單片機(jī)系統(tǒng)鍵盤設(shè)計(jì)總結(jié)

概述鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令的功能，是人工干預(yù)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(shí)別工作與可靠性措施。每按一次鍵，鍵盤自動(dòng)提供被按鍵的讀數(shù)，同時(shí)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(shí)按鍵保護(hù)功能。這種鍵盤易于使用，但硬件比較復(fù)雜，對(duì)于主機(jī)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(shí)用的方案。非編碼鍵盤：只簡(jiǎn)單地提供鍵盤的行列與矩陣，其他操作如鍵的識(shí)別，決定按鍵的讀數(shù)等僅靠軟件完成，故硬件較為簡(jiǎn)單，但占用CPU較多時(shí)間。有：獨(dú)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(jì)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(jì)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(dòng)的消除，鍵值查找及一些保護(hù)措施的實(shí)施等任務(wù)，均由軟件來完成。（一）非編碼鍵盤的鍵輸入程序應(yīng)完成的基本任務(wù)1.監(jiān)測(cè)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(cè)，便可確認(rèn)按鍵按下與否。2.判斷是哪個(gè)鍵按下。3.完成鍵處理任務(wù)。（二）從電路或軟件的角度應(yīng)解決的問題1.消除抖動(dòng)影響。鍵盤按鍵所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。由于機(jī)械觸點(diǎn)的的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合和斷開的瞬間均有一連串的抖動(dòng)，波形如下：抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為5~10ms，這是一個(gè)很重要的參數(shù)。抖動(dòng)過程引起電平信號(hào)的波動(dòng)，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(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動(dòng)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(shí)的方法：在第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí)10ms的子程序后，再確認(rèn)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(rèn)真正有鍵按下，進(jìn)行相應(yīng)處理工作，消除了抖動(dòng)的影響。（這種消除抖動(dòng)影響的軟件措施是切實(shí)可行的。）2.采取串鍵保護(hù)措施。串鍵：是指同時(shí)有一個(gè)以上的鍵按下，串鍵會(huì)引起CPU錯(cuò)誤響應(yīng)。通常采取的策略：?jiǎn)捂I按下有效，多鍵同時(shí)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(duì)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(shí)間多長(zhǎng)，僅采樣一個(gè)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(yù)知，由按鍵時(shí)間決定。連擊是可以利用的。連擊對(duì)于用計(jì)數(shù)法設(shè)計(jì)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(xiàng)任務(wù)時(shí)，如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式?？紤]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(shí)響應(yīng)按鍵的操作，又不過多的占用CPU的工作時(shí)間。鍵盤的工作方式有：查詢方式（編程掃描，定時(shí)掃描方式）、中斷掃描方式。四、鍵盤電路結(jié)構(gòu)（一）獨(dú)立式按鍵接口設(shè)計(jì)獨(dú)立式按鍵就是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線，每根I/O口線的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他I/O口線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)按鍵被按下了。優(yōu)點(diǎn)：電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：每個(gè)按鍵需占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，I/O口浪費(fèi)大，電路結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。因此，此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。也可以用擴(kuò)展I/O口搭接獨(dú)立式按鍵接口電路，可采用8255擴(kuò)展I/O口，用三態(tài)緩沖器擴(kuò)展。這兩種配接方式，都是把按鍵當(dāng)作外部RAM某一工作單元的位來對(duì)待，通過讀片外RAM的方法，識(shí)別按鍵的工作狀態(tài)。上電路中獨(dú)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(shí)，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(jì)矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點(diǎn)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(jì)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，為簡(jiǎn)化硬件線路，縮小整個(gè)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(dú)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(gè)RAM工作單元，對(duì)某一個(gè)按鍵進(jìn)行按鍵計(jì)數(shù)，根據(jù)不同計(jì)數(shù)值，轉(zhuǎn)到子程序。這種計(jì)數(shù)多功能鍵最好與顯示器結(jié)合用，以便知道當(dāng)前計(jì)數(shù)值，同時(shí)配合一個(gè)啟動(dòng)鍵。復(fù)合鍵是使用軟件實(shí)現(xiàn)一鍵多功能的另一個(gè)途徑。所謂復(fù)合鍵，就是兩個(gè)或兩個(gè)以上的鍵的聯(lián)合，當(dāng)這些鍵同時(shí)按下時(shí)，才能執(zhí)行相應(yīng)的功能程序。實(shí)際情況做不到“同時(shí)按下”，他們的時(shí)間差別可以長(zhǎng)到50ms，解決策略是：定義一個(gè)或兩個(gè)引導(dǎo)鍵，這些引導(dǎo)鍵按下時(shí)沒什么意義，執(zhí)行空操作。引導(dǎo)鍵的例子：微機(jī)鍵盤上的CTRL、SHIFT、ALT。缺點(diǎn)：一是操作變得復(fù)雜，二是操作時(shí)間變長(zhǎng)。多功能鍵的利用，應(yīng)具體情況具體分析。要求速度的場(chǎng)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(shí)，可采取一鍵多功能。六、功能開關(guān)及撥碼盤接口設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)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(jī)系統(tǒng)加電時(shí)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(huì)影響CPU的正常工作，只有在下一次加電時(shí)，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：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，有時(shí)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(shí)使用數(shù)字撥碼盤既簡(jiǎn)單直觀，又方便可靠。七、按鍵介紹常用的按鍵有三種：機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵、導(dǎo)電橡膠式和柔性按鍵（又稱觸摸式鍵盤）。機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵是利用彈性使鍵復(fù)位，手感明顯，連線清晰，工藝簡(jiǎn)單，適合單件制造。但是觸點(diǎn)處易侵入灰塵而導(dǎo)致接觸不良，體積相對(duì)較大。導(dǎo)電橡膠按鍵是利用橡膠的彈性來復(fù)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(shí)間長(zhǎng)了，橡膠老化而使彈力下降，同時(shí)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(dòng)作幅度觸感明顯，富有立體感，但制造工藝相對(duì)復(fù)雜；平面型幅度微小，觸感較弱，但工藝簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)。柔性按鍵最大特點(diǎn)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(jī)的要求來設(shè)計(jì)。八、單片機(jī)系統(tǒng)鍵盤設(shè)計(jì)實(shí)例本次設(shè)計(jì)中，鍵盤結(jié)構(gòu)采用非編碼鍵盤系統(tǒng)中的獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)。用三態(tài)緩沖器573擴(kuò)展I/O口搭接獨(dú)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(shí)掃描方式。采用定時(shí)器T0定時(shí)，CPU每隔200ms掃描鍵盤一次，即通過讀取573的輸出數(shù)據(jù)，識(shí)別按鍵的工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)中對(duì)于重鍵和連擊的處理：對(duì)