第七章 单片机并行接口技术 单片机与键盘接口 单片机与显示器接口 D/A/ 键盘接口 键盘工作原理 1 按键的分类 按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；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。 按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类 ，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法 。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别 ， 非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别 。 全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路。这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵，其它工作均由软件完成。由于其经济实用，较多地应用于单片机系统中。下面将重点介绍非编码键盘接口。 2 键输入原理 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 ， 其它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 ， 键信息输入是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 并检查是哪一个键按下 ， 将该键号送入累加器 然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序 ， 执行完后再返回主程序 。 3 按键结构与特点 微机键盘通常使用机械触点式按键开关 ， 其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系 。 也就是说 ，它能提供标准的 以便与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 ， 通常伴随有一定时间的触点机械抖动 ， 然后其触点才稳定下来 。 其抖动过程如图 抖动时间的长短与开关的机械特性有关 ， 一般为 510 图 按键触点的机械抖动 闭合稳定键按下前沿抖动 后沿抖动 在触点抖动期间检测按键的通与断状态 ， 可能导致判断出错 ， 即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作 ， 这种情况是不允许出现的 。 为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判 ， 必须采取去抖动措施 。 这一点可从硬件 、 软件两方面予以考虑 。 在键数较少时 ， 可采用硬件去抖 ， 而当键数较多时 ， 采用软件去抖 。 在硬件上可采用在键输出端加 双稳态触发器 )或单稳态触发器构成去抖动电路 。 图 当触发器一旦翻转 ， 触点抖动不会对其产生任何影响 。 图 双稳态去抖电路 &V 5 V ) 7 k 4 . 7 k 电路工作过程如下：按键未按下时 ， a = 0， b = 1， 输出 Q = 1。 按键按下时 ， 因按键的机械弹性作用的影响 ， 使按键产生抖动 。 当开关没有稳定到达 因与非门 2输出为 0反馈到与非门 1的输入端 ， 封锁了与非门 1， 双稳态电路的状态不会改变 ， 输出保持为 1， 输出 当开关稳定到达 因 a = 1， b = 0， 使 Q = 0，双稳态电路状态发生翻转 。 当释放按键时 ， 在开关未稳定到达 因 Q = 0， 封锁了与非门 2， 双稳态电路的状态不变 ， 输出 消除了后沿的抖动波形 。 当开关稳定到达 因 a = 0， b = 0， 使 Q = 1， 双稳态电路状态发生翻转 ， 输出 由此可见 ， 键盘输出经双稳态电路之后 ， 输出已变为规范的矩形方波 。 软件上采取的措施是：在检测到有按键按下时 ， 执行一个 10 具体时间应视所使用的按键进行调整 ） 的延时程序后 ， 再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平 ，若仍保持闭合状态电平 ， 则确认该键处于闭合状态 。 同理 ，在检测到该键释放后 ， 也应采用相同的步骤进行确认 ， 从而可消除抖动的影响 。 4. 按键编码 一组按键或键盘都要通过 I/ 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 。 5. 编制键盘程序 一个完善的键盘控制程序应具备以下功能： (1) 检测有无按键按下 ， 并采取硬件或软件措施 ， 消除键盘按键机械触点抖动的影响 。 (2) 有可靠的逻辑处理办法 。 每次只处理一个按键 ，其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 。 (3) 准确输出按键值 （ 或键号 ） ， 以满足跳转指令要求 。 独立式按键 单片机控制系统中 ， 往往只需要几个功能键 ， 此时 ，可采用独立式按键结构 。 1. 独立式按键结构 独立式按键是直接用 I/其特点是每个按键单独占用一根 I/ 每个按键的工作不会影响其它 I/ 独立式按键的典型应用如图 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根 I/ 因此 ， 在按键较多时 ， I/ 不宜采用 。 图 独立式按键电路 P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 78 0 3 1V C C 2. 独立式按键的软件结构 独立式按键的软件常采用查询式结构 。 先逐位查询每根 I/ 如某一根 I/则可确认该 I/ 然后 ， 再转向该键的功能处理程序 。 图 ， 请读者自行编制相应的软件 。 矩阵式按键 单片机系统中 ， 若使用按键较多时 ， 通常采用矩阵式（ 也称行列式 ） 键盘 。 1. 矩阵式键盘的结构及原理 矩阵式键盘由行线和列线组成 ， 按键位于行 、 列线的交叉点上 ， 其结构如图 由图可知 ， 一个 4 4的行 、 列结构可以构成一个含有16个按键的键盘 ， 显然 ， 在按键数量较多时 ， 矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多 I/ 图 矩阵式键盘结构 0 1 2 34 5 6 78 9 10 1112 13 14 1500 1 2 3123 5 V 矩阵式键盘中 ， 行 、 列线分别连接到按键开关的两端 ， 行线通过上拉电阻接到 5 当无键按下时 ， 行线处于高电平状态；当有键按下时 ， 行 、 列线将导通 ，此时 ， 行线电平将由与此行线相连的列线电平决定 。 这是识别按键是否按下的关键 。 然而 ， 矩阵键盘中的行线 、列线和多个键相连 ， 各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平 ， 各按键间将相互影响 ， 因此 ， 必须将行线 、 列线信号配合起来作适当处理 ， 才能确定闭合键的位置 。 2. 矩阵式键盘按键的识别 识别按键方法很多 ， 其中最常见的方法是扫描法 。 下面以图 号键的识别为例来说明扫描法识别按键的过程 。 按键按下时，与此键相连的行线与列线导通，行线在无键按下时处在高电平。显然，如果让所有的列线也处在高电平，那么，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低电平。只有这样，当有键按下时，该键所在的行电平才会由高电平变为低电平。 能判定相应的行有键按下。 8号键按下时，第 2行一定为低电平。然而，第 2行为低电平时，能否肯定是 8号键按下呢？ 回答是否定的，因为 9、 10、 11号键按下，同样会使第 2行为低电平。为进一步确定具体键，不能使所有列线在同一时刻都处在低电平，可在某一时刻只让一条列线处于低电平，其余列线均处于高电平，另一时刻，让下一列处在低电平，依此循环，这种依次轮流每次选通一列的工作方式称为键盘扫描。采用键盘扫描后，再来观察 8号键按下时的工作过程，当第 0列处于低电平时，第 2行处于低电平，而第 1、 2、 3列处于低电平时，第 2行却处在高电平，由此可判定按下的键应是第 2行与第 0列的交叉点，即 8号键。 3. 键盘的编码 对于独立式按键键盘，因按键数量少，可根据实际需要灵活编码。对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号惟一确定，因此可分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高 4位是行号，低 4位是列号。如图 号键，它位于第 2行，第 0列，因此，其键盘编码应为 20H。采用上述编码对于不同行的键离散性较大，不利于散转指令对按键进行处理。因此，可采用依次排列键号的方式对按排进行编码。以图 4键盘为例，可将键号编码为： 01H、 02H、 03H、 、 00106个键号。编码相互转换可通过计算或查表的方法实现。 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 其选取的原则是既要保证 又不要过多占用 通常 ， 键盘的工作方式有三种 ， 即编程扫描 、 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 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 ， 直到 键盘扫描程序一般应包括以下内容： (1) 判别有无键按下 。 (2) 键盘扫描取得闭合键的行 、 列值 。 (3) 用计算法或查表法得到键值 。 (4) 判断闭合键是否释放 ， 如没释放则继续等待 。 (5) 将闭合键键号保存 ， 同时转去执行该闭合键的功能 。 图 8矩阵键盘电路 ， 由图可知 ， 其与单片机的接口采用 8155扩展 I/ 键盘采用编程扫描方式工作 。 8155位输入行扫描信号 ， 位列扫描信号 ， 二者均为低电平有效 。 8155的 与 与 、 分别与单片机的 、 相连 。 由此可确定 8155的口地址为： 命令 /状态口： 0100H（ ） A 口： 0101H 0102H 0103H R 8155扩展 I/01234567891617182425262728293031P 2 . 7P 2 . 0