任务1 键盘控制原理

键盘是一组按键的集合，它是最常用的单片机输入设备。操作人员可以通过键盘输入数据或命令，从而实现简单的人-机通信。

键盘按其结构形式可分为编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘通过硬件的方法产生键码，能自动识别被按下的键并产生相应的键码值，该键码值以并行或串行的方式发送给CPU，它接口简单，响应速度快，但需要专用的硬件电路；非编码键盘通过软件的方法产生键码值，它不需要专用的硬件电路，结构简单，成本低廉，但响应速度没有编码键盘快。为了减少电路的复杂程度，节省单片机的I/O端口，因此非编码键盘在单片机应用系统中使用得非常广泛。

1.消抖动

键盘是由按键构成的，键的闭合与否通常用高、低电平来进行检测。当键闭合时，该键为低电平；当键断开时，该键为高电平。在默认状态下(即平时)，按键的两个触点处于断开状态，按下键时它们才闭合。

按键的闭合与断开都是利用其机械弹性来实现的。由于机械弹性的作用，按键 （K） 在闭合与断开的瞬间均有抖动过程，如图4-1所示。抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5～10ms。

若在触点抖动期间检测按键的通/断状态，可能导致判断出错，即按键一次被按下或释放，可能被错误地认为是多次操作，这种情况是不能容忍的。为了克服按键触点机械抖动所导致的错误，使CPU对键的一次闭合仅作一次键输入处理，必须采取消抖动措施。

图4-1 按键时的抖动

消抖动的方法分为硬件方法和软件方法两种。例如，采用RS触发器(双稳态触发器)构成的双稳态消抖动电路，采用单稳态触发器构成的单稳态消抖动电路，以及滤波消抖动电路，这些都是硬件消抖动方法，如图4-2所示。在图4-2(a)中，当按键K未被按下时，输出为1；当K被按下时，输出为0。此时即使因按键的机械性能，使按键因弹性抖动而产生瞬时断开(抖动跳开B)，只要按键不返回原始状态A，双稳态电路的输出状态不会改变，保持为0。也就是说，即使B点的电压波形是抖动的，但经双稳态电路后，其输出仍为矩形波。

图4-2 硬件消抖动方法

软件消抖动方法就是当检测到有键被按下时，执行一个10～20ms的延时子程序，然后再次确认该键是否仍保持闭合状态，若仍闭合则确认为此键被按下，从而消除了抖动的影响。软件消抖动流程图如图4-3所示。

图4-3 软件消抖动流程图

2.键盘结构

键盘可以分为独立连接式键盘和矩阵式键盘两类，每一类按其译码方法又可以分为编码及非编码两种类型，本书介绍的范例中所使用的键盘均为非编码键盘。

独立连接式键盘是直接用I/O端口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键接一根输入线，占用一根I/O端口线，各键的工作状态互不影响，如图4-4所示。

图4-4 独立连接式键盘电路

独立连接式键盘电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O端口线，所以在按键较多时，占用I/O端口线较多，不宜采用。

矩阵式键盘又称行列式键盘，它是用I/O端口线组成行、列结构，行线与列线分别连接在按键开关的两端，列线通过上拉电阻接至电源，使无键被按下时列线处于高电平状态。按键设置在行、列线的交叉点上。当按键被按下时，行线与列线发生短路。矩阵式键盘具有占用I/O端口线较少，软件结构较复杂等特点，适用于按键较多的场合。用3×3的行列结构可构成9个键的键盘，用4×4的行列结构可构成16个键的键盘，如图4-5所示。

图4-5 矩阵式键盘