第6章 人机接口技术

+5V
AT89S51
反转法工作原理
第六章 人机接口技术
二、行列式键盘
3.键盘扫描方式
（2）反转法
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6.1 键盘接口技术
一个8位I/O口构成4*4键盘，硬件采用中断工作方式。反转法的两个步骤如下： 第一步。将D3～D0编程为列输入线，D7～D4编程为行输出线，并使I／O输 出数据为0XH(即保证行输出信号D7～D4为0000)。若有键按下，与门输出低电平， 向CPU申请中断。同时，D3～D0的数据送内存某一单元(N)中存放，其中“0”对应 的是被按下键的列位置。 第二步。将第一步中的传送方向反转过来，即将D7～D4编程为输入线， D3～D0编程为输出线。使I／O口输出数据为N单元中的数(即D3～Do为按下键的 列位置)，然后读入I/O数据，并送入内存N+1单元中存放，该数据的D7～D4位中 0电平对应的位是按下键的行位置。 最后，N中D3～D0与N+1中D7～D4拼接起来就是按键键值。
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二、行列式键盘
2.键盘工作方式
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6.1 键盘接口技术
应用系统中，键盘扫描只是CPU工作的内容之一。CPU既要忙于各项工 作任务，又要兼顾键盘扫描；既保证不失时机的响应键操作，又不过多占 用CPU时间。因此，根据系统中CPU的忙、闲情况，键盘的工作方式有编程 扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式三种。 (1)编程扫描工作方式 编程扫描工作方式是利用CPU在完成其它工作的空余，调用键盘扫描子 程序，来响应键输入要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求。 下图8155扩展I／O口组成的行列式键盘为例，介绍编程扫描工作方式的工 作过程与键盘扫描子程序。
第六章 人机接口技术
二、行列式键盘
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6.1 键盘接口技术
3.键盘扫描方式 （2）反转法 反转法时，只要经过两个步骤即可获得键值。
+5V AT89S51 输 入 I/O 口 输 出 1 0 1 1 0 0 0 0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 74LS21 INT0/INT1 a）线反转法第一步 b） 线反转法第二步 输 出 I/O 口 输 入 1 0 1 1 1 1 1 0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
第六章 人机接口技术
6.1 键盘接口技术
一、独立式键盘
1.独立式按键结构 如图是查询方式。 通常按键输入都采用低 电平有效。上拉电阻保证 了按键断开时I/O口线有 确定的高电平。I／O口内 部有上拉电阻时，外电路 可以不配置上拉电阻。
AT89S51
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+5V
INT0 INT1
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6.1 键盘接口技术
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键盘：单片机系统中完成控制参数输入及修改的基本输入设备，是人工 干预系统的重要手段。 键盘的分类：按编码方式可分为编码键盘与非编码键盘。按键组连接方 式可分为独立连接式键盘与矩阵连接式键盘。 无论是按键或键盘都是利用机械触点的合、断作用。一个电压信号通过 机械触点的闭合、断开过程,其波形如图所示。由于机械触点的弹性作用,在 闭合及断开瞬间均有抖动过程,会出现一系列负脉冲。抖动时间,与开关的机 械特性有关,一般为5~10ms。 键按下
AT89S51 5k*4 D7
D6 D5
+5V
D4 D3 D2 D1 D0
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二、行列式键盘
1.工作原理
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6.1 键盘接口技术
键盘中有无按键按下是由列线送入全扫描字、行线读入行线状态来判 断的。其方法是： 给列线的所有I／O线均置成低电平，然后将行线电平状态读入累加器A 中。如果有键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平，从而使行输入不 全为1。 键盘中哪一个键按下是由列线逐列置低电平后,检查行输入状态。其方 法是： 依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下之 键不在此列。如果不全为l，则所按下的键必在此列，而且是在与低电平行 线相交的交点上的那个键。
6.1 键盘接口技术
IO/M
WR RD ALE D0D7 PC1 RESET 16 PC2 81C55 PC3 24 17 25 18 26 19 27 20 28 PA0 0 PC0 8 1 9 2 10 3 11 4 12 5 13 21 29 6 14 22 30 7 15 23 31 5.1k× 4 +5V
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二、行列式键盘
2.键盘工作方式
(1)编程扫描工作方式 在该键盘中， 键值与键号相一致， 依次排列为0-31， 共32个键，由1个8 位口和1个4位口组 成4X8的行列式键盘。
AT89S51 P2.7 P2.0 WR RD ALE P0 8 PA7 CE
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第六章 人机接口技术
二、行列式键盘
3.键盘扫描方式
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6.1 键盘接口技术
当有键按下时，要对键盘进行扫描，以判定是哪一个按键按下。通常扫 描法和反转法两种扫描方式。 （1）扫描法 扫描法是在判定有键按下后逐列(或行)置低电平，同时读入行(或列)状 态，如果行(或列)状态出现非全1状态，这时0状态的行、列交点的键就是 所按下的键。 扫描法的特点就是逐行(或行)扫描查询，扫描时间较长。当所按下的键 在最后行(列)，则要经过多次扫描才能获得键值／键号。
第六章 人机接口技术
二、行列式键盘
2.键盘工作方式
(1)编程扫描工作方式
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6.1 键盘接口技术
d.键闭合一次仅进行一次键功能操作。其方法为，等待键释放以 后再将键号送入累加器A中。图为键扫描子程序框图。
键号扫描子程序清单(8155的初始化，置PA口为基本输出口、Pc 为基本输入口，放在主程序中)：
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6.1 键盘接口技术
定时扫描工作方式
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二、行列式键盘
2.键盘工作方式
(2)定时扫描工作方式
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6.1 键盘接口技术
当键盘中有键按下时，先检查KM标志，KM＝0时，表示尚未作去抖动影 响处理，此时中断返回同时KM置1。因为中断返回后要经10ms才可能再次中 断，相当于实现了10ms延时效果，因而程序中不需要延时。当再次定时中断 后检查KP标志，由于开始时KP＝0，程序入查找键号，并使KP置1，执行键功 能程序，然后返回。在KM,KP均为1时，表示键处完毕，再次定时中断时，都 返回原来CPU状态。
键稳定 前沿抖动
后沿抖动
键闭合及断开时的电压抖动
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6.1 键盘接口技术
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通常去抖动影响的措施有硬、软件两种。下图是用R-S触发器或单稳态电 路构成的硬件去抖动电路。 采用软件除去抖动影响的办法是在检测到有键按下时，执行一个10ms的 延时程序后再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，若保持闭合状态电 平则确认为是真正的键按下状态，从而消除了抖动影响。
I/O
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6.1 键盘接口技术
一、独立式键盘
1.独立式按键结构 如图是中断方式。 每个按键单独占一根 I/O口线； I/O口内部无上拉电阻 时，应上拉至+5v； 所有I/O口线相与后送 中断口。
AT89S51 AT89S51 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0
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6.1 键盘接口技术
中断扫描工作方式
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二、行列式键盘
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2.键盘工作方式 （3）中断工作方式
该键盘直接由8031的P1口的高、低字节构成4X4行列式键盘。 P1.4P1．7作键输入线，P1.0-P1.3作扫描输出线。初始时，使P1.0-P1．3置零。 当有键按下时，INT0／INT1端为低电平，向CPU发出中断申请，若CPU开放 外部中断，则响应中断请求，进入中断服务程序。在中断服务程序中除完 成键识别、键功能处理外，还须有消除键抖动影响、多次重复执行键功能 操作等措施。
+5V 闭合 1
74121 断开 +5V a）R-S触发器 b）单稳态电路 1 输出
I/O口
去抖动开关电路
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一、独立式键盘
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每键相互独立，各自与一条I/O线相连，CPU可直接 读取该I/O线的高/低电平状态。其优点是硬件、软件结构 简单，判键速度快，使用方便；缺点是占I/O口线多。 适用场合：多用于设置控制键、功能键。适用于键 数少的场合。 通常按键输入都采用低电平有效。上拉电阻保证了 按键断开,I/O口线有确定的高电平。当I/O口内部有上拉 电阻时，外电路可以不配置上拉电阻。
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二、行列式键盘
2.键盘工作方式
(2)定时扫描工作方式 定时扫描工作方式在本质上是中 断方式。其软件框图如图所示。照程序 要求，在单片机的片内RAM位寻址区设 置去抖动标志KM和处理标志KP两个标 志位。 当键盘中无键按下，KM、KP置零， 返回。由于定时开始后一般不会立即 有键按下，故相当于KM、KP初始化置 零。
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二、行列式键盘
1.工作原理
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6.1 键盘接口技术
键盘上的每个键都有一个键值。键值赋值的最直接办法是将行、列线 按二进制顺序排列，当某一键按下时，键盘扫描程序执行到给该列置0电平， 读出各行状态为非全1状态，这时的行、列数据组合成键值。上页图中键盘 键值从左到右、从上至下依次是77，7B，7D，7E；B7，BB，BD，BE；…； E7，EB，ED，EE。 这种负逻辑表示往往不够直观，因而采取行、列线加反相器或软件求 反方法把键盘改成正逻辑，这时键值依次为88，84，82，81；48，44，42， 41；· ：18，14，12，11。 ．· 以上键值表示方式分散度大且不等距，用于散转指令不太方便。对于 不是4X4或8X4、8X8的键盘使用不容易。故可采用依次排列的键值的方法， 这时的键值与键号相一致。
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人机界面（Human-Computer Interface）: 是指人与计算机系统进行信息交 互的接口，包括信息的输入和输出。
第六章 人机接口技术
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6.1 键盘接口技术 6.2 显示电路接口技术 6.3 打印机接口技术 6.4 拨码盘及语音接口技术
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二、行列式键盘
2.键盘工作方式
（3）中断工作方式 应用系统工作时，并不经 常需要键输入，因此，编程方 式或定时方式，经常处于空扫 描状态。为了进一步提CPU效率， 可以采用中断扫描工作方式。 即在键盘有键按下时，才执行 键盘扫描，执行该键功能程序。 中断扫描工作方式的键盘接口 如图。
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二、行列式键盘
2.键盘工作方式
(1)编程扫描工作方式
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6.1 键盘接口技术
按照行列式键盘工作原理，图中32个键的键值应对应作如下分布(按PA， PC口二进制码，X为任意值)： FEXE FDXE FBXE F7XE EFXE DFXE BFXE 7FXB FEXD FDXD FBXD F7XD EFXD DFXD BFXD 7FXD FEXB FDXB FBXB F7XB EFXB DFXB BFXB 7FXB FEX7 FDX7 FBX7 F7X7 EFX7 DFX7 BFX7 7FX7 在上述键值中，从零电平对应的位可以找出行首键号与相应的列号。
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第六章 人机接口技术
二、行列式键盘
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6.1 键盘接口技术
又叫矩阵式键盘。用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交 点上。例如用2X2的行、列结构可构成4个键的键盘。在按键数量较多时， 可以节省I/O口线。
1.工作原理 按键设置在行、列 线交点处，行、列线 分别连接到按键开关 的两端。当行线通过 上拉电阻接+5V时，被 钳位在高电平状态。
+5V
1k
81C55扩展I/O组成的键盘
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二、行列式键盘
2.键盘工作方式
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6.1 键盘接口技术
(1)编程扫描工作方式 在键盘扫描子程序中完成下述几个功能： a.判断键盘上有无键按下。其方法为，PA口输出全扫描字00H，读PC口状 态，若PC0～3为全l则键盘无键按下，若不全为1则有键按下。 b.去键的机械抖动影响。其方法为，在判断有键按下后，软件延时一段时 间再判断键盘状态，如果仍为有键按下状态，则认为有一个确定的键按下， 否则按键抖动处理。 c.求按下键的键号。键号如图所示，观察发现，把行首键号与列号相加处 理后可得到各键键号。其中每行的行首键号依次为0，8，16，24，列号依列 线顺序为0～7。