一、基本知識

        1.按鍵分類與輸入原理

        按鍵按照結構原理科分為兩類，一類是觸點式開關按鍵，如機械式開關、導電橡膠式開關燈；另一類是無觸點式開關按鍵，如電氣式按鍵，磁感應按鍵等。前者造價低，後者壽命長。目前，微機系統中最常見的是觸點式開關按鍵。

        在微控制器應用系統中，除了復位按鍵有專門的復位電路及專一的復位功能外，其他按鍵都是以開關狀態來設定控制功能或輸入資料的。當所設定的功能鍵或數字鍵按下時，計算機應用系統應完成該按鍵所設定的功能，鍵資訊輸入時與軟體結構密切相關的過程。

         對於一組鍵或一個鍵盤，總有一個介面電路與CPU相連。CPU可以採用查詢或中斷方式瞭解有無將按鍵輸入，並檢查是哪一個按鍵按下，將該鍵號送人累加器，然後通過跳轉指令轉入執行該鍵的功能程式，執行完成後再返回主程式。

        2.按鍵結構與特點

        微機鍵盤通常使用機械觸點式按鍵開關，其主要功能式把機械上的通斷轉換為電氣上的邏輯關係。也就是說，它能提供標準的TTL邏輯電平，以便於通用數字系統的邏輯電平相容。機械式按鍵再按下或釋放時，由於機械彈性作用的影響，通常伴隨有一定的時間觸點機械抖動，然後其觸點才穩定下來。其抖動過程如下圖1所示，抖動時間的長短與開關的機械特性有關，一般為5-10ms。在觸點抖動期間檢測按鍵的通與斷，可能導致判斷出錯，即按鍵一次按下或釋放錯誤的被認為是多次操作，這種情況是不允許出現的。為了克服你、按鍵觸點機械抖動所致的檢測誤判，必須採取消抖措施。按鍵較少時，可採用硬體消抖；按鍵較多式，採用軟體消抖。

圖1  按鍵觸點機械抖動

        （1）按鍵編碼

         一組按鍵或鍵盤都要通過I/O口線查詢按鍵的開關狀態。根據鍵盤結構的不同，採用不同的編碼。無論有無編碼，以及採用什麼編碼，最後都要轉換成為與累加器中數值相對應的鍵值，以實現按鍵功能程式的跳轉。

       （2）鍵盤程式

         一個完整的鍵盤控制程式應具備以下功能：

          a.檢測有無按鍵按下，並採取硬體或軟體措施消抖。

          b.有可靠的邏輯處理辦法。每次只處理一個按鍵，期間對任何按鍵的操作對系統不產生影響，且無論一次按鍵時間有多長，系統僅執行一次按鍵功能程式。

          c.準確輸出按鍵值（或鍵號），以滿足跳轉指令要求。

        3.獨立按鍵與矩陣鍵盤

       （1）獨立按鍵

        微控制器控制系統中，如果只需要幾個功能鍵，此時，可採用獨立式按鍵結構。

        獨立按鍵式直接用I/O口線構成的單個按鍵電路，其特點式每個按鍵單獨佔用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其他I/O口線的狀態。獨立按鍵的典型應用如圖所示。獨立式按鍵電路配置靈活，軟體結構簡單，但每個按鍵必須佔用一個I/O口線，因此，在按鍵較多時，I/O口線浪費較大，不宜採用。獨立按鍵如圖2所示。

圖2  獨立鍵盤

        獨立按鍵的軟體常採用查詢式結構。先逐位查詢沒跟I/O口線的輸入狀態，如某一根I/O口線輸入為低電平，則可確認該I/O口線所對應的按鍵已按下，然後，再轉向該鍵的功能處理程式。

       （2）矩陣鍵盤

        微控制器系統中，若使用按鍵較多時如電子密碼鎖、電話機鍵盤等一般都至少有12到16個按鍵，通常採用矩陣鍵盤。

矩陣鍵盤又稱行列鍵盤，它是用四條I/O線作為行線，四條I/O線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每個交叉點上設定一個按鍵。這樣鍵盤上按鍵的個數就為4*4個。這種行列式鍵盤結構能有效地提高微控制器系統中I/O口的利用率。

    矩陣鍵盤的工作原理 

    最常見的鍵盤佈局如圖3所示。一般由16個按鍵組成，在微控制器中正好可以用一個P口實現16個按鍵功能，這也是在微控制器系統中最常用的形式，4*4矩陣鍵盤的內部電路如圖4所示。

圖3 矩陣鍵盤佈局圖 

圖4 矩陣鍵盤內部電路圖         

    當無按鍵閉合時，P3.0~P3.3與P3.4~P3.7之間開路。當有鍵閉合時，與閉合鍵相連的兩條I/O口線之間短路。判斷有無按鍵按下的方法是：第一步，置列線P3.4~P3.7為輸入狀態，從行線P3.0~P3.3輸出低電平，讀入列線資料，若某一列線為低電平，則該列線上有鍵閉合。第二步，行線輪流輸出低電平，從列線P3.4~P3.7讀入資料，若有某一列為低電平，則對應行線上有鍵按下。綜合一二兩步的結果，可確定按鍵編號。但是鍵閉合一次只能進行一次鍵功能操作，因此須等到按鍵釋放後，再進行鍵功能操作，否則按一次鍵，有可能會連續多次進行同樣的鍵操作。  

    識別按鍵的方法很多其中，最常見的方法是掃描法

    按鍵按下時，與此鍵相連的行線與列線導通，行線在無按鍵按下時處在高電平。如果所有的列線都處在高電平，則按鍵按下與否不會引起行線電平的變化，因此必須使所有列線處在電平。這樣，當有按鍵按下時，改鍵所在的行電平才回由高變低。才能判斷相應的行有鍵按下。

    獨立按鍵數量少，可根據實際需要靈活編碼。矩陣鍵盤，按鍵的位置由行號和列號唯一確定，因此可以分別對行號和列號進行二進位制編碼，然後兩值合成一個位元組，高4位是行號，低4位是列號。

    4.鍵盤的工作方式

    對鍵盤的響應取決於鍵盤的工作方式，鍵盤的工作方式應根據實際應用系統中的CPU的工作狀況而定，其選取的原則是既要保證CPU能及時響應按鍵操作，又不要過多佔用CPU的工作時間。通常鍵盤的工作方式有三種，程式設計掃描、定時掃描和中斷掃描。

    （1）程式設計掃描方式

    程式設計掃描方式是利用CPU完成其它工作的空餘時間，呼叫鍵盤掃描子程式來響應鍵盤輸入的要求。在執行鍵功能程式時，CPU不再響應鍵輸入要求，直到CPU重新掃描鍵盤為止。

    （2）定時掃描方式

    定時掃描方式就是每隔一段時間對鍵盤掃描一次，它利用微控制器內部的定時器產生一定時間（例如10ms）的定時，當定時時間到就產生定時器溢位中斷。CPU響應中斷後對鍵盤進行掃描，並在有按鍵按下時識別出該鍵，再執行該鍵的功能程式。

    （3）中斷掃描方式

    上述兩種鍵盤掃描方式，無論是否按鍵，CPU都要定時掃描鍵盤，而微控制器應用系統工作時，並非經常需要鍵盤輸入，因此，CPU經常處於空掃描狀態。

    為提高CPU工作效率，可採用中斷掃描工作方式。其工作過程如下：當無按鍵按下時，CPU處理自己的工作，當有按鍵按下時，產生中斷請求，CPU轉去執行鍵盤掃描子程式，並識別鍵號。