單片機定時器在按鍵消抖和鍵音輸出中的應用

文/徐連喜

鍵盤輸入和鍵音輸出是單片機系統中人機對話的常見部分。一般情況下，按鍵按下時易產生抖動干擾，進而使系統誤動作，程序員處理此問題時通常會在檢測到有鍵被按下時，加入一個延時，延時過后再檢測同一按鍵是否仍處于被按狀態？若是，就判定此鍵確實被按下，接著就開始執行此鍵的功能；若不是，就判定為干擾，并忽略延時前的檢測結果。通常情況下，兩次檢測之間所加入的延時需要約100mS才能達到比較理想的消抖效果，而CPU是依用戶程序從頭到尾掃描執行程序代碼，如果在長達100mS的時間里，CPU僅僅完成一次延時的功能，那么此時段內其它任務都將被擱置，這對于那些實時控制要求較高的場所(例如數碼管動態掃描顯示)是絕對不允許的?；趯崟r控制所遇到的另外一個問題就是鍵音輸出問題，當CPU判定某個鍵被按下時，通過某個IO端口輸出鍵音，用戶就會有更加貼切的人機對話體驗，要讓人清晰地聽到清脆的鍵音，聲音的頻率一般控制在1KHz左右，而且時間不能太短，約100mS較適宜，依照前述的用戶程序的運行規則，此時若用常規的IO端口取反、延時、再取反來輸出鍵音，顯然不能滿足用戶程序的實時控制要求。為此，本文詳述了新的思路，巧妙地利用2個定時器分別去控制按鍵消抖和鍵音輸出，經實物驗證，CPU不僅能輕松處理按鍵消抖和鍵音輸出，同時還能完成數碼管的動態掃描及各個IO端口的實時控制，取得了理想的控制效果。

1 單片機應用系統硬件框圖

如圖1所示。

2 鍵盤輸入硬件電路

如圖2所示。

鍵盤硬件電路，采用4X4矩陣鍵盤，用8個I/O口就能得到16個鍵值，可實現0~9共十個數字鍵輸入和A~F共六個功能鍵輸入。

3 鍵音輸出硬件電路

圖1：單片機應用系統硬件框圖

圖2：鍵盤輸入硬件電路

圖3：鍵音輸出硬件電路

如圖3所示。

鍵音的發聲器件BZ1采用線圈蜂鳴器，這樣可使得發聲器件的體積小，聲音清脆。驅動器件由限流電阻、續流二極管、開關驅動管等部分組成。 R6、R18與Q2組成簡單的開關驅動電路，為CPU有力推動BZ1提供動力，R18是快速關斷電阻，可使CPU由低電平轉高電平時快速關斷Q2，避免了Q2因關斷不及時而產生意想不到的雜音。D3作為續流二極管，避免在Q2關斷瞬間由BZ1線圈產生的負高壓損傷Q2，電阻R7既可以調節音量大小，也可以起到限流作用(當Q2導通時)。

4 矩陣鍵盤掃描及其消抖和鍵音的軟件設計

如圖4、5、6所示。

鍵盤功能由“矩陣鍵盤掃描子程序”和“按鍵消抖(T0中斷)子程序”和“鍵音(T1中斷)子程序”完成。按鍵消抖對系統可靠運行至關重要，如果僅僅用普通的延時消抖，延時時間短了起不到消抖作用，延時時間長了又會影響CPU的實時控制功能，特別是當應用系統配有數碼管動態掃描顯示時，消抖延時時間長了就會使周期內的數碼管動態顯示時間縮短而變暗，嚴重影響數碼管顯示效果，為此，系統采用T0中斷方式延時消抖，消抖“開中斷”命令是被巧妙地安插在按鍵消抖子程序里，一旦有鍵被按，鍵掃描程序必定調用按鍵消抖子程序，于是開T0中斷，進入T0中斷后立即關閉鍵掃描100mS，這100mS期間CPU只掃描數碼管及其它IO端口而不掃描鍵盤，從而保證了消抖期間數碼管亮度不受影響。消抖延時結束后恢復鍵盤掃描。同消抖延時一樣，也是緣于鍵音對數碼管顯示及對其它IO端口實時控制的影響，為此，系統采用T1中斷方式處理鍵音，鍵音中斷的“開中斷”命令是被巧妙地安插在按鍵消抖子程序里，一旦有鍵被按，鍵掃描程序必定調用按鍵消抖子程序，從而開啟鍵音中斷，鍵音頻率由T1的初值決定，鍵音時長則由中斷次數決定。鍵音中斷子程序完成“BZ1通電與斷電切換”和“切換401次（102mS）后關閉中斷”，以及“關閉中斷期間CPU驅動腳鎖高電平”功能。

圖4：矩陣鍵盤掃描子程序

圖5：按鍵消抖(T0中斷)子程序

圖6：鍵音(T1中斷)子程序

5 結論

古老的8051單片機有T0和T1兩個定時器，若主程序有鍵盤輸入但不需用到T0和T1，則也可以用此辦法來解決消抖和鍵音問題；若主程序有時鐘或秒脈沖計時需求，也可以由外部擴展時鐘IC（例如DS1302或DS3231）,利用時鐘IC的秒脈沖觸發CPU的外部中斷來引入秒脈沖計時。

加強型的STC系列單片機一般都有3個及以上數量的定時器，隨便拿其中的兩個定時器來處理消抖和鍵音問題，其余的定時器留給主程序使用。

總之，只要主程序有鍵盤輸入和鍵音輸出需求，只要能騰出兩個定時器，利用本文的方案就能完美解決消抖和鍵音問題，進而安心地處理數碼管動態掃描顯示及其它IO端口的實時控制。