單片機(jī)中斷在矩陣式鍵盤中的應(yīng)用

張 麗

（陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710100）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，大量的電子設(shè)備進(jìn)入到我們的日常生活中，比如全自動的洗衣機(jī)，汽車的電子控制系統(tǒng)等等。在使用這些設(shè)備的過程中，我們需要傳達(dá)指令，而指令的傳達(dá)都離不開一個(gè)關(guān)鍵部件——鍵盤。這里的鍵盤不只包含計(jì)算機(jī)的鍵盤，而是更廣義的鍵盤：只要一個(gè)電子設(shè)備需要我們傳達(dá)指令，那么在這個(gè)設(shè)備上都有鍵盤。

1 單片機(jī)鍵盤的分類

單片機(jī)鍵盤根據(jù)不同的驅(qū)動控制方式，大體可分為兩大類，一類是獨(dú)立式鍵盤；一類是矩陣式鍵盤。

獨(dú)立式鍵盤是鍵盤發(fā)展的早期階段，應(yīng)用在對按鍵復(fù)雜度要求較低的設(shè)備上。獨(dú)立式鍵盤的原理非常簡單，就是將單片機(jī)的I/O口（輸入/輸出口）與按鍵物理連接起來，鍵盤有多少按鍵，每個(gè)按鍵都要和單片機(jī)的一個(gè)I/O口相連。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，不需要過多的連線。但是缺點(diǎn)也非常明顯：常見的80系列單片機(jī)總共只有四十個(gè)端口，而I/O口只有三十二個(gè)，一個(gè)鍵盤就占去了其中大部分的I/O口，那單片機(jī)就沒有足夠的端口去控制其它設(shè)備了。

在獨(dú)立式鍵盤的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)的不斷完善，最終發(fā)展到比較成熟的矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤是將單片機(jī)的I/O口分成行線和列線兩類，通過的矩陣式排列，在行線和列線的交匯點(diǎn)接上按鍵，這樣，最大程度的減少了對單片機(jī)I/O口的占用，并組成按鍵相對較多的鍵盤。例如，如果用8個(gè)I/O口，4條做行線，4條做列線，就構(gòu)成了一共有十六個(gè)按鍵的4×4矩陣式鍵盤，矩陣式鍵盤電路如圖1所示。

矩陣式鍵盤根據(jù)不同的軟件掃描方式，可以分為循環(huán)掃描法和線反轉(zhuǎn)法。循環(huán)掃描法的原理是讓單片機(jī)的CPU不停的去掃描鍵盤的行線和列線，如果發(fā)現(xiàn)行線和列線的電平相對于初始值發(fā)生改變，就判斷有按鈕被按下，然后調(diào)用鍵盤掃描程序確立按鍵，這種方法程序結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但是掃描一次耗費(fèi)較多時(shí)間，占用CPU的資源過大。線反轉(zhuǎn)法的原理是通過行線和列線的互換來確立按鍵，相比較循環(huán)掃描法，不但速度快，而且準(zhǔn)確度更高。但是不管采用哪種方法，不管有沒有按鍵被按下，都需要程序從系統(tǒng)通電開始，就時(shí)時(shí)刻刻不停的掃描鍵盤端口，這樣，不但效率較低，而且占用大量CPU資源，降低整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度。所以，理想的鍵盤是每當(dāng)有按鍵被按下時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用鍵盤掃描程序，確立按鍵的位置。這樣，就必須引入單片機(jī)的中斷系統(tǒng)。

圖1 矩陣式鍵盤原理圖

2 單片機(jī)的中斷

中斷是指計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過程中，當(dāng)出現(xiàn)異常情況或特殊請求時(shí)，計(jì)算機(jī)停止現(xiàn)行程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)向?qū)@些異常情況或特殊請求的處理，處理結(jié)束后再返回現(xiàn)行程序的間斷處，繼續(xù)執(zhí)行原程序。中斷是單片機(jī)實(shí)時(shí)地處理內(nèi)部或外部事件的一種內(nèi)部機(jī)制。當(dāng)某種內(nèi)部或外部事件發(fā)生時(shí)，單片機(jī)的中斷系統(tǒng)將迫使CPU暫停正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而去進(jìn)行中斷事件的處理，中斷處理完畢后，又返回被中斷的程序處，繼續(xù)執(zhí)行下去。

單片機(jī)的內(nèi)部一共包含五個(gè)中斷源：外部中斷0、外部中斷1、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1和串口。單片機(jī)給這五個(gè)中斷源分配了各自的入口地址。其中兩個(gè)外部中斷源用來反饋外電路傳遞的中斷信號；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1這兩個(gè)中斷源用來控制系統(tǒng)的定時(shí)和計(jì)數(shù)，串口中斷源用來控制系統(tǒng)與外部的信息交換。

a.外部中斷源

單片機(jī)有兩個(gè)外部中斷源，分別稱為外部中斷0和外部中斷1。單片機(jī)給這兩個(gè)中斷源分配了端口，分別是P3.2和P3.3。P3.2是外部中斷0的中斷信號輸入端，被稱為INT0；P3.3是外部中斷1的中斷信號輸入端，被稱為INT1。它們有兩種觸發(fā)方式，低電平有效或下降沿有效。也就是當(dāng)這兩個(gè)端口收到來自外電路的低電平或者下降沿的時(shí)候，就會觸發(fā)中斷響應(yīng)，主程序就停下來，跳入外部中斷0或外部中斷1的中斷程序中。

b.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1中斷源

這兩個(gè)中斷源不需要輸入端，每當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0或定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1定時(shí)或者計(jì)數(shù)結(jié)束的時(shí)候，會自動觸發(fā)中斷響應(yīng)。主程序會停下，跳入定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0或 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的中斷程序中。

c.串口中斷源

串口中斷源同樣不需要輸入端，每當(dāng)單片機(jī)發(fā)送完一組數(shù)據(jù)，或者接收完一組數(shù)據(jù)的時(shí)候，串口中斷就會啟動，主程序會停下，轉(zhuǎn)而跳入串口的中斷程序中。

3 用中斷法實(shí)現(xiàn)矩陣式鍵盤

3.1 矩陣式鍵盤設(shè)計(jì)

中斷法矩陣式鍵盤的硬件電路和其它矩陣式鍵盤沒有任何區(qū)別，只需要在普通的矩陣式鍵盤上引入一個(gè)多輸入與門，將所有行線或者列線作為多輸入與門的輸入端，與門的輸出接到外部中斷0或者外部中斷1上。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，與門的輸出電平就會由原本的高電平跳轉(zhuǎn)為低電平，從而在P3.2或者P3.3上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)躍變，此時(shí)主程序會停止，轉(zhuǎn)入外部中斷0或者外部中斷1的中斷程序中。我們只需將鍵盤掃描程序放在中斷程序內(nèi)，便實(shí)現(xiàn)了中斷法的矩陣式鍵盤設(shè)計(jì)。

3.2 鍵盤防抖動設(shè)計(jì)

鍵盤作為向系統(tǒng)操作人員的干預(yù)指令的接口，以其特定的按鍵序列代表著各種確定的操作命令，所以，準(zhǔn)確無誤的辨認(rèn)每個(gè)鍵的動作和其所處的狀態(tài)，是系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。

多數(shù)鍵盤的按鍵多使用機(jī)械式彈性開關(guān)，一個(gè)電信號通過機(jī)械觸點(diǎn)的斷開，閉合過程完成高低電平的切換。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合及斷開的瞬間必然伴隨著一連串的抖動。

抖動過程的長短是由按鍵的機(jī)械特性決定，一般是10～20ms。 為了使CPU對一次按鍵動作只確認(rèn)一次，必須消除抖動的影響，抖動的防治分為硬件和軟件兩種方式。

硬件防抖動方法：通過硬件電路消除按鍵過程中的抖動的影響是一種廣為采用的措施。這種做法，工作可靠且節(jié)省機(jī)時(shí)，硬件防抖動電路如圖2所示。

軟件防抖動方法:如前所述，若采用硬件消抖電路，那么N個(gè)鍵就必須配有N個(gè)防抖電路。因此，當(dāng)按鍵的個(gè)數(shù)比較多時(shí)，硬件防抖將無法勝任。在這種情況下，可以采用軟件的方法進(jìn)行防抖。當(dāng)?shù)谝淮螜z測到有建按下時(shí)，先用軟件延時(shí)（10～20ms），而后再確認(rèn)鍵電平是否依舊維持閉合狀態(tài)的電平。若保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)此間已按下，從而消除抖動影響。

軟件防抖動通過延遲程序完成，將延遲程序聲明在函數(shù)體內(nèi)，在需要的時(shí)候調(diào)用。延遲程序如下所示：

程序由兩層for循環(huán)組成，內(nèi)層200次，外層100次，總循環(huán)次數(shù)20000次。可以看到，循環(huán)的主題語句為空，所以每次循環(huán)不做任何動作，只是達(dá)到了延時(shí)的目的。

圖2 防抖動電路

4 結(jié)束語

鍵盤是人機(jī)交互中信息輸入的重要入口，設(shè)計(jì)合理的鍵盤要求反映快速、按鍵判斷準(zhǔn)確、系統(tǒng)資源占用合理。用單片機(jī)的中斷法實(shí)現(xiàn)的矩陣式鍵盤符合這些要求，是目前鍵盤設(shè)計(jì)中最常用的方式。

[1]郭天祥.51單片機(jī)C語言教程[M]，北京:電子工業(yè)出版社,2005

[2]任克強(qiáng),王新勇.基于S3C2440A的液晶觸摸亂序密碼鍵盤設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)安全.2010(11)

[3]鄔正義,范瑜,徐惠鋼等.現(xiàn)代無線通信技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[4]唐述凱.8086/806616位微機(jī)處理器入門 第六章8086/8088支持電路[J].微處理機(jī).1984(04)

[5]蔡卓恩,李小青.基于TMS320F2812的雙DSP芯片并行處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用.2010(02)

[6]陳平.基于PWM技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息.2007(29)

[8]張喜紅,祁懷遠(yuǎn),李鵬.C8051F系列單片機(jī)開發(fā)與C語言編程[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn).2011(03)