外設(shè)鍵盤的工作原理

　　有人知道外設(shè)鍵盤的工作原理嗎?沒有的話就跟小編來看看咯!以下就是學(xué)習(xí)啦小編做的整理，希望大家能喜!

　　外設(shè)鍵盤的簡介

　　鍵盤是一組按鍵的組合，它是最常用的單片機(jī)輸入設(shè)備，操作人員可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)對(duì)話。單片機(jī)使用的鍵盤是一種常開型的開關(guān)，通常鍵的兩個(gè)觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，按下鍵時(shí)它們才閉合。鍵盤分編碼和非編碼鍵盤，鍵盤的識(shí)別可用軟件識(shí)別也可用專用芯片識(shí)別。

　　MCS-51單片機(jī)擴(kuò)展鍵盤接口的方法用很多，從硬件結(jié)構(gòu)上，可通過單片機(jī)I/0接口擴(kuò)展鍵盤，也可通過擴(kuò)展I/O接口設(shè)計(jì)鍵盤，還有些用的是專用鍵盤芯片。

　　鍵盤的工作原理

　　鍵盤從結(jié)構(gòu)上分為獨(dú)立式鍵盤與矩陣式鍵盤。一般按鍵較少時(shí)采用獨(dú)立式鍵盤，按鍵較多時(shí)采用矩陣式鍵盤。

　　(1) 獨(dú)立式鍵盤。

　　在由單片機(jī)組成的測(cè)控系統(tǒng)及智能化儀器中，用的最多的是獨(dú)立式鍵盤。這種鍵盤具有硬件與軟件相對(duì)簡單的特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是按鍵數(shù)量較多時(shí)，要占用大量口線。圖1是一個(gè)利用MCS-51單片機(jī)的P1口設(shè)計(jì)的非編碼鍵盤。

　　圖1 獨(dú)立式鍵盤

　　當(dāng)按鍵沒按下時(shí)，CPU對(duì)應(yīng)的I/O接口由于內(nèi)部有上拉電阻，其輸入為高電平;當(dāng)某鍵被按下后，對(duì)應(yīng)的I/O接口變?yōu)榈碗娖健Ｖ灰诔绦蛑信袛郔/O接口的狀態(tài)，即可知道哪個(gè)鍵處于閉合狀態(tài)。以下是非編碼鍵盤鍵處理子程序。

　　JNB P1.0, KEY00 ;轉(zhuǎn)按鍵1處理程序

　　JNB P1.1, KEY01 ;轉(zhuǎn)按鍵1處理程序

　　JNB P1.2, KEY02 ;轉(zhuǎn)按鍵1處理程序

　　JNB P1.3, KEY03 ;轉(zhuǎn)按鍵1處理程序

　　JNB P1.4, KEY04 ;轉(zhuǎn)按鍵1處理程序

　　JNB P1.5, KEY05 ;轉(zhuǎn)按鍵1處理程序

　　JNB P1.6, KEY06 ;轉(zhuǎn)按鍵1處理程序

　　JNB P1.7, KEY07 ;轉(zhuǎn)按鍵1處理程序

　　RET ;無鍵按下，返回

　　KEY00: …

　　RET

　　KEY01: …

　　RET

　　…

　　(2) 矩陣式鍵盤。

　　矩陣式鍵盤使用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，它由行線與列線組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上。一個(gè)3*3的行列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè)有9個(gè)按鍵的鍵盤。同理，一個(gè)4*4的行列可以構(gòu)成一個(gè)16按鍵的鍵盤。很明顯，在按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，與獨(dú)立式鍵盤相比，矩陣式鍵盤要節(jié)省很多I/0接口。

　　2.鍵盤按鍵識(shí)別方法

　　(1)掃描法。

　　下面以圖2的K2鍵按下為例，說明此鍵是如何識(shí)別出來的。

　　圖2 8031與鍵盤連接

　　掃描法有行掃描和列掃描兩種，無論采用哪種，無論采用哪種，其效果是一樣的，只是在程序中的處理方法有所區(qū)別。下面以列掃描法為例來介紹掃描法識(shí)別按鍵的方法。首先在鍵處理程序中將P1.4-P1.7依次按位變低，P1.4-P1.7在某一時(shí)刻只有一個(gè)為低。在某一位為低時(shí)讀行線，根據(jù)行線的狀態(tài)即可判斷出哪一個(gè)按鍵被按下。如2號(hào)鍵按下，當(dāng)列線P1.5為低時(shí)，讀回的行線狀態(tài)中P1.0被拉低，由此可知K2鍵被按下。一般在掃描法中分兩步處理按鍵，首先是判斷有無鍵按下，如行線有一個(gè)為低，則有鍵按下。當(dāng)判斷有鍵按下時(shí)，使列線依次變低，讀行線，進(jìn)而判斷出具體哪個(gè)鍵被按下。

　　(2)線反轉(zhuǎn)法。

　　掃描法是逐行或逐列掃描查詢，當(dāng)被按下的鍵處于最后一列時(shí)，要經(jīng)過多次掃描才能最后獲得此按鍵所處的行列值。而線反轉(zhuǎn)法則顯的簡練，無論被按的鍵處于哪列，均可經(jīng)過兩步即能獲得此按鍵所在的行列值，仍以圖4.38為例來介紹線反轉(zhuǎn)法。

　　首先將行線P1.0-P1.3作為輸入線，列線P1.4-P1.7作為輸出線，并且輸出線輸出全為低電平，讀行線狀態(tài)，則行線中電平為低的是按鍵所在的行。然后將列線作為輸入線，行線作為輸出線，并將輸出線輸出為低電平，讀列線狀態(tài)，則列線是電平為低的是按鍵所在的列。綜合上述兩步結(jié)果，確定按鍵所在的行和列，從而識(shí)別出所按下的鍵。

　　假設(shè)10號(hào)鍵被按下，在第一步P1.3-P1.0全為低電平時(shí)，讀P1.4-P1.7的值，則P1.5為低電平;在第二步P1.4-P1.7輸出全為低電平時(shí)，讀P1.3-P1.0時(shí)，P1.2為低電平。由此可判斷第3行第2列有鍵被按下，此鍵就是K10鍵。

　　3. 鍵盤的接口電路

　　設(shè)計(jì)MCS-51單片機(jī)鍵盤時(shí)可根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際情況來靈活處理。在使用內(nèi)部有程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)時(shí)，如單片機(jī)的I/O接口夠用，可直接利用單片機(jī)的I/O接口連接鍵盤。如果I/O接口不夠用，可利用擴(kuò)展I/O接口連接鍵盤，有時(shí)也可使用專用的鍵盤接口芯片。

　　(1) 利用單片機(jī)的I/O接口連接鍵盤。

　　利用MCS-51單片機(jī)的I/O接口連接鍵盤時(shí)分兩種情況，一是當(dāng)P0、P1、P2、P3均為普通輸入/輸出時(shí)，可使用任意I/0接口連接鍵盤;二是當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O時(shí)，由于P0、P2作為地址數(shù)據(jù)總線的使用，所以擴(kuò)展鍵盤時(shí)只能使用P1口、P3口。如圖2所示為利用MCS-51單片機(jī)的P1口設(shè)計(jì)的4*4矩陣鍵盤。

　　注意如果用P0口設(shè)計(jì)鍵盤，要給P0口各口線提供上拉電阻，其大小一般為2-10kn。

　　(2) 利用擴(kuò)展I/O接口設(shè)計(jì)鍵盤。

　　MCS-51單片機(jī)在總線擴(kuò)展凡是時(shí)由于P0口、P2口分別作為數(shù)據(jù)總線及地址總線，而P1口、P3口又有其他用途時(shí)，擴(kuò)展鍵盤可利用擴(kuò)展的I/O接口。利用8255的PC口設(shè)計(jì)的4*4矩陣鍵盤如圖3所示，利用8255的PC口設(shè)計(jì)的編碼鍵盤，PC0-PC3為行輸入，PC4-PC7為列輸出。

　　圖3 8255與鍵盤連接圖

　　(3) 按鍵去抖。

　　由于通常的按鍵所用的開關(guān)是機(jī)械開關(guān)，當(dāng)開關(guān)閉合、斷開時(shí)并不是馬上穩(wěn)定地接通和斷開，而是在閉合與斷開瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)。

　　為了確保CPU對(duì)鍵的一次閉合僅做一次處理，必須要在程序或硬件上進(jìn)行防抖處理。為節(jié)省硬件，通常在單片機(jī)系統(tǒng)中，一般不采用硬件方法消除鍵的抖動(dòng)，而是用軟件消抖方法。即檢測(cè)鍵閉合后延時(shí)5-10ms，讓前延抖動(dòng)消失后再一次檢測(cè)鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)真正有鍵按下。當(dāng)檢測(cè)到按鍵釋放后，也要給5-10ms的延時(shí)，待后延抖動(dòng)消失后才轉(zhuǎn)入該鍵處理程序。以下是具有消抖功能的鍵程序，只有按鍵按下再放開后才做一次鍵處理。

　　KEY_00:

　　JB P1.0, KEY_01 ;無鍵按下，查下一個(gè)鍵

　　LCALL DELAY ;延時(shí)10ms

　　JNB P1.0, $ ;鍵一直按下，等待

　　LCALL DELAY ;鍵松開，延時(shí)10ms

　　JB P1.0, KEY_00 ;一次按鍵完成，轉(zhuǎn)鍵盤處理程序

　　KEY_01: …

　　RET

　　(4) 鍵盤的編碼。

　　對(duì)于獨(dú)立式按鍵鍵盤，由于按鍵數(shù)目較少，可根據(jù)實(shí)際情況靈活編碼。對(duì)于矩陣式鍵盤，按鍵的位置由行號(hào)和列號(hào)唯一確定，所以分別對(duì)行號(hào)與列號(hào)進(jìn)行二進(jìn)制編碼，然后將兩值合成一個(gè)字節(jié)，高4位是行號(hào)，低4位是列號(hào)。如10號(hào)鍵被按下時(shí)，列號(hào)讀回的值為1011，行號(hào)讀回的值為1101，此兩值合成為11011011=0DBH，據(jù)此值可轉(zhuǎn)到10號(hào)鍵處理程序。這種方式雖然簡單，但其離散性很大，在讀程序時(shí)必須要結(jié)合硬件電路。也可將讀回的鍵值按一定的方式運(yùn)算后，算出對(duì)應(yīng)的鍵值進(jìn)行散轉(zhuǎn)，但這樣會(huì)增加程序的工作量，因而大多數(shù)單片機(jī)系統(tǒng)在鍵盤處理程序中只根據(jù)讀回的鍵值進(jìn)行散轉(zhuǎn)。

　　(5) 常用的專用鍵盤芯片。

　　無論是利用CPU的I/O接口擴(kuò)展鍵盤，還是利用擴(kuò)展I/O芯片擴(kuò)展鍵盤，由于均是用普通I/O接口擴(kuò)展，如果要在單片機(jī)的程序中設(shè)計(jì)專用的鍵盤程序，特別是矩陣式鍵盤，其程序相對(duì)復(fù)雜一些。因而在較復(fù)雜一些的單片機(jī)系統(tǒng)中可選用專用的鍵盤芯片設(shè)計(jì)鍵盤?，F(xiàn)常用的鍵盤擴(kuò)展芯片有Intel8279、CH451、ICM7218、PCF8574等。

　　(6) 單片機(jī)對(duì)鍵盤的控制方式。

　　在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了節(jié)省硬件，無論是采用獨(dú)立式鍵盤還是采用矩陣式鍵盤，單片機(jī)對(duì)鍵盤的控制有以下3種方式。

　　i 程序控制掃描方式。

　　這種方式只有單片機(jī)空閑時(shí)，才可調(diào)用鍵盤掃描子程序，查詢鍵盤的輸 入狀態(tài)是否改變。

　　ii 定時(shí)掃描方式。

　　單片機(jī)對(duì)鍵盤的掃描也可采用定時(shí)掃描方式，即單片機(jī)每隔一定的時(shí)間對(duì)鍵盤掃描一次。在這種方式中，通常采用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，產(chǎn)生10ms的定時(shí)中斷，CPU響應(yīng)定時(shí)中斷請(qǐng)求后對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，以查詢鍵盤是否有鍵按下。

　　iii 中斷掃描方式。

　　雖然采用程序查詢與定時(shí)對(duì)鍵盤的掃描方式時(shí)的程序編制簡單，但一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的大多數(shù)時(shí)間里鍵盤基本是不工作的。為了進(jìn)一步提高CPU的工作效率，可采用中斷方式。當(dāng)鍵盤有鍵動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生中斷，CPU響應(yīng)鍵盤中斷后，執(zhí)行鍵盤中斷程序，判別鍵盤按下鍵的鍵號(hào)，并做相應(yīng)處理。