单片机独立按键和矩阵键盘概念及原理

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judy 发布于:周四, 04/12/2018 - 11:21 ,关键词:

1.按键分类与输入原理

按键按照结构原理科分为两类,一类是触点式开关按键,如机械式开关、导电橡胶式开关灯;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,微机系统中最常见的是触点式开关按键。

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,其他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,键信息输入时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按键输入,并检查是哪一个按键按下,将该键号送人累加器,然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序,执行完成后再返回主程序。

2.按键结构与特点

微机键盘通常使用机械触点式按键开关,其主要功能式把机械上的通断转换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,以便于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,通常伴随有一定的时间触点机械抖动,然后其触点才稳定下来。其抖动过程如下图1所示,抖动时间的长短与开关的机械特性有关,一般为5-10ms。在触点抖动期间检测按键的通与断,可能导致判断出错,即按键一次按下或释放错误的被认为是多次操作,这种情况是不允许出现的。为了克服你、按键触点机械抖动所致的检测误判,必须采取消抖措施。按键较少时,可采用硬件消抖;按键较多式,采用软件消抖。

单片机独立按键和矩阵键盘概念及原理
图1 按键触点机械抖动

(1)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。

(2)键盘程序

一个完整的键盘控制程序应具备以下功能:

a.检测有无按键按下,并采取硬件或软件措施消抖。

b.有可靠的逻辑处理办法。每次只处理一个按键,期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。

c.准确输出按键值(或键号),以满足跳转指令要求。

3.独立按键与矩阵键盘

(1)独立按键

单片机控制系统中,如果只需要几个功能键,此时,可采用独立式按键结构。

独立按键式直接用I/O口线构成的单个按键电路,其特点式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他I/O口线的状态。独立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个I/O口线,因此,在按键较多时,I/O口线浪费较大,不宜采用。独立按键如图2所示。

单片机独立按键和矩阵键盘概念及原理
图2 独立键盘

独立按键的软件常采用查询式结构。先逐位查询没跟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。

(2)矩阵键盘

单片机系统中,若使用按键较多时如电子密码锁、电话机键盘等一般都至少有12到16个按键,通常采用矩阵键盘。

矩阵键盘又称行列键盘,它是用四条I/O线作为行线,四条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。这样键盘上按键的个数就为4*4个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。

矩阵键盘的工作原理

最常见的键盘布局如图3所示。一般由16个按键组成,在单片机中正好可以用一个P口实现16个按键功能,这也是在单片机系统中最常用的形式,4*4矩阵键盘的内部电路如图4所示。

单片机独立按键和矩阵键盘概念及原理
图3 矩阵键盘布局图

单片机独立按键和矩阵键盘概念及原理
图4 矩阵键盘内部电路图

当无按键闭合时,P3.0~P3.3与P3.4~P3.7之间开路。当有键闭合时,与闭合键相连的两条I/O口线之间短路。判断有无按键按下的方法是:第一步,置列线P3.4~P3.7为输入状态,从行线P3.0~P3.3输出低电平,读入列线数据,若某一列线为低电平,则该列线上有键闭合。第二步,行线轮流输出低电平,从列线P3.4~P3.7读入数据,若有某一列为低电平,则对应行线上有键按下。综合一二两步的结果,可确定按键编号。但是键闭合一次只能进行一次键功能操作,因此须等到按键释放后,再进行键功能操作,否则按一次键,有可能会连续多次进行同样的键操作。

识别按键的方法很多其中,最常见的方法是扫描法

按键按下时,与此键相连的行线与列线导通,行线在无按键按下时处在高电平。如果所有的列线都处在高电平,则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电平。这样,当有按键按下时,改键所在的行电平才回由高变低。才能判断相应的行有键按下。

独立按键数量少,可根据实际需要灵活编码。矩阵键盘,按键的位置由行号和列号唯一确定,因此可以分别对行号和列号进行二进制编码,然后两值合成一个字节,高4位是行号,低4位是列号。

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的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,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。

(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,并在有按键按下时识别出该键,再执行该键的功能程序。

(3)中断扫描方式

上述两种键盘扫描方式,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:当无按键按下时,CPU处理自己的工作,当有按键按下时,产生中断请求,CPU转去执行键盘扫描子程序,并识别键号。

本文转载自: 单片机精讲吴鉴鹰

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