引言
在單片機領(lǐng)域中,鍵盤輸入是最常用的人機交互方式。通常實用鍵盤接口方式有:直接輸入、矩陣結(jié)構(gòu)、A/D方式、鍵盤和顯示復用、并行擴展、串口擴充以及用鍵盤和顯示專用控制器件等。但是其中很多方案都需要占用不少單片機有限的I/O口。本文提出一種基于ADC的高性價比鍵盤輸入設(shè)計方法。
1 ADC按鍵原理
ADC按鍵的原理圖如圖1所示,把多個電阻串聯(lián)分壓,不同的按鍵將不同的電壓進行A/D轉(zhuǎn)換,根據(jù)ADC結(jié)果,MCU就能識別按鍵了。例如,key1按下,ADC得到的電壓值為:
理論上,只要相鄰的兩個按鍵按下時,電壓的差值在ADC能最小分辨的電壓范圍之內(nèi),那么MCU就能識別是哪個鍵被按下了。一個n位的ADC,可以識別2n個不同的電壓值,即可以識別2n個按鍵。例如8位ADC,理論上可以串聯(lián)256個電阻,識別256個按鍵。但在實際應(yīng)用中還要考慮很多的外在因素,如電阻自身的誤差、ADC誤差、軟件計算誤差等,因此往往實際能識別的按鍵的個數(shù)小于理論值。
2 硬件設(shè)計
實際的硬件電路如圖2所示。為了提高按鍵響應(yīng)速度和減輕CPU掃描按鍵的負擔,增加一個比較器,當按鍵被按下時比較器輸出信號觸發(fā)中斷,在中斷中第一時間獲得鍵值。這樣,既避免了把按鍵程序放到主程序中循環(huán)查詢過多而占用CPU資源,又提高了CPU的利用率。當然,為了節(jié)省硬件成本,也可以不要比較器。
分壓電阻越大越省電,但是實際應(yīng)用時需要考慮ADC的輸入阻抗,不能太大,這里給出經(jīng)驗值10 kΩ。另外,電壓比較器還要考慮到運放的特性,為確保第一個鍵按下時運放同相端電壓低于4 V,電阻R1的值就要相對大一些,后面的電阻可以取相同的值。為了減小按鍵抖動,在電路中串聯(lián)一個電容C1。當沒有鍵按下時,ADC相當于懸空,需接一上拉電阻。這里R21取220 kΩ。
3 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計是ADC按鍵的處理核心,一旦檢測到的A/D值不準,按鍵就會得到錯誤的鍵值,帶來誤操作。當按鍵數(shù)目很多時,這種現(xiàn)象會更突出。
ADC按鍵其實就是一個數(shù)據(jù)采集過程,軟件需要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、按鍵解析這3個步驟。首先對按鍵要有一個認識,它是一個機械開關(guān),在鍵按下和彈起的過程中很難做到理想的導通和斷開,通常有一個抖動過程,需要經(jīng)過一段時間才能真正地閉合和斷開。
在本設(shè)計中使用的是自帶8路10位ADC的MCUSTC90C52AD。驅(qū)動起來比較簡單,只需要配置幾個寄存器就可以進行A/D轉(zhuǎn)換了,并且轉(zhuǎn)換速度很快。ADC代碼如下:
當鍵按下時,觸發(fā)進入外部中斷。先延時20 ms,如果有抖動,這個抖動就被有效地濾除掉了。讀取第一次ADC值,延時20 ms(有效按鍵持續(xù)時間大于80 ms),再讀取第二次ADC的值。只有兩次差值在某個小的范圍內(nèi),這次按鍵才是有效的,否則就是一次抖動。這幾個時間參數(shù)是實際測試得到的結(jié)果。經(jīng)過這樣的軟件處理,機械抖動被有效地濾除掉了。程序代碼如下:
經(jīng)過求平均值后的ADC值也并不是固定不變的,會在某一中心點附近波動。例如重復按下同一個按鍵,對應(yīng)一字節(jié)的數(shù)據(jù)為BF CO。若數(shù)據(jù)有一定的波動,有時還會出現(xiàn)FF 00,說明按鍵有明顯的抖動。通過軟件處理,如果ADC兩次讀到的值相差較大,則確定按鍵無效。實際完整的鍵盤方案需要經(jīng)過多次按鍵,記下ADC的平均值,建立數(shù)組keynum_tab[],再給出一個上下波動范圍n,通過ADC的值對比判斷,即可得出鍵值。本例中共有20個按鍵,程序代碼如下:
結(jié)語
本按鍵方案經(jīng)過實際運用測試,性能可靠,運行穩(wěn)定;CPU占用率低,實時性好;只用到一個I/O口,節(jié)省了單片機的I/O口資源,并且可以根據(jù)實際需要增減按鍵數(shù)量,具有一定的實用價值。