3.4.2 按键与键盘矩阵原理
1.键盘的构成
键盘是单片机系统中最常用的一种输入设备，数据、内存地址、命令及指令地址等都可以通过键盘输入系统。键盘接口按不同标准有不同分类方法。
根据按键接口是否进行硬件编码，键盘可分成编码键盘和非编码键盘。编码键盘能自动提供对应被按键的编码信息（如ASCII码），并能同时产生一个选通脉冲来通知微处理器，还具有处理抖动和多键串键的保护电路。这种键盘的优点是使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵。非编码键盘全部工作都依靠程序来实现，包括按键的识别、按键代码的产生、消去抖动和防止串键等，所需的硬件较少，价格也便宜。单片机系统中主要采用非编码键盘方式。
此外，根据排布方式，键盘还可分成独立方式（一组相互独立的按键）和矩阵方式（以行列组成矩阵）；根据读入键方式，键盘可分成直读方式和扫描方式；根据CPU响应方式，键盘可分成查询方式和中断方式。各种不同方式的键盘适用于不同的系统。当按键较少时，一般采用独立方式，而当按键较多时，采用矩阵方式。采用独立方式时，CPU响应方式可以是查询方式，也可以是中断方式；采用矩阵方式时，CPU响应方式一般是查询方式。
2.按键引起的弹跳（抖动）现象
常用键盘的按键实际上就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跳等原因，在触点闭合或断开的瞬间会出现电压弹跳（抖动）。如图3.17（a）所示，当键按下时，按键从开始接上至接触稳定要经过数毫秒的抖动时间，按键松开时也同样。这种抖动可能会引起一次按键被读入多次的情况，必须消除抖动。消除抖动有硬件或软件的方法，通常在键数较少时，可用硬件去抖动，如图3.17（b）所示的RS触发器，或用最简单的RC滤波器等。键数较多时，常用软件去抖动，在检测出键闭合后，执行一个延时程序来产生数毫秒的延时，让前沿抖动消失后再检测键的闭合；在检测到键松开后，也要进行数毫秒的延时，让后沿抖动消失后再检测下一次键的闭合。
图3.17 按键弹跳及反弹跳电路
3.键盘的确认及接口硬件、软件任务
从按键到键的功能被执行主要包括两项工作：一是键的识别，即在键盘中找出被按的是哪个键，二是键功能的实现。第一项工作使用接口电路实现，第二项工作通过执行中断服务程序或子程序来完成。此节只讨论第一项工作，即按键识别问题。
按键识别是以软硬件结合的方式来完成的，具体哪些由硬件完成，哪些由软件完成，要看键盘接口电路的情况。一般来说，硬件复杂，软件就简单，硬件简单，软件就会复杂。
键盘接口除了要用一定的方法消除按键抖动外，对于非编码键盘还应包含怎样识别键盘中所按键的含义（键码）等问题，综合起来主要问题如下。
（1）检测是否有键按下。
（2）若有键按下，判定是哪一个键。
（3）确定被按下的键的含义。
（4）反弹跳（去抖动）。
（5）不管一次按键持续的时间有多长，仅采用一个数据。
（6）防止串键。串键是指同时有一个以上的键被按下而造成的编码出错，不同的情况有不同的处理办法。
①“两键同时按下”时，最简单的处理方法是当只有一个键被按下时才读取键盘的输出，并且认为最后仍被按下的键是有效的键。这种方法常用于软件扫描键盘场合。另一种方法是当第一个键未松开时，按第二键不起作用。这种方法常借助于硬件来实现。
②“n个键同时按下”时，或者不理会所有被按下的键，直至只剩下一个键按下时为止；或者将键的信息存入内部键盘输入缓冲器，对其进行逐个处理，这种方法成本较高。
4.独立式键盘接口
独立式键盘接口采用直接读入方式工作，直接读入方式键盘接口是一个输入接口，输入接口主要功能是解决数据输入的缓冲（选通）问题。
1）直接由单片机I/O输入
独立式键盘实际上就是一组独立的按键，这些按键一端直接与单片机的I/O口连接，每个按键独占一条I/O口线，单片机的输入口线经电阻接+5V电源，键盘的另一端接地，无键按下时单片机的输入口线状态皆为高电平，当有键按下时，该键对应单片机的输入口变为低电平，即可判定按键的位置。
按键开关是利用机械触点的闭合或断开实现电路转换的开关。
如图3.18所示，按下开关将导致输入端口的电压由Vcc变为0V。其中，图3.18（a）适用于对接内部有上拉电阻的端口引脚，图3.18（b）适用于对接内部没有上拉电阻的端口引脚，如本电路所用到的P0口。
图3.18 按键开关在端口的连接
所有机械开关的触点在闭合或断开时都会产生抖动。抖动时间长短和开关的机械特性有关，一般为5～10 ms。
为了确保单片机对一次按键动作只确认一次按键有效，必须消除按键抖动的影响。消除按键抖动可以采用硬件消抖和软件消抖的办法。
软件消抖采取的办法是：延时消抖，检测到有键被按下时，延时10 ms后再读取对应的P0.n引脚，如果第二次和第一次读取的结果一致，那么认为该键确实被按下了。
2）用TTL电路作为输入接口
当单片机的I/O口不能满足键盘输入需要时，就要进行I/O扩展，最简单的I/O扩展是使用中小规模集成电路芯片。按键的识别，可采用查询方式实现，根据按键码，执行相应子程序，从而完成相应的键功能。
若采用中断控制传送方式进行简单的键盘输入口扩展，当有键被按下时，产生中断请求，CPU响应中断，执行中断服务程序来完成键功能。
5.矩阵键盘接口
当非编码键盘的按键较多，采用独立式键盘占用I/O口线太多时，可采用矩阵式（也称为行列式）键盘。行列式键盘用m条I/O口线组成行输入口，用n条I/O口线组成列输出口，在行列线的每一个交点处，设置一个按键，组成一个矩阵，如图3.19所示。矩阵键盘所需要的连线数为行数+列数，如4×4的16键矩阵键盘需要8条线与单片机相连。
1）矩阵键盘扫描原理
矩阵键盘接口一般采用扫描读入方式工作，扫描式键盘接口是一个输入/输出口，行是输入口，而列是输出口，输入口的主要功能是解决数据输入的缓冲（选通）问题，而输出口的主要功能是进行数据保持能力（锁存）。
图3.19 4×4矩阵键盘与对应的键编码
图3.19所示的为一个4×4的矩阵键盘电路逻辑图，为判定有无键被按下（闭合键）及被按下的键的位置，可使用的方法有扫描法和翻转法两种，其中以扫描法使用较为普遍。因此以扫描法为例，说明查找闭合键的方法。
2）扫描法识别键盘的步骤
（1）首次是判断有无键被按下。依次拉低行线（或列线），检查各列线（或行线）电平的变化，如果某列线（或行线）电平由高变平变为低电平，则可确定此行与交叉点处的键被按下。
（2）去抖动。经扫描确定有键按下后，紧接着要进行去抖动处理。一般为简单起见多采用软件延时的方法，调用软件延时程序（延时10 ms），然后再判断键盘状态，如果两次判断得到的闭合键一致，则认为有一个确定的键被按下了，否则当作按键抖动处理，根据闭合键所在的行和列推算按键的键号。
（3）键码计算。按键确定之后，下一步是计算闭合键的键码，并通过跳转指令（如JMP指令）把程序转到闭合键所对应的子程序，进行字符、数据的输入或命令的处理。若直接使用该闭合键的行、列值组合产生键码，这样会使各子程序的入口地址比较散乱，给JMP指令的使用带来不便。所以通常都是以键的排列顺序安排键号，图3.19所示的键号是按从左到右从上向下的顺序编排的。这样安排，使键码既可以根据行号查表求得，也可以通过计算得到。按图3.19所示的键码编排规律，各行首键号依次是00H、04H、08H、0CH，如列号按0～3顺序，则键码的计算公式为
键码=行首键号+列号
根据键号定义的功能对键值进行相应的处理。
在这种矩阵式非编码键盘的单片机系统中，对键的识别通常采用两步扫描判别法。下面说明两步扫描判别法识别是哪一个键被按下的工作过程。
首先判别按键所在的行，由单片机P0口向键盘传送（输出）列扫描字，然后读入（输入）行线状态。其方法是：向P0口输出0FH，即列线（图3.19所示的垂直线P0.4～P0.7）输出全0，行线（图3.19所示的平行线P0.0～P0.3）输出全1，然后将P0口低4位（行线）的电平状态读到一个临时变量x_temp中。如果有键按下，总会有一条行线被拉至低电平，从而使行输入不全为1。在图3.19中，对应P0.2为低电平，即x_temp=0x0B。
然后判别按键所在的列，由单片机P0口向键盘传送（输出）行扫描字，然后读入（输入）列线状态。其方法是：向P0口输出F0H，即行线（图3.19所示平行线P0.O～PO.3）输出全0，列线（图3.19所示的垂直线P0.4～P0.7）输出全1，然后将P0口高4位（列线）的电平状态读到一个临时变量y_temp中。如果有键按下，总会有一条列线被拉至低电平，从而使行输入不全为1。在图3.19中，对应P0.6为低电平，即y_temp=0xB0。
将行和列的状态“或”运算得到OxBB，再把该值取反得到该位置键值位0x44，对应的二进制数为01000100B。如表3.1所示，该键值对应第3行第3列的按键。
表3.1 键值与行列对应关系
同理，求出上述16个位置的键值如表3.2所示。这种键盘的键值表示方式分散度大且不等距，还需要进一步的程序处理，依次排列键值。
表3.2 行列式键盘键值
（4）等待键释放。为了保证键的一次闭合仅进行一次处理，计算键码后，延时等待键释放。
总结上述内容，键处理的流程如图3.20所示。
图3.20 键处理的流程图