鍵盤接口設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　鍵盤接口設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　鍵盤接口設(shè)計(jì)</b></p><p>　　摘要：本文主要介紹了鍵盤的工作原理和六種鍵盤接口電路的結(jié)構(gòu)及其按鍵的識(shí)別方法，可以滿足各種應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)于鍵盤的要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：獨(dú)立式 行列式 階梯式 ADC Pin I/O P

2、in和ADC Pin 二極管</p><p><b>　　一、引言</b></p><p>　　鍵盤是基本的輸入設(shè)備，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。下面介紹鍵盤的工作原理，鍵盤接口類型及其按鍵識(shí)別方法。</p><p><b>　　二、鍵盤的工作原理</b><

3、/p><p><b>　　1、鍵盤輸入的特點(diǎn)</b></p><p>　　鍵盤實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)的集合。通常，鍵盤開關(guān)利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。一個(gè)電壓信號(hào)通過鍵盤開關(guān)機(jī)械觸點(diǎn)的斷開、閉合，其行線電壓輸出波形如圖1所示。</p><p>　　圖1 鍵盤開關(guān)及其波形</p><p>　　圖1中T1和T3分別是按鍵的閉合和

4、斷開過程中的抖動(dòng)期（呈現(xiàn)一串負(fù)脈沖），抖動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短和開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般為5~10ms，T2為穩(wěn)定的閉合期，其時(shí)間由按鍵動(dòng)作所確定，一般為十分之幾秒到幾秒，T0、T4為斷開期。</p><p><b>　　2、按鍵的確認(rèn)</b></p><p>　　按鍵的閉合與否，反映在行線輸出電壓上就是呈現(xiàn)高電平或低電平，如果高電平表示按鍵斷開，低電平表示按鍵閉合，通過對(duì)行線電

5、平高低狀態(tài)的檢測(cè)，便可確認(rèn)按鍵按下與否。為了確保MCU對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次按鍵有效，必須消除抖動(dòng)期T1和T3的影響。</p><p>　　3、軟件消除按鍵抖動(dòng)</p><p>　　通常采用軟件來消除按鍵抖動(dòng)，基本思想是：在第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，假設(shè)該鍵所對(duì)應(yīng)的行線為低電平，執(zhí)行一段延時(shí)10ms的子程序后，確認(rèn)該行線電平是否仍為低電平，如果仍為低電平，則確認(rèn)該行確實(shí)有按鍵按下。當(dāng)按鍵松

6、開時(shí)，行線的低電平變?yōu)楦唠娖?，?zhí)行一段延時(shí)10ms的子程序后，檢測(cè)該行線為高電平，說明按鍵確實(shí)已經(jīng)松開。</p><p>　　三、鍵盤接口類型及原理</p><p><b>　　1、獨(dú)立式鍵盤接口</b></p><p>　　獨(dú)立式鍵盤就是各鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接一個(gè)Input Pin，通過檢測(cè)Input Pin的電平狀態(tài)可以很容易的判斷哪個(gè)

7、按鍵被按下。</p><p>　　在按鍵數(shù)目較多時(shí)，獨(dú)立式鍵盤電路需要較多的Input Pin，且電路結(jié)構(gòu)繁雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。具體電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。</p><p>　　圖2 獨(dú)立式鍵盤接口</p><p>　　當(dāng)Input Pin內(nèi)部有上拉電阻，則外部電路的上拉電阻可以省去，如圖2右半圖所示。</p><p&

8、gt;<b>　　2、行列式鍵盤接口</b></p><p>　　行列式（也稱矩陣式）鍵盤適用于按鍵數(shù)目較多的場(chǎng)合，它由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上。很明顯，在按鍵數(shù)目較多的場(chǎng)合，行列式鍵盤與獨(dú)立式鍵盤相比，要節(jié)省很多的I/O口線。圖3、4所示為5×5行列式鍵盤接口電路，如果Input Pin內(nèi)部有上拉電阻，則外部電路的上拉電阻可以省去。</p><

9、p>　　圖3 5×5行列式鍵盤接口（掃描法）</p><p>　　圖4 5×5行列式鍵盤接口（線反轉(zhuǎn)法）</p><p>　　行列式鍵盤按鍵的識(shí)別方法主要有兩種：掃描法和線反轉(zhuǎn)法。</p><p>　?、賿呙璺ǎ旱谝徊?，識(shí)別鍵盤有無(wú)按鍵被按下。首先把所有的列線均置為低電平，檢查各行線電平是否有變化，如果有變化，則說明有鍵被按下；如果沒有

10、變化，則說明沒有鍵被按下。第二步，如有鍵被按下，識(shí)別具體的按鍵。首先把某一列置為低電平，其余各列置高電平，檢查各行線電平的變化，如果某行線電平為低電平，則可確認(rèn)此行交叉點(diǎn)處的按鍵被按下。</p><p>　?、诰€反轉(zhuǎn)法：第一步，設(shè)置行線為Input Pin模式，列線為Output Pin模式，并使全部Output Pin輸出低電平，則行線中由高電平變低電平的所在行為按鍵所在行。第二步，把行線設(shè)置為Output P

11、in模式，把列線設(shè)置為Input Pin模式，并使全部Output Pin輸出低電平，則列線中電平由高到低所在列為按鍵所在列。綜合上述2步的結(jié)果，可以確定按鍵所在行和列，從而識(shí)別出所按的鍵。</p><p><b>　　3、階梯式鍵盤接口</b></p><p>　　圖5所示為階梯式鍵盤接口電路（5個(gè)I/O），由圖可以看出，鍵盤分布呈現(xiàn)階梯狀，故稱為階梯式鍵盤接口。如

12、果I/O Pin內(nèi)部有上拉電阻，則外部電路的上拉電阻可以省去。</p><p>　　階梯式鍵盤接口按鍵的識(shí)別方法是：首先令I(lǐng)O1輸出低電平，檢測(cè)IO2~IO5口電平是否有變化，如果有變化，則表示有按鍵被按下，若此時(shí)IO3檢測(cè)到低電平，則表示K13被按下，退出鍵盤掃描；否則，表示沒有按鍵被按下，繼續(xù)鍵盤掃描。如果第一行沒有按鍵被按下，則令I(lǐng)O2輸出低電平，檢測(cè)IO3~IO5口電平是否有變化，以此類推。</p&

13、gt;<p>　　由圖5很容易得到階梯式鍵盤接口的I/O口資源與掃描按鍵數(shù)目的關(guān)系，如下式所示：</p><p>　　由關(guān)系式可以看出，該方法不適合按鍵數(shù)目較少的應(yīng)用場(chǎng)合，而對(duì)于按鍵數(shù)目較多的應(yīng)用場(chǎng)合，該方法可以很好的發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，如使用8個(gè)I/O口可以掃描28個(gè)按鍵。</p><p>　　圖5 階梯式鍵盤接口</p><p>　　4、ADC Pin鍵

14、盤接口</p><p>　　目前市場(chǎng)上集成有ADC功能的單片機(jī)已經(jīng)非常普遍了，對(duì)于I/O資源非常緊張的應(yīng)用場(chǎng)合，就可以利用一個(gè)ADC口來實(shí)現(xiàn)鍵盤功能。ADC的作用是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于MCU進(jìn)行處理，所以只要能夠通過按鍵來控制輸入ADC的模擬量的大小，就可以實(shí)現(xiàn)按鍵的檢測(cè)。具體電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。</p><p>　　圖6 ADC Pin鍵盤接口</p><p

15、>　　該鍵盤接口可以為MCU節(jié)省很多的I/O資源，尤其是按鍵數(shù)目較多的情況，但它是以犧牲硬件成本（電阻）為代價(jià)，而且抗干擾能力相對(duì)會(huì)差一些。另外，對(duì)于按鍵較多的情況，需要注意電阻的分配，即合理分配按鍵控制的ADC值，以避免相鄰ADC值按鍵的誤判。</p><p>　　5、I/O Pin與ADC Pin相結(jié)合鍵盤接口</p><p>　　對(duì)于較多按鍵，如25個(gè)按鍵的應(yīng)用場(chǎng)合，行列式鍵盤

16、接口需要10個(gè)I/O，或者9個(gè)I/O加一根地線，還是占用了比較多的I/O資源，盡管有的時(shí)候可以將按鍵I/O與其它I/O共用。而ADC Pin鍵盤接口，相對(duì)于行列式鍵盤接口最多可以節(jié)省9個(gè)I/O口，但相應(yīng)的需要26個(gè)電阻，電路結(jié)構(gòu)也相應(yīng)變得復(fù)雜，成本增加，穩(wěn)定性下降。該節(jié)介紹的鍵盤接口是將行列式鍵盤接口和ADC Pin鍵盤接口相結(jié)合，既節(jié)省了I/O口線，又沒有增加太多的成本，穩(wěn)定性也可以保證，具體電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。</p>

17、<p>　　圖7 I/O Pin與ADC Pin相結(jié)合鍵盤接口</p><p>　　該鍵盤按鍵的識(shí)別方法是：第一步，識(shí)別鍵盤有無(wú)按鍵被按下，檢測(cè)各I/O Pin的電平狀態(tài)，如果有低電平，則表示該列有按鍵被按下，否則，沒有按鍵被按下。第二步，如果有按鍵被按下，則令檢測(cè)到低電平的I/O Pin輸出高電平，然后檢測(cè)ADC電壓，來確定是哪一行有按鍵按下。綜合上述2步的結(jié)果，就可以確定是哪一個(gè)按鍵被按下。&l

18、t;/p><p>　　利用該電路結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合來調(diào)整I/O口數(shù)目和電阻R的數(shù)目，例如24個(gè)按鍵，可以是3個(gè)I/O、1個(gè)ADC、9個(gè)R，或者4個(gè)I/O、1個(gè)ADC、7個(gè)R，或者6個(gè)I/O、1個(gè)ADC、5個(gè)R，或者8個(gè)I/O、1個(gè)ADC、3個(gè)R。</p><p><b>　　6、二極管鍵盤接口</b></p><p>　　對(duì)于沒有集成AD

19、C功能的MCU，如果遇到按鍵數(shù)目較多的應(yīng)用場(chǎng)合，如25，而I/O資源又相對(duì)緊張，則可以通過該節(jié)介紹的二極管鍵盤接口電路來實(shí)現(xiàn)鍵盤功能。具體電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。</p><p>　　圖8 二極管鍵盤接口</p><p>　　該鍵盤按鍵的識(shí)別方法是：第一步，掃描Gnd行是否有按鍵被按下，如果檢測(cè)到I/O口電平有低電平，則表示有按鍵被按下；否則，表示沒有按鍵被按下，掃描程序進(jìn)入第二步。第二步，

20、首先設(shè)置所有I/O口工作在Output Pin模式，且令某一行輸出低電平，其余行輸出高電平。然后設(shè)置輸出高電平行的I/O口為Input Pin，并檢測(cè)電平是否有變化，如果檢測(cè)到低電平，則表示該行與輸出低電平的那一行的交叉點(diǎn)處有按鍵被按下，否則，沒有按鍵被按下。</p><p>　　需要注意，當(dāng)鍵盤掃描進(jìn)入第二步時(shí)，如果Gnd行有按鍵被按下，則會(huì)發(fā)生誤判按鍵。例如，當(dāng)掃描L1行時(shí)，K11和K62按下都會(huì)令I(lǐng)O1檢測(cè)

21、到低電平。這可以通過軟件來加以識(shí)別，當(dāng)檢測(cè)到IO1為低電平時(shí)，則下一步立即判斷Gnd行是否有按鍵被按下，如果有，則表示按鍵位于Gnd行；否則，表示按鍵位于L1~L5行。</p><p><b>　　四、總結(jié)</b></p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)該綜合考慮各方面的因素，如按鍵數(shù)目，MCU的I/O口資源，MCU是否集成有ADC功能模塊，對(duì)于硬件成本的考慮，工作