單片機系統(tǒng)鍵盤的設(shè)計小結(jié)

鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令的功能，是人工干預的主要手段。鍵盤分兩大類：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。
編碼鍵盤：由硬件邏輯電路完成必要的鍵識別工作與可靠性措施。每按一次鍵，鍵盤自動提供被按鍵的讀數(shù)，同時產(chǎn)生一選通脈沖通知微處理器，一般還具有反彈跳和同時按鍵保護功能。這種鍵盤易于使用，但硬件比較復雜，對于主機任務(wù)繁重之情況，采用8279可編程鍵盤管理接口芯片構(gòu)成編碼式鍵盤系統(tǒng)是很實用的方案。
非編碼鍵盤：只簡單地提供鍵盤的行列與矩陣，其他操作如鍵的識別，決定按鍵的讀數(shù)等僅靠軟件完成，故硬件較為簡單，但占用CPU較多時間。有：獨立式按鍵結(jié)構(gòu)、矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)。
二、鍵盤系統(tǒng)設(shè)計
　　首先，確定鍵盤編碼方案：采用編碼鍵盤或非編碼鍵盤。隨后，確定鍵盤工作方式：采用中斷或查詢方式輸入鍵操作信息。然后，設(shè)計硬件電路。非編碼鍵盤系統(tǒng)中，鍵閉合和鍵釋放的信息的獲取，鍵抖動的消除，鍵值查找及一些保護措施的實施等任務(wù)，均由軟件來完成。
　?。ㄒ唬┓蔷幋a鍵盤的鍵輸入程序應(yīng)完成的基本任務(wù)
　　1.監(jiān)測有無鍵按下；鍵的閉合與否，反映在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平，所以通過電平的高低狀態(tài)的檢測，便可確認按鍵按下與否。
2.判斷是哪個鍵按下。
3.完成鍵處理任務(wù)。
　?。ǘ碾娐坊蜍浖慕嵌葢?yīng)解決的問題
　　1.消除抖動影響。鍵盤按鍵所用開關(guān)為機械彈性開關(guān)，利用了機械觸點的合、斷作用。由于機械觸點的的彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合和斷開的瞬間均有一連串的抖動

　　抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為5~10ms，這是一個很重要的參數(shù)。抖動過程引起電平信號的波動，有可能令CPU誤解為多次按鍵操作，從而引起誤處理。
　　為了確保CPU對一次按鍵動作只確認一次按鍵，必須消除抖動的影響。按鍵的消抖，通常有軟件，硬件兩種消除方法。

這種方法只適用于鍵的數(shù)目較少的情況。
　　軟件消抖：如果按鍵較多，硬件消抖將無法勝任，常采用軟件消抖。通常采用軟件延時的方法：在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時10ms的子程序后，再確認電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平，則確認真正有鍵按下，進行相應(yīng)處理工作，消除了抖動的影響。（這種消除抖動影響的軟件措施是切實可行的。）
　　2.采取串鍵保護措施。串鍵：是指同時有一個以上的鍵按下，串鍵會引起CPU錯誤響應(yīng)。
　　通常采取的策略：單鍵按下有效，多鍵同時按下無效。
3.處理連擊。連擊：是一次按鍵產(chǎn)生多次擊鍵的效果。要有對按鍵釋放的處理，為了消除連擊，使得一次按鍵只產(chǎn)生一次鍵功能的執(zhí)行（不管一次按鍵持續(xù)的時間多長，僅采樣一個數(shù)據(jù)）。否則的話，鍵功能程序的執(zhí)行次數(shù)將是不可預知，由按鍵時間決定。連擊是可以利用的。連擊對于用計數(shù)法設(shè)計的多功能鍵特別有效。
三、鍵盤工作方式
單片及應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是CPU的工作內(nèi)容之一。CPU忙于各項任務(wù)時，如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式。考慮儀表系統(tǒng)中CPU任務(wù)的份量，來確定鍵盤的工作方式。
鍵盤的工作方式選取的原則是：既要保證能及時響應(yīng)按鍵的操作，又不過多的占用CPU的工作時間。
鍵盤的工作方式有：查詢方式（編程掃描，定時掃描方式）、中斷掃描方式。
　 四、鍵盤電路結(jié)構(gòu)
（一）獨立式按鍵接口設(shè)計
獨立式按鍵就是各按鍵相互獨立，每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每根I/O口線的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他I/O口線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個按鍵被按下了。
優(yōu)點：電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單。
缺點：每個按鍵需占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時，I/O口浪費大，電路結(jié)構(gòu)顯得復雜。
因此，此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的場合。

中斷方式 查詢方式
也可以用擴展I/O口搭接獨立式按鍵接口電路，可采用8255擴展I/O口，用三態(tài)緩沖器擴展。這兩種配接方式，都是把按鍵當作外部RAM某一工作單元的位來對待，通過讀片外RAM 的方法，識別按鍵的工作狀態(tài)。
上電路中獨立式按鍵電路，各按鍵開關(guān)均采用了上拉電阻，是為了保證在按鍵斷開時，各I/O有確定的高電平。如輸入口線內(nèi)部已有上拉電阻，則外電路的上拉電阻可省去。
（二）矩陣式鍵盤接口設(shè)計
矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合，由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點上。節(jié)省I/O口。
　　矩陣鍵盤工作原理：行線通過上拉電阻接到+5V上。無按鍵，行線處于高電平狀態(tài)，有鍵按下，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線電平為低，則行線電平為低；列線電平為高，則行線電平為高。
　　五、雙功能及多功能鍵設(shè)計
　　在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，為簡化硬件線路，縮小整個系統(tǒng)的規(guī)模，總希望設(shè)置最少的按鍵，獲得最多的控制功能。
　　矩陣鍵盤與獨立式按鍵鍵盤相比，硬件電路大大節(jié)省?？赏ㄟ^軟件的方法讓一鍵具有多功能。方法：選擇一個RAM工作單元，對某一個按鍵進行按鍵計數(shù)，根據(jù)不同計數(shù)值，轉(zhuǎn)到子程序。這種計數(shù)多功能鍵最好與顯示器結(jié)合用，以便知道當前計數(shù)值，同時配合一個啟動鍵。
　　復合鍵是使用軟件實現(xiàn)一鍵多功能的另一個途徑。所謂復合鍵，就是兩個或兩個以上的鍵的聯(lián)合，當這些鍵同時按下時，才能執(zhí)行相應(yīng)的功能程序。實際情況做不到“同時按下”，他們的時間差別可以長到50ms，解決策略是：定義一個或兩個引導鍵，這些引導鍵按下時沒什么意義，執(zhí)行空操作。引導鍵的例子：微機鍵盤上的CTRL、SHIFT、ALT。
缺點：一是操作變得復雜，二是操作時間變長。
　　多功能鍵的利用，應(yīng)具體情況具體分析。要求速度的場合最好做一鍵一功能。如果系統(tǒng)功能很多，一鍵一功能不現(xiàn)實，可采取一鍵多功能。
　　六、功能開關(guān)及撥碼盤接口設(shè)計
設(shè)計原因：鍵盤輸入靈活性大，操縱方便。但某些重要功能或數(shù)據(jù)由鍵盤輸入，誤操作將產(chǎn)生一些不良后果。因此常設(shè)定靜態(tài)開關(guān)的方法來執(zhí)行這些功能或輸入數(shù)據(jù)。靜態(tài)開關(guān)一經(jīng)設(shè)定，將不再改變，一直維持設(shè)定的開關(guān)狀態(tài)。通常這些開關(guān)狀態(tài)是在單片機系統(tǒng)加電時由CPU讀入內(nèi)存RAM的，以后CPU將不再關(guān)注這些開關(guān)的狀態(tài)，因此，即使加電后，這些開關(guān)的狀態(tài)發(fā)生變化，也不會影響CPU的正常工作，只有在下一次加電時，這些新狀態(tài)才能生效。
　　第一，功能開關(guān)：主要是根據(jù)開關(guān)的狀態(tài)執(zhí)行一些重要的功能。
　　第二，撥碼盤：單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，有時要輸入一些控制參數(shù)，這些參數(shù)一經(jīng)設(shè)定，將維持不變，除非給系統(tǒng)斷電后重新設(shè)定。這時使用數(shù)字撥碼盤既簡單直觀，又方便可靠。
　　七、按鍵介紹
常用的按鍵有三種：機械觸點式按鍵、導電橡膠式和柔性按鍵（又稱觸摸式鍵盤）。
機械觸點式按鍵是利用彈性使鍵復位，手感明顯，連線清晰，工藝簡單，適合單件制造。但是觸點處易侵入灰塵而導致接觸不良，體積相對較大。
導電橡膠按鍵是利用橡膠的彈性來復位，通過壓制的方法把面板上所有的按鍵制成一塊，體積小，裝配方便，適合批量生產(chǎn)。但是時間長了，橡膠老化而使彈力下降，同時易侵入灰塵。
柔性按鍵是近年來迅速發(fā)展的一種新型按鍵，可以分為凸球型和平面型兩種。凸球型動作幅度觸感明顯，富有立體感，但制造工藝相對復雜；平面型幅度微小，觸感較弱，但工藝簡單，壽命長。柔性按鍵最大特點是防塵、防潮、耐蝕，外形美觀，裝嵌方便。而且外形和面板的布局、色彩、鍵距可按照整機的要求來設(shè)計。
　　八、單片機系統(tǒng)鍵盤設(shè)計實例
　　本次設(shè)計中，鍵盤結(jié)構(gòu)采用非編碼鍵盤系統(tǒng)中的獨立式按鍵結(jié)構(gòu)。用三態(tài)緩沖器573擴展I/O口搭接獨立式按鍵接口電路，按鍵狀態(tài)由573鎖存。
　　鍵盤工作方式采用定時掃描方式。采用定時器T0定時，CPU每隔200ms掃描鍵盤一次，即通過讀取573的輸出數(shù)據(jù)，識別按鍵的工作狀態(tài)。
　　設(shè)計中對于重鍵和連擊的處理：對于重鍵（串鍵：指同時有一個以上的鍵按下），采用軟件提供保護，當判斷為一個以上的鍵按下，則不處理，返回重新進行監(jiān)測。只有監(jiān)測到一個鍵按下時，才判斷鍵值，執(zhí)行相應(yīng)鍵處理工作。
　　鍵盤對液晶顯示的控制是通過顯示畫面的頁碼作為接口參數(shù)來完成的。在每一頁中，鍵盤對數(shù)據(jù)的修改是通過對按鍵次數(shù)的計算作為接口參數(shù)來實現(xiàn)的。
　　具體例程如下：
void keyscan()
{ucher data newz ，temp，pat；
if(time_out)
{ACC=MJP;
temp=ACC&0x0f，
if(temp！=0x0f)
{msec(10);
ACC=MJP；
temp=ACC&0x0f
if(temp=0x0f)
{newz=temp;
pat=newz^old;
if(pat)>0)
{old=newz;
keymana();
}

else;
}
else;
}
elsr;
old=temp;
time_out=0
}
esel;
}
　　九、結(jié)語
　　鍵盤是單片機系統(tǒng)設(shè)計中一種主要的信息輸入接口，合理的設(shè)計，不僅可以節(jié)省系統(tǒng)的設(shè)計成本，更可使儀器設(shè)備的操作變得更為簡單、方便，很大程度上提高系統(tǒng)綜合性能。