单片机人机交互接口技术

第3章 人机交互接口技术
3. 按键防抖动技术
多数键盘的按键均采用机械弹性开关。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。其波形如图3.1所示。抖动过程的长短由 按键的机械特性决定，一般为10～20 ms。
KYAD1： RRC A； JNC KYAD2； PA0=0，转向KYAD2 INC R4；计数器加1 AJMP MAIN ；上电后自动转向主程序 DJNZ R3，KYAD1 ORG 0003H ；外部中断0入口地址 RETI KYAD2： MOVDPTR，#JMPTABL；转 AJMP KEYJMP ；指向键处理中断服务程序 到响应功能键入口地址表指针 ORG 0100H MAIN： SETB IT0；选择边沿触发方式 MOV A，R4； SETB EX0 ；允许外部中断0 RL A； JMP @A+ DPTR；
Hale Waihona Puke Baidu
3. 中断扫描法 无论是程控扫描法还是定时扫描法，都占用CPU的大量 时间。不管有没有键入操作，CPU总要在一定的时间内进 行扫描，这对于单片机控制系统和智能仪表都是很不利的。 为进一步节省机时，还可以采用中断扫描法。这种办法的 实质是，当没有键入操作时，CPU不对键盘进行扫描，以 节省出大量时间对系统进行监控和数据处理。一旦键盘输 入，即刻向CPU申请中断。CPU响应中断后，立刻转到响 应的中断服务程序，对键盘进行扫描，判别键盘上闭合键 的键号，并做相应的处理。
第3章 人机交互接口技术
（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。这种做法，工作可靠，且节省机时。下面介绍两种硬件防 抖电路。 ① 滤波防抖电路 利用RC积分电路对干扰脉冲的吸收作用，
由图可知，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。总之， 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10 ms， 该电路就能消除抖动的影响。
2. 定时扫描法 定时扫描法方式是CPU每隔一定的时间（如10ms）对键盘扫 描一遍。当发现有键被按下时，便进行读入键盘操作，以求出 键值，并分别进行处理。定时时间间隔由单片机内部定时/计数 器产生。这样可以减少计算机扫描键盘的时间，以减少CPU开 销。具体做法是，当定时时间到期时，定时器自动输出一脉冲 信号，使CPU转去执行扫描程序。这种方法扫描和求键值，以 及区别功能键与数字键的方法与程序扫描法类似。但有一点需 指出，即采用定时扫描法时，必须在其初始化程序中，对定时 器写入相应的命令，使之能定时产生中断，从而定时完成扫描 任务。为简化设计，在比较大的系统中，也可以每隔一定长度 的程序设置一次键盘查询程序。
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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。 如视按下时间最长者为有效键，或认为最先按下的键为当前 按键，也可以将最后释放的键看成是输入键。不过微型计算 机控制系统毕竟资源有限，交互能力不强，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）。 有时，由于操作人员按键动作不够熟练，会使一次按键产生 多次击键的效果，即重键的情形。为排除重键的影响，编制 程序时，可以将键的释放作为按键的结束。等键释放电平后 再转去执行相应的功能程序，以防止一次击键多次执行的错 误发生。
如图3.9中所示，没有键按下时，所有列线均为1，经8输入与 非门及反相器，输出一高电平到8031的 INT引脚，此时不申 请中断。一旦有键按下，则高电平通过键加到该行的二极管 正端，使二极管导通。同时，该列线输出低电平，从而使 INT0有效，向8031申请中断。8031响应后，即刻转至中断服 务程序，查出键号，进一步做相应处理。扫描方法与程控扫 描法相同。不同之处仅在于，此法仅在有键入操作时才对键 盘扫描。若无键按下，CPU执行主程序或处理其他事务。这 样可节省大量的空扫描时间，进而提高了计算机的工作效率。
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当我们按下某按键时．对应的功能便会通过键盘分 析程序得以执行．如果在操作者释放按键之前，对 应的功能得以多次执行，如同操作者在连续不断操 作该键一样．这种现象就称为连击。连击现象可用 日（a）所示流程图的软件方法来解决，当某按键被 按下时，首先进行软件去抖处理，确认按键被按下 后，厦执行对应的功能，执行完后不是立即返回， 而是等待按键释放之后再返回．从而使一次按键只 彼响应一次，避免连击现象。 例如在某些简易仪器中．因设汁的按键很少，没有安排0～9数字按键．这时R能设 置一只调整按键，采用加回（或减1）的方法来调整有关参数，但当调整量比较大时 就需要按多次按键，使操作很不方便．如果这时允许凋整按键存在连击现象，我们 只要按往调整键不放．参数就会不停地加1（或减 1），这就给操作者带来根大方 便．具体实现软件流程图如图所示，程序中加入的延时环节是为了控制连击的速度。 例如．延时取250rns。则连击速度为4次／s。
（1）首先判断是否有键按下。其方法是使所有的行输出均为低电平，然后从端口A 读入列值。如果没有键按下，则读入值为FFH，如果有键按下，则不为FFH。
（2）去除键抖动。若有键按下，则延时10～20ms，再一次判断有无键按下。如 果此时仍有键按下，则认为键盘上有一个键处于稳定闭合期。 （3）若有键闭合，则求出闭合键的键值。求键值的方法是对键盘逐行扫描。
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（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（10ms～20ms），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。
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② 双稳态防抖电路 用两个与非门构成一个RS触发器，即可构成双稳态防抖电路。 其原理电路，如图3.3所示。
设按键K未按下时，键K与A端（ON）接通。 此时，RS触发器的Q端为高电平1， 致使Q反端为低电平0。此信号引至1# 与非 门的输入端，将其锁住，使其固定输出为1。 每当开关K被按动时，由于机械开关具有弹 性，在A端将形成一连串的抖动波形。而Q 端在K到达B端之前始终为0。这时，无论A 处出现怎样的电压(0或1)，Q端恒为1。只有 当K到达B端，使B端为0，RS触发器产生翻 转，Q反变为高电平，导致Q降低为0，并锁 住门2，使其输出恒为1。此时，即使B处出 现抖动波形，也不会影响Q端的输出，从而 保证Q端恒为0。同理，在释放键的过程中， 只要一接通A，Q端就升至为1。只要开关K 不再与B端接触，双稳态电路的输出将维持 不变。
1．程控扫描法
图3.6所示为4×8矩阵组成的32键盘与单片机的接口电路。
在图3.6中，8255A端口C为行扫描口，工作于输出方式。端口A工作于输 入方式，用来读入列值。图中I/O口地址必须满足CS=0，才能选中相应的 寄存器。由此可知，8255控制寄存器、端口A、端口B、端口C的地址分别 为8300H，8000H，8100H和8200H。
4. 串行接口非编码键盘 除了并行接口扫描键盘外，还可以设计成串行接口扫描键盘。其原理如 图3.10所示。 它由移位寄存器74LS164和24键（3×8）矩阵组成，0～F为16个数字键， 10H～17H为8个功能键，各键的功能由用户定义。74LS164是一个14脚的 移位寄存器集成电路芯片。由8031串行接口的RxD端输出列扫描信号到 74LS164的1，2引脚，由QA～QH 输出至键盘。键闭合信号从端口P3.3， P3.4，P3.5输入到8031芯片。由8031的TXD引脚输出移位时钟脉冲到 74LS164的时钟输入端（CLK）。
第3章 人机交互接口技术
本章要点： 键盘接口技术 LED显示接口技术 LCD显示接口技术 所谓人机交互接口，是指人与计算机之间建立联系、交换信息的 输入/输出设备的接口。 这些输入/输出设备主要有键盘、显示器和打印机等。 3.1 键盘接口技术 3.1.1 键盘设计需解决的几个问题 编码键盘和非编码键盘
二、矩阵式键盘接口电路及程序
当采用矩阵式键盘时，为了编程方便，应将矩阵键盘中的 每一个键按一定的顺序编号，这种按顺序排列的编号叫顺序码， 也称键值．为了求得短阵式键盘中被按下健的键值，常用的方 法有行扫描法和线路反转祛。 线路反转法识别键值的道度较快，但必须借助于可编程的 通用接口芯片。 本节介绍几种键盘接口电路及控制软件，一种是采用编程扫描 工作方式的行扫描来识别键值，另一种是采用中断工作方式的 线路反转法来识别键值。
编码键盘 自动识别按下的键并产生相应代码，以并行或串行方式发送给CPU。 它使用方便，接口简单，响应速度快，但需要专用的硬件电路。
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非编码键盘
通过软件来确定按键并计算键值。这种方法虽然没有编码键 盘速度快，但它不需要专用的硬件支持，因此得到了广泛的应用。 1. 按键的确认 键盘实际上是一组按键开关的集合，其中每一个按键就是 一个开关量输入装置。键的闭合与否，取决于机械弹性开 关的通、断状态。反应在电压上就是呈现出高电平或低电 平，若高电平表示断开，则低电平表明键闭合。所以，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。
3.1.2 少量功能键的接口技术1. 独立式按键接口
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在上工作方式下，CPU经常处于空扫猫状 态．为进一步提高CPU效率，可采用中断工 作方式，即只有当键盘中有键被接下时，才 执行扫描工作．
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3.1.2 少量功能键的接口技术 1. 独立式按键接口
主程序： ORG 0000H
PC0=0，然后读入列值，看其是否等于FFH。若等于FFH，说明该行无键按下。 再对下一行进行扫描（即令PC1=0），如果列值不等于FFH，则说明该行有键按下，求 出其键值。 求键值时，要采用行值、列值两个寄存器（或存储器）。每扫描一行后，如无键按下， 则行值寄存器加08H；若有键按下，行值寄存器保持原值，并转至求相应的列值。 此时，首先将列值读数右移，每移位一次列值寄存器加1，直到有键按下（低电平）为 止。最后将行值和列值相加，即得到键值（十六进制数）。例如，X2 行Y3 列键被按下， 求其键值。第一次扫描X0 行（PC0=0），无键按下，行值寄存器=00H+08H；再扫描Xl 行，仍无键按下，再加08H，即行值寄存器=08H+08H=10H；第三次扫描X2 行，此时 发现有键按下（列值不等FFH）， 则行值寄存器=10H不变，转向求列值。具体做法是，将列值读数逐位右移，则行值寄 存器=10H不变，转向求列值。具体做法是，将列值读数逐位右移，第一次移位，无键 按下，列值寄存器=00H+01H=01H；第二次移位，无键按下；第三次移位仍无键按下， 列值寄存器=01H+01H+01H=03H；当第四次移位时，发现有键按下（低电平），列值 寄存器=03H，不变。将行值与列值相加，即行值寄存器的值加上列值寄存器 =10H+03H=13H，故该键值为13H。
SETB EA ；允许CPU中断 MOV DPTR，#0EF00H ；指向8155命令口 JMPTABL： MOV A，#02H；控制字写入命令寄存器 AJMP SB0 MOVX @DPTR，A； AJMP SB1 HERE：AJMP HERE；模拟主程序 AJMP SB2 中断服务程序： AJMP SB3 ORG 0200 ；设循环次数 AJMP SB4 KEYJMP：MOV R3，#08H； AJMP SB5 MOV DPTR，#0EF01H ；指向8155A口 AJMP SB6 MOV R4，#00H ；计数寄存器清零 AJMP SB7 MOVX A，@DPTR；读入状态字