键盘输入

4.2 键盘

4.2.1键盘概念

键盘是最常用也是最主要的输入设备，通过键盘，可以将英文字母、数字、标点符号等输入到计算机中，从而向计算机发出命令、输入数据等。

4.2.2键盘的分类

按照键盘的工作原理和按键方式的不同，可以划分为四种：

（1）机械式键盘（Mechanical) 采用类似金属接触式开关，工作原理是使触点导通或断开，具有工艺简单、噪音大、易维护的特点。

（2）塑料薄膜式键盘(Membrane）键盘内部共分四层，实现了无机械磨损。其特点是低价格、低噪音和低成本，已占领市场绝大部分份额。

（3）导电橡胶式键盘（Conductive Rubber）触点的结构是通过导电橡胶相连。键盘内部有一层凸起带电的导电橡胶，每个按键都对应一个凸起，按下时把下面的触点接通。这种类型键盘是市场由机械键盘向薄膜键盘的过渡产品。（4）无接点静电电容式键盘（Capacitives）使用类似电容式开关的原理，通过按键时改变电极间的距离引起电容容量改变从而驱动编码器。特点是无磨损且密封性较好。

按其结构形式可分为以下两种：

（1）编码键盘

编码键盘采用硬件方法产生键码。每按下一个键，键盘能自动生成键盘代码，键数较多，且具有去抖动功能。这种键盘使用方便，但硬件较复杂，PC机所用键盘即为编码键盘。

（2）非编码键盘

非编码键盘仅提供按键开关工作状态，其键码由软件确定，这种键盘键数较少，硬件简单，广泛应用于各种单片机应用系统,本次设计使用非编码键盘。

按照键盘与单片机的连接方式可分为一下两种：

（1)独立式键盘

独立式键盘，顾名思义，即各按键相互独立，每个按键占用一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他按键的工作状态。这种按键软件程序简单，但占用I/O口线较多（一根口线只能接一个键），适用于键盘应用数量较少的系统中。

（2）矩阵式键盘

矩阵式键盘又称行列式键盘，在其行、列交汇点接有若干个按键。当需要较多按键时，与独立式键盘相比，单片机口线资源利用率大幅提高了。但若需要更多的键盘，需采用接口扩展技术，如8155等。

综上所述，结合实际情况,本次设计选用非编码矩阵式键盘。

4.2.3非编码矩阵式键盘工作原理

非编码矩阵式键盘，作为单片外围电路，应具有如下功能：

（1）键扫描功能，即检测是否有键按下。

（2）键识别功能，确定被按下键所在的行列的位置。

（3）产生相应的键的代码（键值）。

（4）消除按键弹跳及对于多键串键（复按）。

非编码矩阵式键盘工作原理主要以下几方面：

(1)键扫描

键盘上的键按行列组成矩阵，在行列交点上都有对应有一个键。为判定有无键被按下（闭合）以及被按键的位置，一般使用扫描法。

首先判定有没有键被按下。键盘的行线一端经电阻接+5V电源，另一端接单片机的输入口线。各列线的一端接单片机的输出口线，另一端悬空。为判定有没有键按下，可先向所有列线输出低电平，然后再输入各行线状态。若行线状态皆为高电平，则表示无键按下；若行线状态中有低电平则表明有键按下。

然后再判定被按键的位置。因为键盘矩阵有键被按下时，被按键处的行线和列线被接通，使穿过闭合键的那条行线变成低电平。

（2）去抖动

当扫描表明有键被按下之后，紧急着应进行去抖动处理。因为常用键盘的键实际上是一个机械开关结构，被按下时，由于机械触点的弹性及电压突然跳变等原因，在触点闭合或断开的瞬间会出现电压的抖动。抖动时间长短与键的机械特性有关，一般为5～10ms。而键稳定闭合时间和操作者的按键动作有关，约为十分之几到几秒不等。抖动现象会引起CPU对一次键操作进行多次处理，从而可能产生错误，因而必须设法消除抖动的不良后果。通过去抖动处理，可以得到按键闭合与断开的稳定状态。去抖动的方法有硬件与软件两种：硬件方法是加去抖动电路，如可通过RS触发器实现硬件去抖动；软件方法是在第一次检测到键盘按下后，执行一段20---30ms的延迟子程序后再确认该键是否确实按下，躲过抖动，待信号稳定之后，再进行键扫描。为了简单起见，本设计采用软件方法去抖动。

（3）键码计算

为了准确判断闭合键的位置，要对每个按键进行编码。根据矩阵式键盘的结构，采用行扫描的键位识别方法。使某条列线为低电平，如果这条列线上没有闭合键，则各行线的状态都为高电平；如果列线上有键闭合，则相应的那条行线即变为低电平。于是就可以根据行线号与列线号计算出闭合键的键码。扫描时由第一列开始，然后行线状态状态输入单片机，判断哪一行有键闭合，若无键闭合，再扫描第二列，检测下一列各行键闭合状态，由此一直扫描下去。至此扫描似乎已经可以结束，但是实际上扫描往往要继续进行下去，以发现出现的多键同时被按下。

最后得出被按下键的行号、列号，计算键码，公式如下：

键码 = 行首键号+列号

（4）等待键释放

计算键码后，再以延时后进行行扫描的方法等待键释放。等待键释放是为了保证键的一次闭合仅进行一次处理。

（5）键处理子程序

在计算机中每一个键都对应一个处理子程序，得到闭合键的键码后，就可以根据键码，转到相应的键处理子程序，进行字符、数据的输入或命令处理，这样就可以实现该键的功能。

（6）键盘扫描的中断控制方式

在单片机系统中，CPU除了对键盘进行处理外，还要进行数据处理、结果输出显示及其它各种控制，因此键盘处理不应占用CPU过多的时间，但又必须保证CPU能够检测到键盘的工作。为提高CPU的工作效率，可采用中断扫描方式。当无键闭合时，CPU处理自已的工作，当有键闭合时，产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序并执行相应的功能。

设计中可采用4输入与门用于产生键盘中断，其输入端与各行线相连，输出端接至SM8958的外部中断输入端。当无键盘闭合时，与门各输入端均为高电平，输出端为高电平；当有键闭合时，为低电平，于是向CPU申请中断。若CPU开放中断，则会响应该键盘中断，转去执行键盘扫描子程序。

3.2.4 键盘设计

本设计就采用行列式键盘，同时也能减少键盘与单片机接口时所占用的I/O 线的数目，在按键比较多的时候，通常采用这样方法。

每一条水平（行线）与垂直线（列线）的交叉处不相通，而是通过一个按键来连通，利用这种行列式矩阵结构只需要N条行线和M条列线，即可组成具有N×M 个按键的键盘。

在这种行列式矩阵键盘非键盘编码的单片机系统中，键盘处理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。

4×4矩阵键盘的工作原理

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图5所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。

扫描原理

把每个键都分成水平和垂直的两端接入，比如说扫描码是从垂直的入，那就代表那一行所接收到的扫描码是同一个bit，而读入扫描码的则是水平，扫描的动作是先输入扫描码，再去读取输入的值，经过比对之后就可知道是哪个键被按