跟我學(xué)51單片機(jī)-四-獨(dú)立-矩陣鍵盤應(yīng)用與設(shè)計(jì)

752011.04上講介紹并應(yīng)用了單片機(jī)的串口通信,并給出了實(shí)例。從這一講開(kāi)始將介紹單片機(jī)的外圍電路。這講向大家介紹單片機(jī)外接鍵盤電路,通過(guò)該講,讀者可以掌握單片機(jī)外接鍵盤的工作原理從而實(shí)現(xiàn)電路與程序設(shè)計(jì)。一、原理簡(jiǎn)介鍵盤接口電路是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要的一環(huán),作為人機(jī)交互界面里最常用的輸入設(shè)備。我們可以通過(guò)鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)通信。在設(shè)計(jì)鍵盤電路與程序前,我們需要了解鍵盤和組成鍵盤的按鍵的一些知識(shí)。1.按鍵的分類一般來(lái)說(shuō),按鍵按照結(jié)構(gòu)原理可分為兩類,一類是觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)按鍵,如機(jī)械式開(kāi)關(guān)、導(dǎo)電橡膠式開(kāi)關(guān)等;另一類是無(wú)觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)按鍵,如電氣式按鍵,磁感應(yīng)按鍵等。前者造價(jià)低,后者壽命長(zhǎng)。目前,微機(jī)系統(tǒng)中最常見(jiàn)的是觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)按鍵(如本學(xué)習(xí)板上所采用按鍵。按鍵按照接口原理又可分為編碼鍵盤與非編碼鍵盤兩類,這兩類鍵盤的主要區(qū)別是識(shí)別鍵符及給出相應(yīng)鍵碼的方法。編碼鍵盤主要是用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵的識(shí)別,非編碼鍵盤主要是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤的識(shí)別。全編碼鍵盤由專門的芯片實(shí)現(xiàn)識(shí)鍵及輸出相應(yīng)的編碼,一般還具有去抖動(dòng)和多鍵、竄鍵等保護(hù)電路,這種鍵盤使用方便,硬件開(kāi)銷大,一般的小型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)較少采用。非編碼鍵盤按連接方式可分為獨(dú)立式和矩陣式兩種,其它工作都主要由軟件完成。由于其經(jīng)濟(jì)實(shí)用,較多地應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)中(本學(xué)習(xí)板也采用非編碼鍵盤。作者/趙亮●●●跟我學(xué)51單片機(jī)(四——獨(dú)立-矩陣鍵盤應(yīng)用與設(shè)計(jì)圖12011.04762.按鍵的輸入原理在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,通常使用機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵開(kāi)關(guān),其主要功能是把機(jī)械上的通斷轉(zhuǎn)換成為電氣上的邏輯關(guān)系。也就是說(shuō),它能提供標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平,以便與通用數(shù)字系統(tǒng)的邏輯電平相容。此外,除了復(fù)位按鍵有專門的復(fù)位電路及專一的復(fù)位功能外,其它按鍵都是以開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)設(shè)置控制功能或輸入數(shù)據(jù)。當(dāng)所設(shè)置的功能鍵或數(shù)字鍵按下時(shí),計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)完成該按鍵所設(shè)定的功能。因此,鍵信息輸入是與軟件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的過(guò)程。對(duì)于一組鍵或一個(gè)鍵盤,通過(guò)接口電路與單片機(jī)相連。單片機(jī)可以采用查詢或中斷方式了解有無(wú)按鍵輸入并檢查是哪一個(gè)按鍵按下,若有鍵按下則跳至相應(yīng)的鍵盤處理程序處去執(zhí)行,若無(wú)鍵按下則繼續(xù)執(zhí)行其他程序。3.按鍵的特點(diǎn)與去抖機(jī)械式按鍵再按下或釋放時(shí),由于機(jī)械彈性作用的影響,通常伴隨有一定時(shí)間的觸點(diǎn)機(jī)械抖動(dòng),然后其觸點(diǎn)才穩(wěn)定下來(lái)。其抖動(dòng)過(guò)程如圖1(a所示,抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短與開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性有關(guān),一般為5~10ms。從圖中可以看出,在觸點(diǎn)抖動(dòng)期間檢測(cè)按鍵的通與斷狀態(tài),可能導(dǎo)致判斷出錯(cuò)。即按鍵一次按下或釋放被錯(cuò)誤地認(rèn)為是多次操作,這種情況是不允許出現(xiàn)的。為了克服按鍵觸點(diǎn)機(jī)械抖動(dòng)所致的檢測(cè)誤判,必須采取去抖動(dòng)措施,可從硬件、軟件兩方面予以考慮。一般來(lái)說(shuō),在鍵數(shù)較少時(shí),可采用硬件去抖,而當(dāng)鍵數(shù)較多時(shí),采用軟件去抖。(本學(xué)習(xí)板采用軟件去抖方式。軟件去抖的流程圖如圖1(b所示。從按鍵的去抖流程圖我們可以知道,檢測(cè)到有鍵按下時(shí),應(yīng)延時(shí)等待一段時(shí)間(可調(diào)用一個(gè)5ms~10ms的延遲子程序,然后再次判斷按鍵是否被按下,若此時(shí)判斷按鍵仍被按下,則認(rèn)為按鍵有效,若此時(shí)判斷按鍵沒(méi)有被按下,說(shuō)明為按鍵抖動(dòng)或干擾,應(yīng)返回重新判斷。鍵盤真正被按下才可進(jìn)行相應(yīng)的處理程序,此時(shí)基本就算實(shí)現(xiàn)了按鍵輸入,進(jìn)一步的話可以判斷按鍵是否釋放。二、電路詳解電路圖如圖2所示。從圖2中可知獨(dú)立式按鍵采用每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線結(jié)構(gòu)。當(dāng)按下和釋放按鍵時(shí),輸入到單片機(jī)I/O端口的電平是不一樣的,因此可以根據(jù)不同端口電平的變化判斷是否有按鍵按下以及是哪一個(gè)按鍵按下。從圖2(a中可以看出,按鍵和單片機(jī)引腳連接并加了上拉電阻,這樣當(dāng)沒(méi)有按鍵按下的時(shí)候,I/O輸入的電平是高電平,當(dāng)有按鍵按下的時(shí)候,I/O輸入的電平是低電平。雖然獨(dú)立式按鍵電路配置靈活,軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但每個(gè)按鍵必須占用一根I/O口線,因此,在按鍵較多時(shí),圖2772011.04I/O口線浪費(fèi)較大。對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng)或按鍵比較多的場(chǎng)合,可以用到矩陣鍵盤,圖2(b中所示的為4×4的矩陣式鍵盤,其他矩陣式鍵盤的設(shè)計(jì)方法類似。4×4的矩陣式鍵盤由4根行線和4根列線交叉構(gòu)成,按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上,這樣就構(gòu)成了16個(gè)按鍵。其中交叉點(diǎn)的行列線是不連接的,當(dāng)按鍵按下的時(shí)候,此交叉點(diǎn)處的行線和列線導(dǎo)通。圖2(b行線通過(guò)上拉電阻接到VCC上。當(dāng)無(wú)鍵按下時(shí),行線處于高電平狀態(tài);當(dāng)有鍵按下時(shí),行、列線在交點(diǎn)導(dǎo)通,此時(shí),行線電平將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。這是識(shí)別按鍵是否按下的關(guān)鍵。然而,矩陣鍵盤中的每條行線與4條列線相交,交點(diǎn)的按鍵按下與否均影響該鍵所在行線和列線的電平,各按鍵間將相互影響,鍵分析時(shí)必須將行線、列線信號(hào)配合起來(lái)作適當(dāng)處理,才能確定閉合鍵的位置。值得注意的是本文介紹的矩陣鍵盤,在傳統(tǒng)的矩陣鍵盤的輸出端加了一個(gè)四輸入與門芯片74HC21。當(dāng)四路輸入有一個(gè)為低電平的時(shí)候,輸出為低電平。將74HC21的輸出端接到單片機(jī)的外部中斷0(P32管腳上,這樣在實(shí)時(shí)性要求較高的情況下,設(shè)P00~P03為全低等待按鍵觸發(fā),當(dāng)任何一個(gè)按鍵按下的情況下,系統(tǒng)都會(huì)進(jìn)入中斷服務(wù)程序,提高了鍵盤響應(yīng)時(shí)間,在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高的情況下非常實(shí)用。本文的全部源程序見(jiàn)。三、程序設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)實(shí)例關(guān)鍵程序如下。獨(dú)立按鍵程序……….#definekeyioP0(1#definekey1P0_3(2………keyio|=0X0F;(3if(key1==0(4{delay_nms(20;(5if(key1==0(6{while(key1==0;(7return1;(8}}程序說(shuō)明:(1定義按鍵管腳。(2定義按鍵連接管腳。(3將按鍵連接管腳輸出高電平,從而接收輸入。(4如果此時(shí)管腳所連接按鍵被按下。(5延時(shí)一段時(shí)間,去抖作業(yè)。(6如果此時(shí)按鍵仍然被按下,此時(shí)按鍵有效。(7等待按鍵抬起,死循環(huán),如果按鍵一直按下則一直等待。(8返回鍵值。矩陣鍵盤程序………#defineKEYIOP0(1………codeksp[4]={0x7F,0xBF,0xDF,0xEF};(2unsignedcharkeypad_scan((3{charkey,i;(4KEYIO=0xF0;(5if(KEYIO!=0xF0(6{for(i=0;i<=3;i++(7{delaykey(10;(8KEYIO=ksp[i];(9delaykey(10;(10if(KEYIO!=ksp[i](11{delaykey(10;(12key=KEYIO;(13while(KEYIO==key;(14return(key;(15}}}}程序說(shuō)明:(1定義矩陣鍵盤管腳。(2將掃描時(shí)用到的管腳四種輸出電平狀態(tài)定義成一個(gè)數(shù)組。(3按鍵掃描程序。(4定義兩個(gè)臨時(shí)變量key,i。(5讓鍵盤管腳的高四位輸出高電平,第四位為低電平,為掃描按鍵準(zhǔn)備。(6如果此時(shí)管腳狀態(tài)電平發(fā)生變化。(7將之前定義的數(shù)組中的值賦予管腳,開(kāi)始逐次掃描。2011.0478《荊楚電子工作室》我工作室生產(chǎn)的“教學(xué)電子套件”有以下系列套件產(chǎn)品。我們以優(yōu)良的質(zhì)量和完善的技術(shù)支持服務(wù)于學(xué)校老師和廣大電子愛(ài)好者。與套件配套有教學(xué)課件提供給加為QQ好友用戶。同時(shí)提供各種規(guī)格的螺絲、電池彈片、電池夾、電池、焊接工具、焊錫、萬(wàn)能電路板、快速腐蝕機(jī)、快速制版機(jī)等?？爝f費(fèi)每次20元。一、門鈴、報(bào)警器類1:JC619型普通音樂(lè)門鈴(5元、2:JC618型編碼遙控音樂(lè)門鈴(25元、3:JC805型帶指示燈的振動(dòng)門鈴(12元、4:JC802型四聲磁控閃光報(bào)警器(12元、5:JC808型人釋紅外報(bào)警器(28元二、收音機(jī)、對(duì)講機(jī)類1:S66D型六管超外差收音機(jī)(12元2:921八管超外差收音機(jī)(18元3:JC613型集成電路調(diào)幅收音機(jī)(16元4:JC188型帶指示燈電調(diào)諧調(diào)頻收音機(jī)(插件12元、貼片15元5:JC210SP型調(diào)頻、調(diào)幅收音機(jī)(調(diào)頻波段可接收校園廣播和電視節(jié)目(20元6:JC218SP型調(diào)頻(貼片、調(diào)幅收音機(jī)(24元7:JC818型調(diào)頻收音、對(duì)講機(jī)(25元8:JC986A型半雙工對(duì)講機(jī)(18元三、開(kāi)關(guān)、電源、功放、電視機(jī)類1:JC625型燈頭式聲光控延時(shí)開(kāi)關(guān)(9元2:JC628型亞超聲開(kāi)關(guān)(12元3:JC620型調(diào)壓器(8元4:JC317型可調(diào)穩(wěn)壓電源(15元5:JC820型手機(jī)七彩燈萬(wàn)能充電器(帶USB接口(12元6:JC328型足球外觀有源小音箱(25元7:JC323型立體聲有源音箱(85元8:5.5英寸黑白電視機(jī)(140元四、電話機(jī)、儀表類1:JC638型面包型電話機(jī)(25元2:3管增強(qiáng)型無(wú)線話筒(5元3:數(shù)字萬(wàn)用表DT830B(20元4:機(jī)械萬(wàn)用表MF47型(30元五、全國(guó)競(jìng)賽類1:單片機(jī)設(shè)計(jì)的六位數(shù)字鐘(30元2:AT89S52單片機(jī)的超聲波測(cè)距報(bào)警器套件(90元3:單片機(jī)電子萬(wàn)年歷學(xué)習(xí)套件(88元等等地址:武漢市武昌區(qū)辛酉巷13號(hào)聯(lián)系人:陳焱明聯(lián)系QQ:562992079郵箱:YJ8805@126.COM聯(lián)系電話8延時(shí)一段時(shí)間,去抖。(9輸出掃描按鍵的電平。(10再延時(shí)一段時(shí)間。(11如果此時(shí)按鍵管腳電平依舊不是輸出的默認(rèn)電平,表示有鍵按下。(12延時(shí)一段時(shí)間,讓電平穩(wěn)定。(13讀取當(dāng)前按鍵管腳電平,即鍵值。(14等待按鍵抬起,死循環(huán),如果按鍵一直按下則一直等待。(15返回鍵值。四、調(diào)試要點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象接好硬件,通過(guò)冷啟動(dòng)方式將程序所生成的.hex文件下載到單片機(jī)運(yùn)行后,打開(kāi)串口調(diào)試助手軟件,設(shè)置好波特率9600,復(fù)位單片機(jī),然后按下板上的4×4按鍵中的任意一個(gè),并注意觀串口調(diào)試助手上的顯示。(見(jiàn)圖3,可以觀察到在接收窗口有按鍵的數(shù)據(jù)顯示。此外,在本文所附的實(shí)驗(yàn)程序中,其中與串口通信中調(diào)用了發(fā)送字符函數(shù)與發(fā)送字符串函數(shù)。在沒(méi)有仿真器和遇到需要顯示一些提示信息的時(shí)候,可以采用串口打印的方式,這樣不僅直觀方便而且不增加其他成本。五、總結(jié)本文介紹了單片機(jī)外接鍵盤的工作原理并給出了實(shí)例,通過(guò)該文,我們可以知道一個(gè)完善的鍵盤控制程序應(yīng)具備以下功能:(1檢測(cè)有無(wú)按鍵按下,并采取硬件或軟件措施,消除鍵盤按鍵機(jī)械觸點(diǎn)抖動(dòng)的影響。(2有可靠的邏輯處理辦法。每次只處理一個(gè)按鍵,其間對(duì)任何按鍵的操作對(duì)系統(tǒng)不產(chǎn)生影響,且無(wú)論一次按鍵時(shí)間有多長(zhǎng),系統(tǒng)僅執(zhí)行一次按鍵功能程序。(3準(zhǔn)確輸出按鍵值(或鍵號(hào),以滿足按鍵功能要求。對(duì)于矩陣鍵盤而言,必須將行線、列線信號(hào)配合起來(lái)作適當(dāng)處理,才能確定閉合鍵的位置。此外,按鍵的掃描方式有多種,本文中所述的是程序掃描方式,另外常見(jiàn)的還有定時(shí)掃描方式和中斷掃描方式,這些方式均可以在本學(xué)習(xí)板上實(shí)現(xiàn),因此希望讀者結(jié)合前幾講的知識(shí),自行進(jìn)行程序的編寫(xiě)與調(diào)試。下講將講述單片機(jī)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管原理與實(shí)例,敬請(qǐng)期待。圖3按鍵通過(guò)串口調(diào)試助手顯示界面F2全新遙控多功能EVD+LCD高清12-120英寸長(zhǎng)壽命投影機(jī)交直(12V流兩用支持多種光盤U盤AV輸入不用電視就能在墻壁放投影內(nèi)置15W×2高保真數(shù)字功放和揚(yáng)聲器590元F1高清無(wú)鍋網(wǎng)絡(luò)電視直播機(jī),不用裝天線就能免費(fèi)收看到中央1-12和新聞?lì)l道,還能接收鳳凰、臺(tái)灣華視等全國(guó)各省衛(wèi)視直播精彩節(jié)目,并能在線搜索節(jié)目,還能點(diǎn)播6000部大片,支持有線無(wú)線寬帶撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)AV和HDHI高清輸出690元B1最新中九升級(jí)用左右旋高頻頭25元/只B2最新雙模收46套節(jié)目中九衛(wèi)星套站:35厘米天線+雙極化左右旋頭+中九中六雙模接收機(jī)(自動(dòng),特殊搜索模式手動(dòng)修改PID碼,本接收機(jī)已存中星6B鑫諾3號(hào)亞太6A亞太5號(hào)亞洲3等衛(wèi)星節(jié)目(如中九信號(hào)關(guān)閉可收其他衛(wèi)星升級(jí)無(wú)憂低價(jià)請(qǐng)聯(lián)系B3精品不銹35厘米新天直播KU套站接收東森新聞人間衛(wèi)視佛界衛(wèi)視世界電視蓬萊國(guó)衛(wèi)大愛(ài)好消息東風(fēng)華娛等港臺(tái)二十余套精彩節(jié)125元B4精品45厘米藝華正版衛(wèi)星套站本接收機(jī)不需要寬帶接收:CCTV1、CCTV5、鳳凰衛(wèi)視中文和資訊、中國(guó)電影頻道、本港臺(tái)、珠江、TVB星河、香港無(wú)線TVB8TVBS、珠江電視、深圳、北京東方、江蘇、廈門、湖南等20多套節(jié)目360元B8最新高清直播“無(wú)鍋衛(wèi)星”免安裝免月租收中央各省港澳臺(tái)及世界各國(guó)幾千套免費(fèi)和加密網(wǎng)絡(luò)電視節(jié)目軟件U盤66元B11進(jìn)口安調(diào)衛(wèi)星便攜工具全新抗震折疊型11×10×3cm高清真彩2.5寸監(jiān)視器內(nèi)置喇叭一電一充交直兩用音視頻輸入適合安裝調(diào)衛(wèi)星天線兼DVD功175元B24出口型太陽(yáng)能充電成充電成品板,鋁合金邊框防水接線盒經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)20年受益直接充充12V電瓶300mA130元B29處理無(wú)包裝保用12V大功率車載收音MP3一體機(jī)SD/U盤輸入體積與汽車收放機(jī)等大A型40元C型55元以上12-24V通用型均加5元B51批大功率金剛-先鋒專業(yè)遙控插卡車用/家用低音炮U盤/SD卡輸入80W立體聲超低音放大器:4寸68元;5寸78元;6寸88元;8寸98元B52清倉(cāng)新彩盒原裝紅外遙控便攜式超薄VCD/MP3/CD播放機(jī)超強(qiáng)抗震,九畫(huà)面瀏覽畫(huà)面放大雙制式轉(zhuǎn)換,兼容CD、VCD、DVCD、CD-R碟片等49元ADD3清倉(cāng)新彩盒原裝便攜式CD機(jī)電