键盘结构及接口技术-单片机控制技术及应用

1.独立式按键

其结构如图7-22所示，特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键工作不会影响其他I/O口线的状态；多用于所需按键不多的场合；可采用JNB（或JB）来查询哪一个按键按下，并转向相应的功能处理程序。

2.矩阵式键盘

单片机系统中，若使用按键较多时，通常采用矩阵式键盘，结构如图7-23所示。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，节省了很多I/O口。

图7-22 独立键盘结构及与单片机的接口

图7-23 矩阵键盘结构及与单片机的接口

控制方式：先判断是否有键按下。如有，再判断哪一键按下，并得到键码值，然后根据键码值转向不同的功能程序。矩阵式结构键盘比独立式按键要复杂，识别也要复杂一些。最常用的识别方法是键盘扫描法。

3.键盘设计需解决的几个问题

（1）按键的确认

键盘实际上是一组按键开关的集合，其每一个按键就是一个开关量输入装置。键的闭合与否，通过电平状态（高或低）的检测，便可确定相应按键是否已被按下。例如，高电平表示断开，低电平表示闭合。

（2）重键与连击的处理

实际按键操作中，若无意中同时或先后按下两个以上的键，系统确认哪个键操作是有效的完全由设计者的意志决定。

①以按下时间的长短为准；

②以最先按下的键为当前按键；

③也可以将最后释放的键看成是输入键。

通常总是采用单键按下有效，多键同时按下无效的原则（若系统设有复合键，当然应该另当别论）。

（3）按键防止抖动

1）按键抖动产生的原因

多数键盘的按键均采用机械弹性开关。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TTL逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。(www.xing528.com)

一个电信号通过机械触点的断开、闭合过程，完成高、低电平的切换。由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合及断开的瞬间必然伴随有一连串的抖动（触点在闭合和断开瞬间的电接触情况不稳定，造成了电压信号的抖动现象）。其波形如图7-24所示。抖动过程的长短由按键的机械特性决定，一般为5～10ms（或10～20ms）。

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。

图7-24 按键抖动信号波形

2）键盘消除抖动的措施

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，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。

①硬件防抖技术。通过硬件电路消除按键过程中抖动的影响是一种广为采用的措施。这种作法工作可靠，且节省机时。硬件防抖技术包括两种：滤波防抖电路、双稳态防抖电路。

a.滤波防抖电路。利用RC积分电路对于干扰脉冲的吸收作用，只要选择好时间常数，就能在按键抖动信号通过此滤波电路时，消除抖动的影响。滤波防抖电路如图7-25所示。

当键K未按下时，电容C两端电压均为0，非门输出为1。

当K刚按下时，由于C两端电压不可能产生突变，尽管在触点接触过程中可能出现抖动，只要适当选取R₁、R₂和C值，即可保证电容C两端的充电电压波动不超过非门的开启电压（TTL为0.8V），非门的输出将维持高电平。

同理，当触点K刚断开时，由于电容C经过电阻R₂放电，C两端的放电电压波动不会超过门的关闭电压，因此门的输出也不会改变。

图7-25 滤波防抖电路

只要R₁、R₂和C的时间常数选取得当，确保电容C由稳态电压充电到开启电压，或放电到关闭电压的延迟时间等于或大于10ms，该电路就能消除抖动的影响。

b.双稳态防抖电路。在硬件上可采用在键输出端加R-S触发器（双稳态触发器）或单稳态触发器构成去抖动电路。图7-26所示是一种由R-S触发器构成的双稳态防抖动电路，当触发器翻转时，触点抖动不会对其产生任何影响。键盘输出经双稳态电路之后变为规范的矩形方波。

图7-26 双稳态防抖电路

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B端时，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Q不会产生抖动的波形。当开关稳定到达B端时，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A端时，因Q=0，封锁了与非门2，双稳态电路的状态不变，输出Q保持不变，消除了后沿的抖动波形。当开关稳定到达端A时，因A=0、B=1，使Q=1，双稳态电路状态发生翻转，输出Q重新返回原状态。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。

②软件防抖方法。如前所述，若采用硬件防抖电路，则N个键就必须配有N个防抖电路。因此，当键的个数比较多时，硬件防抖将无法胜任。在这种情况下，可以采用软件的方法进行防抖。当第一次检测到有键按下时，先用软件延时10～20ms（具体时间应视所使用的按键进行调整），而后再确认该键电平是否仍维持闭合状态电平。若保持闭合状态电平；则确认此键确已按下，从而消除了抖动的影响。