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[導(dǎo)讀]引言 在單片機(jī)領(lǐng)域中,鍵盤輸入是最常用的人機(jī)交互方式。通常實(shí)用鍵盤接口方式有:直接輸入、矩陣結(jié)構(gòu)、A/D方式、鍵盤和顯示復(fù)用、并行擴(kuò)展、串口擴(kuò)充以及用鍵盤和顯示專用控制器件等。但是其中很多方案都需要

引言
    在單片機(jī)領(lǐng)域中,鍵盤輸入是最常用的人機(jī)交互方式。通常實(shí)用鍵盤接口方式有:直接輸入、矩陣結(jié)構(gòu)、A/D方式、鍵盤和顯示復(fù)用、并行擴(kuò)展、串口擴(kuò)充以及用鍵盤和顯示專用控制器件等。但是其中很多方案都需要占用不少單片機(jī)有限的I/O口。本文提出一種基于ADC的高性價(jià)比鍵盤輸入設(shè)計(jì)方法。

1 ADC按鍵原理
    ADC按鍵的原理圖如圖1所示,把多個(gè)電阻串聯(lián)分壓,不同的按鍵將不同的電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,根據(jù)ADC結(jié)果,MCU就能識(shí)別按鍵了。例如,key1按下,ADC得到的電壓值為:
   


    理論上,只要相鄰的兩個(gè)按鍵按下時(shí),電壓的差值在ADC能最小分辨的電壓范圍之內(nèi),那么MCU就能識(shí)別是哪個(gè)鍵被按下了。一個(gè)n位的ADC,可以識(shí)別2n個(gè)不同的電壓值,即可以識(shí)別2n個(gè)按鍵。例如8位ADC,理論上可以串聯(lián)256個(gè)電阻,識(shí)別256個(gè)按鍵。但在實(shí)際應(yīng)用中還要考慮很多的外在因素,如電阻自身的誤差、ADC誤差、軟件計(jì)算誤差等,因此往往實(shí)際能識(shí)別的按鍵的個(gè)數(shù)小于理論值。

2 硬件設(shè)計(jì)
    實(shí)際的硬件電路如圖2所示。為了提高按鍵響應(yīng)速度和減輕CPU掃描按鍵的負(fù)擔(dān),增加一個(gè)比較器,當(dāng)按鍵被按下時(shí)比較器輸出信號(hào)觸發(fā)中斷,在中斷中第一時(shí)間獲得鍵值。這樣,既避免了把按鍵程序放到主程序中循環(huán)查詢過(guò)多而占用CPU資源,又提高了CPU的利用率。當(dāng)然,為了節(jié)省硬件成本,也可以不要比較器。


    分壓電阻越大越省電,但是實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要考慮ADC的輸入阻抗,不能太大,這里給出經(jīng)驗(yàn)值10 kΩ。另外,電壓比較器還要考慮到運(yùn)放的特性,為確保第一個(gè)鍵按下時(shí)運(yùn)放同相端電壓低于4 V,電阻R1的值就要相對(duì)大一些,后面的電阻可以取相同的值。為了減小按鍵抖動(dòng),在電路中串聯(lián)一個(gè)電容C1。當(dāng)沒(méi)有鍵按下時(shí),ADC相當(dāng)于懸空,需接一上拉電阻。這里R21取220 kΩ。

3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)是ADC按鍵的處理核心,一旦檢測(cè)到的A/D值不準(zhǔn),按鍵就會(huì)得到錯(cuò)誤的鍵值,帶來(lái)誤操作。當(dāng)按鍵數(shù)目很多時(shí),這種現(xiàn)象會(huì)更突出。
    ADC按鍵其實(shí)就是一個(gè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程,軟件需要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、按鍵解析這3個(gè)步驟。首先對(duì)按鍵要有一個(gè)認(rèn)識(shí),它是一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān),在鍵按下和彈起的過(guò)程中很難做到理想的導(dǎo)通和斷開(kāi),通常有一個(gè)抖動(dòng)過(guò)程,需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能真正地閉合和斷開(kāi)。
    在本設(shè)計(jì)中使用的是自帶8路10位ADC的MCUSTC90C52AD。驅(qū)動(dòng)起來(lái)比較簡(jiǎn)單,只需要配置幾個(gè)寄存器就可以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換了,并且轉(zhuǎn)換速度很快。ADC代碼如下:

    當(dāng)鍵按下時(shí),觸發(fā)進(jìn)入外部中斷。先延時(shí)20 ms,如果有抖動(dòng),這個(gè)抖動(dòng)就被有效地濾除掉了。讀取第一次ADC值,延時(shí)20 ms(有效按鍵持續(xù)時(shí)間大于80 ms),再讀取第二次ADC的值。只有兩次差值在某個(gè)小的范圍內(nèi),這次按鍵才是有效的,否則就是一次抖動(dòng)。這幾個(gè)時(shí)間參數(shù)是實(shí)際測(cè)試得到的結(jié)果。經(jīng)過(guò)這樣的軟件處理,機(jī)械抖動(dòng)被有效地濾除掉了。程序代碼如下:


    經(jīng)過(guò)求平均值后的ADC值也并不是固定不變的,會(huì)在某一中心點(diǎn)附近波動(dòng)。例如重復(fù)按下同一個(gè)按鍵,對(duì)應(yīng)一字節(jié)的數(shù)據(jù)為BF CO。若數(shù)據(jù)有一定的波動(dòng),有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)FF 00,說(shuō)明按鍵有明顯的抖動(dòng)。通過(guò)軟件處理,如果ADC兩次讀到的值相差較大,則確定按鍵無(wú)效。實(shí)際完整的鍵盤方案需要經(jīng)過(guò)多次按鍵,記下ADC的平均值,建立數(shù)組keynum_tab[],再給出一個(gè)上下波動(dòng)范圍n,通過(guò)ADC的值對(duì)比判斷,即可得出鍵值。本例中共有20個(gè)按鍵,程序代碼如下:


結(jié)語(yǔ)
    本按鍵方案經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)用測(cè)試,性能可靠,運(yùn)行穩(wěn)定;CPU占用率低,實(shí)時(shí)性好;只用到一個(gè)I/O口,節(jié)省了單片機(jī)的I/O口資源,并且可以根據(jù)實(shí)際需要增減按鍵數(shù)量,具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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