詳解單片機的鍵盤接口原理

　　單片機是以個很復雜的東西，學單片機要懂算法，微機原理，還要學習深度學習。如果算法都沒搞清楚，數電都沒學會，憑著一腔熱血買單片機開發板，只會復制粘貼代碼，跑馬燈跑個亮，溫控傳感器顯示個數在LED顯示屏上，寫個鍵盤矩陣輸入個數字的，那么你對單片機認知還太淺。本文就來講講單片機的鍵盤接口原理是什么。

　　1. 鍵的分類

　　按鍵按照結構原理可分為兩類，一類是觸點式開關按鍵，如機械式開關、導電橡膠式開關等;另一類是無觸點式開關按鍵，如電氣式按鍵，磁感應按鍵等。前者造價低，后者壽命長。目前，微機系統中最常見的是觸點式開關按鍵。

　　2.輸入原理

　　在單片機應用系統中，除了復位按鍵有專門的復位電路及專一的復位功能外，其它按鍵都是以開關狀態來設置控制功能或輸入數據的。當所設置的功能鍵或數字鍵按下時，計算機應用系統應完成該按鍵所設定的功能，鍵信息輸入是與軟件結構密切相關的過程。

　　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鍵輸入，并檢查是哪一個鍵按下，將該鍵號送入累加器ACC，然后通過跳轉指令轉入執行該鍵的功能程序，執行完后再返回主程序

　　3.按鍵結構與特點

　　微機鍵盤通常使用機械觸點式按鍵開關，其主要功能是把機械上的通斷轉換成為電氣上的邏輯關系。也就是說，它能提供標準的TTL邏輯電平，以便與通用數字系統的邏輯電平相容。

　　機械式按鍵再按下或釋放時，由于機械彈性作用的影響，通常伴隨有一定時間的觸點機械抖動，然后其觸點才穩定下來。其抖動過程如下圖所示，抖動時間的長短與開關的機械特性有關，一般為5~10 ms。

　　在觸點抖動期間檢測按鍵的通與斷狀態，可能導致判斷出錯，即按鍵一次按下或釋放被錯誤地認為是多次操作，這種情況是不允許出現的。為了克服按鍵觸點機械抖動所致的檢測誤判，必須采取去抖動措施。這一點可從硬件、軟件兩方面予以考慮。在鍵數較少時，可采用硬件去抖，而當鍵數較多時，采用軟件去抖。

　　4. 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狀態。根據鍵盤結構的不同，采用不同的編碼。無論有無編碼，以及采用什么編碼，最后都要轉換成為與累加器中數值相對應的鍵值，以實現按鍵功能程序的跳轉。

　　5. 制鍵盤程序

　　一個完善的鍵盤控制程序應具備以下功能：

　?。?） 檢測有無按鍵按下，并采取硬件或軟件措施，消除鍵盤按鍵機械觸點抖動的影響。

　?。?） 有可靠的邏輯處理辦法。每次只處理一個按鍵，其間對任何按鍵的操作對系統不產生影響，且無論一次按鍵時間有多長，系統僅執行一次按鍵功能程序。

　?。?） 準確輸出按鍵值（或鍵號），以滿足跳轉指令要求。

　　獨立式按鍵

　　單片機控制系統中，往往只需要幾個功能鍵，此時，可采用獨立式按鍵結構。

　　1.獨立式按鍵結構

　　獨立式按鍵是直接用I/O口線構成的單個按鍵電路，其特點是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它I/O口線的狀態。獨立式按鍵的典型應用如圖7.4所示。

　　獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結構簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，因此，在按鍵較多時，I/O口線浪費較大，不宜采用。

　　2. 立式按鍵的軟件結構

　　獨立式按鍵的軟件常采用查詢式結構。先逐位查詢每根I/O口線的輸入狀態，如某一根I/O口線輸入為低電平，則可確認該I/O口線所對應的按鍵已按下，然后，再轉向該鍵的功能處理程序。

　　矩陣式按鍵

　　單片機系統中，若使用按鍵較多時，通常采用矩陣式（也稱行列式）鍵盤。

　　1. 矩陣式鍵盤的結構及原理

　　矩陣式鍵盤由行線和列線組成，按鍵位于行、列線的交叉點上，其結構如下圖所示。

　　由圖可知，一個4×4的行、列結構可以構成一個含有16個按鍵的鍵盤，顯然，在按鍵數量較多時，矩陣式鍵盤較之獨立式按鍵鍵盤要節省很多I/O口。

　　矩陣式鍵盤中，行、列線分別連接到按鍵開關的兩端，行線通過上拉電阻接到+5V上。當無鍵按下時，行線處于高電平狀態;當有鍵按下時，行、列線將導通，此時，行線電平將由與此行線相連的列線電平決定。這是識別按鍵是否按下的關鍵。然而，矩陣鍵盤中的行線、列線和多個鍵相連，各按鍵按下與否均影響該鍵所在行線和列線的電平，各按鍵間將相互影響，因此，必須將行線、列線信號配合起來作適當處理，才能確定閉合鍵的位置。

　　2.式鍵盤按鍵的識別

　　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通，行線在無鍵按下時處在高電平。顯然，如果讓所有的列線也處在高電平，那么，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低電平。只有這樣，當有鍵按下時，該鍵所在的行電平才會由高電平變為低電平。CPU根據行電平的變化，便能判定相應的行有鍵按下。

　　3. 盤的編碼

　　對于獨立式按鍵鍵盤，因按鍵數量少，可根據實際需要靈活編碼。對于矩陣式鍵盤，按鍵的位置由行號和列號惟一確定，因此可分別對行號和列號進行二進制編碼，然后將兩值合成一個字節，高4位是行號，低4位是列號。

　　4. 鍵盤的工作方式

　　對鍵盤的響應取決于鍵盤的工作方式，鍵盤的工作方式應根據實際應用系統中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，即編程掃描、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，調用鍵盤掃描子程序來響應鍵盤輸入的要求。在執行鍵功能程序時，CPU不再響應鍵輸入要求，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，它利用單片機內部的定時器產生一定時間（例如10 ms）的定時，當定時時間到就產生定時器溢出中斷。CPU響應中斷后對鍵盤進行掃描，并在有鍵按下時識別出該鍵，再執行該鍵的功能程序。

　　3） 中斷掃描方式

　　采用上述兩種鍵盤掃描方式時，無論是否按鍵，CPU都要定時掃描鍵盤，而單片機應用系統工作時，并非經常需要鍵盤輸入，因此，CPU經常處于空掃描狀態。

　　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：當無鍵按下時，CPU處理自己的工作，當有鍵按下時，產生中斷請求，CPU轉去執行鍵盤掃描子程序，并識別鍵號。