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單片機(jī)中的獨(dú)立按鍵與矩陣鍵盤

發(fā)布時間:2020-05-18 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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。
 
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,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(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,由于機(jī)械彈性作用的影響,通常伴隨有一定的時間觸點(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,即按鍵一次按下或釋放錯誤的被認(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,可采用硬件消抖;按鍵較多式,采用軟件消抖。
 
單片機(jī)中的獨(dú)立按鍵與矩陣鍵盤 
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(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,如果只需要幾個功能鍵,此時,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)成的單個按鍵電路,其特點(diǎn)式每個按鍵單獨(dú)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(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(fèi)較大,不宜采用。獨(dú)立按鍵如圖2所示。
 
單片機(jī)中的獨(dú)立按鍵與矩陣鍵盤
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,若使用按鍵較多時如電子密碼鎖、電話機(jī)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(diǎn)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(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個按鍵組成,在單片機(jī)中正好可以用一個P口實(shí)現(xiàn)16個按鍵功能,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。
 
單片機(jī)中的獨(dú)立按鍵與矩陣鍵盤
圖3 矩陣鍵盤布局圖
 
單片機(jī)中的獨(dú)立按鍵與矩陣鍵盤
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(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,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(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(jī)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(jìn)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(jī)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。
 
 
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