单片机与键盘接口.docx
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单片机与键盘接口
MCS-51单片机与键盘的接口
键盘接口和数码管接口是构成单片机人机界面的主要方法 。
键盘是单片机应用系统中最常用的输入设备，操作人员一般都是通过键盘向单片机系统输入指令、数据，实现简单的人机通信。
所以学习单片机与键盘接口的原理和编程方法就显得十分的重要。
一．键盘的工作原理
1.1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；另一类是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。
前者造价低，后者寿命长。
目前，单片机应用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。
1.2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的。
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单片机相连。
单片机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。
.
1.3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。
其抖动过程如下图所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5~10ms。
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。
这一点可从硬件、软件两方面予以考虑。
在键数较少时，可用硬件去抖，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。
下图是一种由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。
当释放按键式，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抖动波形。
当开关稳定到达b端时，因a=0，b=0，使得Q=1，双稳态电路状态发生翻转，输出Q重新返回原状态。
因此可见，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。
1.4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，最后都要转换成为与累加器中数值相对应的键值，以实现按键功能程序的跳转。
1.5编制键盘程序
一个完善的键盘控制程序应具备以下功能：
（1）检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施，消除键盘按键机械触点抖动的影响。
（2）有可靠的逻辑处理办法。
每次只处理一个按键，其间对任何按键的操作对系统不产生影响，且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序。
（3）准确输出按键值（或键号），以满足程序跳转指令要求
二、独立式按键
单片机控制系统中，往往只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。
2.1独立式按键结构
独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。
独立式按键的典型应用如图所示。
独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。
下图中按键的输入均采用低电平有效，此外，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。
当I/O内部有上拉电阻时，外电路可不接上拉电阻。
独立式按键电路
2.2独立式按键的软件结构
独立式按键的软件常采用查询式结构。
先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。
图中的I/O口采用P1口，由于独立式键盘比较简单，请读者自行编制相应的软件。
三、矩阵式键盘
单片机系统中，若使用按键较多时，通常采用矩阵式（也称行列式）键盘。
3.1矩阵式键盘的结构及原理
矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上，其结构如图所示。
由图可知，一个4×4的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘，显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多I/O口。
矩阵式键盘
矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到＋5V上。
当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。
这是识别按键是否按下的关键。
然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。
3.2矩阵式键盘按键的识别
识别按键的方法很多，其中，最常见的方法是扫描法。
下面以图中8号键的识别为例来说明扫描法识别按键的过程。
按键按下时，与此键相连的行线与列线导通，行线在无键按下时处在高电平。
显然，如果让所有的列线也处在高电平，那么，按键按下与否不会引起行线电平的变化，因此，必须使所有列线处在低电平。
只有这样，当有键按下时，该键所在的行电平才会由高电平变为低电平。
CPU根据行电平的变化，便能判定相应的行有键按下。
8号键按下时，第2行一定为低电平。
然而，第2行为低电平时，能否肯定是8号键按下呢？
回答是否定的，因为9、10、11号键按下，同样会使第2行为低电平。
为进一步确定具体键，不能使所有列线在同一时刻都处在低电平，可在某一时刻只让一条列线处于低电平，其余列线均处于高电平，另一时刻，让下一列处在低电平，依此循环，这种依次轮流每次选通一列的工作方式称为键盘扫描。
采用键盘扫描后，再来观察8号键按下时的工作过程，当第0列处于低电平时，第2行处于低电平，而第1、2、3列处于低电平时，第2行却处在高电平，由此可判定按下的键应是第2行与第0列的交叉点，即8号键。
3.3键盘的编码
对于独立式按键键盘，因按键数量少，可根据实际需要灵活编码。
对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号惟一确定，因此可分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。
如图中的8号键，它位于第2行，第0列，因此，其键盘编码应为20H。
采用上述编码对于不同行的键离散性较大，不利于散转指令对按键进行处理。
因此，可采用依次排列键号的方式对按排进行编码。
以图中的4×4键盘为例，可将键号编码为：
01H、02H、03H、…、0EH、0FH、10H等16个键号。
编码相互转换可通过计算或查表的方法实现。
3.4键盘的工作方式
对键盘的响应取决于键盘的工作方式，键盘的工作方式应根据实际应用系统中CPU的工作状况而定，其选取的原则是既要保证CPU能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。
通常，键盘的工作方式有三种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。
1.编程扫描方式
编程扫描方式是利用CPU完成其它工作的空余时间，调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。
在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。
键盘扫描程序一般应包括以下内容：
（1）判别有无键按下。
（2）键盘扫描取得闭合键的行、列值。
（3）用计算法或查表法得到键值。
（4）判断闭合键是否释放，如没释放则继续等待。
（5）将闭合键键号保存，同时转去执行该闭合键的功能。
2.定时扫描方式
定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间（例如10ms）的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断，CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。
定时扫描方式的程序流程图如下：
定时扫描实际上是通过定时器中断来实现处理的，为处理方便，在单片机中设置了两个标志位，第1个为消除抖动标志F1，第2个为键处理标志F2。
当无键按下时，F1、F2都置为0，由于定时开始时一般不会有键按下，故F1、F2初始化为0，当键盘上有键按下时先检查消除抖动标志F1，如果F1=0，表示还未消除抖动，这时把F1置1，直接中断返回，因为中断返回后10ms才能再次中断，相当于现实了10ms的延时，从而实现了消抖；当再次定时中断时，如果F1=1，则说明抖动已消除，在检查F2，如果F2=0，则扫描识别键位，求出该键位的编码，并将F2置1返回；当再一次中断时，检查到F2=1，说明当前按键已经处理了，则直接返回。
在程序处理上，定时器中断服务程序前面是对两个标志位的检查程序，后面的键盘扫描子程序与查询方式相同，请读者自己编写。
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CPU的P1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输入与非门用于产生按键中断，其输入端与各列线相连，在通过上拉电阻接到+5V电源，输出端接至CPU的外部中断输入端————INT0。
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，————INT0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。
四．矩阵键盘的实例应用
要求：
使用1602C字符显示液晶和4*4矩阵键盘设计一个简易计算器。
分析：
由于使用4*4矩阵键盘只有16个按键，所以在设计中这样来设计按键：
0~9数字键，加、减、乘、除，等号，还有清零键，正好16个键。
有关1602C字符液晶的使用请参考……这里不做介绍，程序设计中会给予注释。
程序如下：
/*Lcd.h包含1602C液晶的处理的头文件*/
#defineucharunsignedchar
sbitRS=P2^4;
sbitRW=P2^5;
sbitE=P2^6;
voiddelay（）
{
uchari=200;
while（i--）;
}
voidfbusy（）/*忙函数*/
{
P0=0xff;
RS=0;
RW=1;
E=1;
while（P0&0x80）;
E=0;
}
voidwritecmd（ucharcmd）/*写一个字节命令*/
{
fbusy（）;/*检查忙*/
RS=0;
RW=0;
E=1;
P0=cmd;
E=0;
}
voidwritedate（uchardate）/*写一个字节数据*/
{
fbusy（）;
E=1;
RS=1;
RW=0;
P0=date;
E=0;
delay（）;
}
voidinit（）/*初始化*/
{
writecmd（0x01）;/*清屏*/
writecmd（0x38）;/*使用8位数据，显示两行，使用5*7的字型*/
writecmd（0x0f）;/*显示器开，光标开,字符不闪烁*/
writecmd（0x06）;/*字符不动，光标自动右移动一格*/
writecmd（0x80）;
}
/*键盘扫描及计算头文件*/
#include
uchardate[15];
floatnum1=0;/*存储第一个操作数*/
floatnum2=0;/*存储第二个操作数*/
charopeart='#';/*存储运算符*/
floatzhi=0;/*存储运算结果*/
voiddelay1（）/*延时，主要用于消除抖动*/
{
inti=20000;
while（i--）;
}
ucharkeyscanx（）/*键盘行扫描*/
{
uchari;
ucharkeyx=0x01;
for（i=0;i<4;i++）
{
if（（P3&keyx）==0）
break;
else
keyx=keyx<<1;
}
returni*4;
}
ucharkeyscany（）/*键盘列扫描8*/
{
uchari;
P3=0x7f;
for（i=0;i<4;i++）
{
if（（P3&0x0f）!
=0x0f）
break;
else
P3=P3>>1|0x80;
}
returni;
}
ucharKeyScan（）
{
returnkeyscanx（）+keyscany（）;/*返回扫描的键值*/
}
voidJudgeKey（）
{
ucharkey;
uchari;
P3=0x0f;
if（（P3&0x0f）!
=0x0f）/*判断是否有键按下
{
delay（）;/*去抖
if（（P3&0x0f）!
=0x0f）
{
key=KeyScan（）;
if（num1==0&&（key==0||（key>=11&&key<=15）））;
else
{
if（key>=0&&key<=9）
{
if（num1==0&&key==0）;
else
writedate（key+'0'）;
if（opeart=='#'）/*如果运算符为‘#’初始化第一个数
{
num1=num1*10+key;
}
else/*否则处理第二个数
{
num2=num2*10+key;
}
}
if（key==11&&num1!
=0&&num2!
=0）
{
writedate（'='）;
switch（opeart）
{
case'+':
zhi=num1+num2;break;
case'-':
zhi=num1-num2;break;
case'*':
zhi=num1*num2;break;
case'/':
zhi=num1/num2;break;
}
sprintf（date,"%.5f",zhi）;/*库函数，float类型的数据转换成char类型的数组
for（i=0;date[i]!
='\0';i++）
writedate（date[i]）;
num1=0;
num2=0;
opeart='#';
writecmd（0x80+0x40）;
}
if（opeart!
='#'）;
else
{
switch（key）
{
case12:
opeart='+';writedate（opeart）;break;
case13:
opeart='-';writedate（opeart）;break;
case14:
opeart='*';writedate（opeart）;break;
case15:
opeart='/';writedate（opeart）;break;
default:
break;
}
}
if（key==10）
{
writecmd（0x01）;
num1=0;
num2=0;
opeart='#';
}
}
}
}
}
/*主程序*/
#include
#include"Lcd.h"
#include"KeyScan.h"
voidmain（）
{
init（）;
while
（1）
{
JudgeKey（）;
delay1（）;
}
}
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