單片機(jī)按鍵的介紹獨(dú)立按鍵與矩陣鍵盤的概述

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(diǎn)式開關(guān)按鍵，如機(jī)械式開關(guān)、導(dǎo)電橡膠式開關(guān)燈;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。前者造價(jià)低，后者壽命長。目前，微機(jī)系統(tǒng)中最常見的是觸點(diǎn)式開關(guān)按鍵。

在單片機(jī)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(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，鍵信息輸入時(shí)與軟件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的過程。

對于一組鍵或一個(gè)鍵盤，總有一個(gè)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(gè)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(diǎn)

微機(jī)鍵盤通常使用機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵開關(guān)，其主要功能式把機(jī)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(zhǔn)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(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，通常伴隨有一定的時(shí)間觸點(diǎn)機(jī)械抖動，然后其觸點(diǎn)才穩(wěn)定下來。其抖動過程如下圖1所示，抖動時(shí)間的長短與開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般為5-10ms。在觸點(diǎn)抖動期間檢測按鍵的通與斷，可能導(dǎo)致判斷出錯(cuò)，即按鍵一次按下或釋放錯(cuò)誤的被認(rèn)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(diǎn)機(jī)械抖動所致的檢測誤判，必須采取消抖措施。按鍵較少時(shí)，可采用硬件消抖;按鍵較多式，采用軟件消抖。

圖1 按鍵觸點(diǎn)機(jī)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(shí)現(xiàn)按鍵功能程序的跳轉(zhuǎn)。

(2)鍵盤程序

一個(gè)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(gè)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(shí)間有多長，系統(tǒng)僅執(zhí)行一次按鍵功能程序。

c.準(zhǔn)確輸出按鍵值(或鍵號)，以滿足跳轉(zhuǎn)指令要求。

3.獨(dú)立按鍵與矩陣鍵盤

(1)獨(dú)立按鍵

單片機(jī)控制系統(tǒng)中，如果只需要幾個(gè)功能鍵，此時(shí)，可采用獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)。

獨(dú)立按鍵式直接用I/O口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路，其特點(diǎn)式每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線，每個(gè)按鍵的工作不會影響其他I/O口線的狀態(tài)。獨(dú)立按鍵的典型應(yīng)用如圖所示。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個(gè)按鍵必須占用一個(gè)I/O口線，因此，在按鍵較多時(shí)，I/O口線浪費(fèi)較大，不宜采用。獨(dú)立按鍵如圖2所示。

圖2 獨(dú)立鍵盤

獨(dú)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(rèn)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(jī)系統(tǒng)中，若使用按鍵較多時(shí)如電子密碼鎖、電話機(jī)鍵盤等一般都至少有12到16個(gè)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(gè)交叉點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)按鍵。這樣鍵盤上按鍵的個(gè)數(shù)就為4*4個(gè)。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能有效地提高單片機(jī)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(gè)按鍵組成，在單片機(jī)中正好可以用一個(gè)P口實(shí)現(xiàn)16個(gè)按鍵功能，這也是在單片機(jī)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(shí)，P3.0~P3.3與P3.4~P3.7之間開路。當(dāng)有鍵閉合時(shí)，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(jìn)行一次鍵功能操作，因此須等到按鍵釋放后，再進(jìn)行鍵功能操作，否則按一次鍵，有可能會連續(xù)多次進(jìn)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(shí)，與此鍵相連的行線與列線導(dǎo)通，行線在無按鍵按下時(shí)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(shí)，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(dú)立按鍵數(shù)量少，可根據(jù)實(shí)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(jìn)行二進(jìn)制編碼，然后兩值合成一個(gè)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(shí)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(shí)響應(yīng)按鍵操作，又不要過多占用CPU的工作時(shí)間。通常鍵盤的工作方式有三種，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(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(shí)，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(shí)掃描方式

定時(shí)掃描方式就是每隔一段時(shí)間對鍵盤掃描一次，它利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生一定時(shí)間(例如10ms)的定時(shí)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到就產(chǎn)生定時(shí)器溢出中斷。CPU響應(yīng)中斷后對鍵盤進(jìn)行掃描，并在有按鍵按下時(shí)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(shí)掃描鍵盤，而單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，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(shí)，CPU處理自己的工作，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，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。