。在觸點抖動期間檢測按鍵的通與斷，可能導(dǎo)致判斷出錯，即按鍵一次按下或釋放錯誤的被認為是多次操作，這種情況是不允許出現(xiàn)的。為了克服你、按鍵觸點機械抖動所致的檢測誤判，必須采取消抖措施。按鍵較少時，可采用硬件消抖;按鍵較多式，采用軟件消抖。
圖1 按鍵觸點機械抖動
(1)按鍵編碼
一組按鍵或鍵盤都要通過I/O口線查詢按鍵的開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)鍵盤結(jié)構(gòu)的不同，采用不同的編碼。無論有無編碼，以及采用什么編碼，最后都要轉(zhuǎn)換成為與累加器中數(shù)值相對應(yīng)的鍵值，以實現(xiàn)按鍵功能程序的跳轉(zhuǎn)。
(2)鍵盤程序
一個完整的鍵盤控制程序應(yīng)具備以下功能：
a.檢測有無按鍵按下，并采取硬件或軟件措施消抖。
b.有可靠的邏輯處理辦法。每次只處理一個按鍵，期間對任何按鍵的操作對系統(tǒng)不產(chǎn)生影響，且無論一次按鍵時間有多長，系統(tǒng)僅執(zhí)行一次按鍵功能程序。
c.準確輸出按鍵值(或鍵號)，以滿足跳轉(zhuǎn)指令要求。
3.獨立按鍵與矩陣鍵盤
(1)獨立按鍵
單片機控制系統(tǒng)中，如果只需要幾個功能鍵，此時，可采用獨立式按鍵結(jié)構(gòu)。
獨立按鍵式直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路，其特點式每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其他I/O口線的狀態(tài)。獨立按鍵的典型應(yīng)用如圖所示。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一個I/O口線，因此，在按鍵較多時，I/O口線浪費較大，不宜采用。獨立按鍵如圖2所示。
圖2 獨立鍵盤
獨立按鍵的軟件常采用查詢式結(jié)構(gòu)。先逐位查詢沒跟I/O口線的輸入狀態(tài)，如某一根I/O口線輸入為低電平，則可確認該I/O口線所對應(yīng)的按鍵已按下，然后，再轉(zhuǎn)向該鍵的功能處理程序。
(2)矩陣鍵盤
單片機系統(tǒng)中，若使用按鍵較多時如電子密碼鎖、電話機鍵盤等一般都至少有12到16個按鍵，通常采用矩陣鍵盤。
矩陣鍵盤又稱行列鍵盤，它是用四條I/O線作為行線，四條I/O線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每個交叉點上設(shè)置一個按鍵。這樣鍵盤上按鍵的個數(shù)就為4*4個。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能有效地提高單片機系統(tǒng)中I/O口的利用率。
矩陣鍵盤的工作原理
最常見的鍵盤布局如圖3所示。一般由16個按鍵組成，在單片機中正好可以用一個P口實現(xiàn)16個按鍵功能，這也是在單片機系統(tǒng)中最常用的形式，4*4矩陣鍵盤的內(nèi)部電路如圖4所示。
圖3 矩陣鍵盤布局圖
圖4 矩陣鍵盤內(nèi)部電路圖
當(dāng)無按鍵閉合時，P3.0~P3.3與P3.4~P3.7之間開路。當(dāng)有鍵閉合時，與閉合鍵相連的兩條I/O口線之間短路。判斷有無按鍵按下的方法是：第一步，置列線P3.4~P3.7為輸入狀態(tài)，從行線P3.0~P3.3輸出低電平，讀入列線數(shù)據(jù)，若某一列線為低電平，則該列線上有鍵閉合。第二步，行線輪流輸出低電平，從列線P3.4~P3.7讀入數(shù)據(jù)，若有某一列為低電平，則對應(yīng)行線上有鍵按下。綜合一二兩步的結(jié)果，可確定按鍵編號。但是鍵閉合一次只能進行一次鍵功能操作，因此須等到按鍵釋放后，再進行鍵功能操作，否則按一次鍵，有可能會連續(xù)多次進行同樣的鍵操作。
識別按鍵的方法很多其中，最常見的方法是掃描法
按鍵按下時，與此鍵相連的行線與列線導(dǎo)通，行線在無按鍵按下時處在高電平。如果所有的列線都處在高電平，則按鍵按下與否不會引起行線電平的變化，因此必須使所有列線處在電平。這樣，當(dāng)有按鍵按下時，改鍵所在的行電平才回由高變低。才能判斷相應(yīng)的行有鍵按下。
獨立按鍵數(shù)量少，可根據(jù)實際需要靈活編碼。矩陣鍵盤，按鍵的位置由行號和列號唯一確定，因此可以分別對行號和列號進行二進制編碼，然后兩值合成一個字節(jié)，高4位是行號，低4位是列號。
4.鍵盤的工作方式
對鍵盤的響應(yīng)取決于鍵盤的工作方式，鍵盤的工作方式應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用系統(tǒng)中的CPU的工作狀況而定，其選取的原則是既要保證CPU能及時響應(yīng)按鍵操作，又不要過多占用CPU的工作時間。通常鍵盤的工作方式有三種，編程掃描、定時掃描和中斷掃描。
(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間，調(diào)用鍵盤掃描子程序來響應(yīng)鍵盤輸入的要求。在執(zhí)行鍵功能程序時，CPU不再響應(yīng)鍵輸入要求，直到CPU重新掃描鍵盤為止。
(2)定時掃描方式
定時掃描方式就是每隔一段時間對鍵盤掃描一次，它利用單片機內(nèi)部的定時器產(chǎn)生一定時間(例如10ms)的定時，當(dāng)定時時間到就產(chǎn)生定時器溢出中斷。CPU響應(yīng)中斷后對鍵盤進行掃描，并在有按鍵按下時識別出該鍵，再執(zhí)行該鍵的功能程序。
(3)中斷掃描方式
上述兩種鍵盤掃描方式，無論是否按鍵，CPU都要定時掃描鍵盤，而單片機應(yīng)用系統(tǒng)工作時，并非經(jīng)常需要鍵盤輸入，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。其工作過程如下：當(dāng)無按鍵按下時，CPU處理自己的工作，當(dāng)有按鍵按下時，產(chǎn)生中斷請求，CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行鍵盤掃描子程序，并識別鍵號。
編輯：admin 最后修改時間：2018-05-18
