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  距阵键盘           
距阵键盘
文章来源:不详 更新时间:2008-6-5 0:16:11     本站网址:3I3I.Cn
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矩阵键盘是单片机编程中所使用的键盘.

1.矩阵式键盘的结构与工作原理

  在键盘中按键数量较多时,为了减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式,如图1所示。在矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键加以连接。这样,一个端口(如P1口)就可以构成4*4=16个按键,比之直接将端口线用于键盘多出了一倍,而且线数越多,区别越明显,比如再多加一条线就可以构成20键的键盘,而直接用端口线则只能多出一键(9键)。由此可见,在需要的键数比较多时,采用矩阵法来做键盘是合理的。

  矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些,识别也要复杂一些,上图中,列线通过电阻接正电源,并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端,而列线所接的I/O口则作为输入。这样,当按键没有按下时,所有的输出端都是高电平,代表无键按下。行线输出是低电平,一旦有键按下,则输入线就会被拉低,这样,通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。具体的识别及编程方法如下所述。


  2、矩阵式键盘的按键识别方法

  确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。

  行扫描法 行扫描法又称为逐行(或列)扫描查询法,是一种最常用的按键识别方法,如上图所示键盘,介绍过程如下。

  1、判断键盘中有无键按下 将全部行线Y0-Y3置低电平,然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低,则表示键盘中有键被按下,而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平,则键盘中无键按下。

  2、判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后,即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是:依次将行线置为低电平,即在置某根行线为低电平时,其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后,再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低,则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。

  下面给出一个具体的例子:

  图仍如上所示。8031单片机的P1口用作键盘I/O口,键盘的列线接到P1口的低4位,键盘的行线接到P1口的高4位。列线P1.0-P1.3分别接有4个上拉电阻到正电源+5V,并把列线P1.0-P1.3设置为输入线,行线P1.4-P.17设置为输出线。4根行线和4根列线形成16个相交点。

  1、检测当前是否有键被按下。检测的方法是P1.4-P1.7输出全“0”,读取P1.0-P1.3的状态,若P1.0-P1.3为全“1”,则无键闭合,否则有键闭合。

  2、去除键抖动。当检测到有键按下后,延时一段时间再做下一步的检测判断。

  3、若有键被按下,应识别出是哪一个键闭合。方法是对键盘的行线进行扫描。P1.4-P1.7按下述4种组合依次输出:

   P1.7 1 1 1 0

   P1.6 1 1 0 1

   P1.5 1 0 1 1

   P1.4 0 1 1 1

  在每组行输出时读取P1.0-P1.3,若全为“1”,则表示为“0”这一行没有键闭合,否则有键闭合。由此得到闭合键的行值和列值,然后可采用计算法或查表法将闭合键的行值和列值转换成所定义的键值

  4、为了保证键每闭合一次CPU仅作一次处理,必须却除键释放时的抖动。


  键盘扫描程序:

  从以上分析得到键盘扫描程序的流程图如图2所示。程序如下

SCAN: MOV P1,#0FH

MOV A,P1

ANL A,#0FH

CJNE A,#0FH,NEXT1

SJMP NEXT3

NEXT1: ACALL D20MS

MOV A,#0EFH

NEXT2: MOV R1,A

MOV P1,A

MOV A,P1

ANL A,#0FH

CJNE A,#0FH,KCODE;

MOV A,R1

SETB C

RLC A

JC NEXT2

NEXT3: MOV R0,#00H

RET

KCODE: MOV B,#0FBH

NEXT4: RRC A

INC B

JC NEXT4

MOV A,R1

SWAP A

NEXT5: RRC A

INC B

INC B

INC B

INC B

JC NEXT5

NEXT6: MOV A,P1

ANL A,#0FH

CJNE A,#0FH,NEXT6

MOV R0,#0FFH

RET

  键盘处理程序就作这么一个简单的介绍,实际上,键盘、显示处理是很复杂的,它往往占到一个应用程序的大部份代码,可见其重要性,但说到,这种复杂并不来自于单片机的本身,而是来自于操作者的习惯等等问题,因此,在编写键盘处理程序之前,最好先把它从逻辑上理清,然后用适当的算法表示出来,最后再去写代码,这样,才能快速有效地写好代码。

  键盘是由一组规则排列的按键组成,一个按键实际上是一个开关元件,也就是说键盘是一组规则排列的开关。


    键盘工作原理


    1.按键的分类

按键按照结构原理可分为两类,一类是触点式开关按键,如机械式开关、导电橡胶式开关等;另一类是无触点开关按键,如电气式按键,磁感应按键等。前者造价低,后者寿命长。目前,微机系统中最常见的是触点式开关按键。

按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类,这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别,非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。

全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码,此外,一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路,这种键盘使用方便,但需要较多的硬件,价格较贵,一般的单片机应用系统较少采用。非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵,其它工作均由软件完成。由于其经济实用,较多地应用于单片机系统中。下面将重点介绍非编码键盘接口。

2.键输入原理

在单片机应用系统中,除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外,其它按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。当所设置的功能键或数字键按下时,计算机应用系统应完成该按键所设定的功能,键信息输入是与软件结构密切相关的过程。

    对于一组键或一个键盘,总有一个接口电路与CPU相连。CPU可以采用查询或中断方式了解有无将键输入并检查是哪一个键按下,将该键号送入累加器ACC,然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序,执行完后再返回主程序。

3.按键结构与特点

微机键盘通常使用机械触点式按键开关,其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。也就是说,它能提供标准的TTL逻辑电平,以便与通用数字系统的逻辑电平相容。

机械式按键再按下或释放时,由于机械弹性作用的影响,通常伴随有一定时间的触点机械抖动,然后其触点才稳定下来。其抖动过程如图7.2所示,抖动时间的长短与开关的机械特性有关,一般为5~10ms。


左图  按键触点的机械抖动

在触点抖动期间检测按键的通与断状态,可能导致判断出错。即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作,这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判,必须采取去抖动措施,可从硬件、软件两方面予以考虑。在键数较少时,可采用硬件去抖,而当键数较多时,采用软件去抖。

在硬件上可采用在键输出端加R-S触发器(双稳态触发器)或单稳态触发器构成去抖动电路,图7.3是一种由R-S触发器构成的去抖动电路,当触发器一旦翻转,触点抖动不会对其产生任何影响。

电路工作过程如下:按键未按下时,a = 0,b = 1,输出Q = 1,按键按下时,因按键的机械弹性作用的影响,使按键产生抖动,当开关没有稳定到达b端时,因与非门2输出为0反馈到与非门1的输入端,封锁了与非门1,双稳态电路的状态不会改变,输出保持为1,输出Q不会产生抖动的波形。当开关稳定到达b端时,因a = 1,b = 0,使Q = 0,双稳态电路状态发生翻转。当释放按键时,在开关未稳定到达a端时,因Q = 0,封锁了与非门2,双稳态电路的状态不变,输出Q保持不变,消除了后沿的抖动波形。当开关稳定到达b端时,因a = 0,b = 0,使Q = 1,双稳态电路状态发生翻转,输出Q重新返回原状态。由此             右图 双稳态去抖电路

可见,键盘输出经双稳态电路之后,输出已变为规范的矩形方波。

软件上采取的措施是:在检测到有按键按下时,执行一个10ms左右(具体时间应视所使用的按键进行调整)的延时程序后,再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平,若仍保持闭合状态电平,则确认该键处于闭合状态;同理,在检测到该键释放后,也应采用相同的步骤进行确认,从而可消除抖动的影响。

    4.按键编码

一组按键或键盘都要通过I/O口线查询按键的开关状态。根据键盘结构的不同,采用不同的编码。无论有无编码,以及采用什么编码,最
中断服务程序时,首先判别有无键闭合,若无键闭合,将标志1和标志2置0后返回;若有键闭合,先检查标志1,当标志1为0时,说明还未进行去抖动处理,此时置位标志1,并中断返回。由于中断返回后要经过10ms后才会再次中断,相当于延时了10ms,因此,程序无须再延时。下次中断时,因标志1为1,CPU再检查标志2,如标志2为0说明还未进行按键的识别处理,这时,CPU先置位标志2,然后进行按键识别处理,再执行相应的按键功能子程序,最后,中断返回。如标志2已经为1,则说明此次按键已做过识别处理,只是还未释放按键,当按键释放后,在下一次中断服务程序中,标志1和标志2又重新置0,等待下一次按键。

3)中断扫描方式

采用上述两种键盘扫描方式时,无论是否按键,CPU都要定时扫描键盘,而单片机应用系统工作时,并非经常需要键盘输入,因此,CPU经常处于空扫描状态,为提高CPU工作效率,可采用中断扫描工作方式。其工作过程如下:当无键按下时,CPU处理自己的工作,当有键按下时,产生中断请求,CPU转去执行键盘扫描子程序,并识别键号。


左图是一种简易键盘接口电路,该键盘是由8051P1口的高、低字节构成的4×4键盘。键盘的列线与P1口的高4位相连,键盘的行线与P1口的低4位相连,因此,P1.4~P1.7是键输出线,P1.0~P1.3是扫描输入线。图中的4输入与门用于产生按键中断,其输入端与各列线相连,再通过上拉电阻接至+5V电源,输出端接至8051的外部中断输入端 。具体工作如下:当键盘无键按下时,与门各输入端均为高电平,保持输出端为高电平;当有键按下时,端为低电平,向CPU申请中断,若CPU开放外部中断,则会响应中断请求,转去执行键盘扫描子程序。





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