摘 要：詳細(xì)介紹了利用AD轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展單片機(jī)鍵盤的2種方法，并對(duì)這兩種方法進(jìn)行了分析和比較。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，節(jié)省單片機(jī)資源，在智能儀表應(yīng)用中具有實(shí)際意義。<!--摘要CH(結(jié)束)←-->
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在單片機(jī)系統(tǒng)中，鍵盤是常用的一種人機(jī)接口。一般來說，鍵盤的擴(kuò)展分為2種，獨(dú)立式和矩陣式，前者適用于按鍵數(shù)量少（一般小于4個(gè)）或規(guī)模小的系統(tǒng)，后者適合在按鍵數(shù)量較多的系統(tǒng)，但一般需要擴(kuò)展接口芯片。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的I／O口有限，我們總是希望擴(kuò)展鍵盤時(shí)占用盡量少的I／O口線。其實(shí)，A／D轉(zhuǎn)換器也可以用來擴(kuò)展鍵盤，而且不多占用I／O口線，按鍵的數(shù)量可多達(dá)幾十個(gè)。
使用AD轉(zhuǎn)換器的鍵盤電路主要由一個(gè)電阻分壓隊(duì)列和一系列按鍵組成，如圖1所示，圖中電阻阻值相同，不同的按鍵按下時(shí)，VO端有不同的電壓值輸出給A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成不同的數(shù)字量，單片機(jī)據(jù)此進(jìn)行按鍵識(shí)別。
1 第一種電路
最容易想到的是圖1（a）的連接方式，n個(gè)電阻組成的分壓電路，每個(gè)分壓點(diǎn)引出一個(gè)按鈕，事實(shí)證明這種接法是可以可靠工作的。第i個(gè)鍵按下時(shí):
以常用的8位ADC為例，其分辨率是1／256，理論上可以擴(kuò)展256個(gè)按鍵，考慮到誤差的因素以及工作可靠性取8／256，尚可擴(kuò)展32個(gè)按鍵。
這個(gè)電路存在一個(gè)顯著的缺點(diǎn)，如果有2個(gè)鍵同時(shí)按下，當(dāng)其中一個(gè)鍵是A1時(shí)，結(jié)果是A1有效，另一個(gè)無效；當(dāng)這兩個(gè)鍵都不是A1時(shí)，就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。最極端的情況是A2和An同時(shí)按下，此時(shí)VO是2．5 V，既不是A2的值，也不是An的值，其他的情況也和這種情況相似。所以這個(gè)電路對(duì)多鍵操作沒有保護(hù)，多鍵操作會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果。
如果在輸出側(cè)加二極管，如圖中虛線，理論上是可以工作的。但仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)由于二極管存在開啟電壓，實(shí)際上只能擴(kuò)展很少幾個(gè)按鍵。假設(shè)普通硅二極管，開啟電壓取0．7 V，第n個(gè)鍵的輸出應(yīng)滿足：5／n＞0．7n，n最大只能取2，顯然不實(shí)用。
2 第二種電路
對(duì)第一種電路稍加改進(jìn)，就可以實(shí)現(xiàn)多鍵保護(hù)操作。 把最下面的電阻移一個(gè)位置，換到輸出側(cè)，如圖1（b）所示。這個(gè)電路中，多個(gè)鍵同時(shí)按下時(shí)，只有最上面的那個(gè)鍵有效，其余都無效。這個(gè)電路還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是當(dāng)沒有鍵盤操作時(shí)，電路完全斷開，不消耗能量，更適合低功耗設(shè)計(jì)的原則。
圖1（b）電路中，第i個(gè)鍵按下時(shí)輸出電壓是：
從圖中分析各個(gè)按鍵的輸出情況，可以發(fā)現(xiàn)最后一個(gè)電阻Rx對(duì)所有按鍵的輸出都有影響，如果把最后一個(gè)電阻的阻值適當(dāng)增大，按鍵輸出值下降的速度會(huì)減慢。假設(shè)
取Rx為xR，此時(shí)，第i個(gè)鍵按下時(shí)輸出電壓是：
n的極值實(shí)際是由最后2個(gè)按鍵的最小電壓差（鍵值 分辨率）決定的，設(shè)此值為1／A，則：
時(shí)，n有極大值。所以x也不是越大越好，他與最后2個(gè)按鍵的最小電壓差有關(guān)，n的極值也與此有關(guān)。取
此時(shí)n有極大值。當(dāng)鍵值分辨率提高，即A增大時(shí)，n的極大值增大，擴(kuò)展按鍵數(shù)量增加，相應(yīng)的Rx的阻值也要增大。3 按鍵去抖動(dòng)
機(jī)械按鍵按下和彈起的瞬間，由于觸點(diǎn)的彈性會(huì)產(chǎn)生一連串的抖動(dòng)，一般的抖動(dòng)時(shí)間是5～10 ms，普通按鍵動(dòng)作的穩(wěn)定時(shí)間是零點(diǎn)幾秒。為了取得正確的鍵值，必須設(shè)法消除抖動(dòng)的影響。對(duì)按鍵的去抖動(dòng)，可以使用軟件延時(shí)，多次采樣的辦法，圖2是軟件流程。當(dāng)CPU檢測(cè)到A／D轉(zhuǎn)換值發(fā)生變化時(shí)，認(rèn)為有按鍵動(dòng)作，首先進(jìn)行10 ms延時(shí)，然后再讀取鍵值，為了可靠，一般要讀取多次，進(jìn)行比較（本例中是讀取2次）。多次讀取的鍵值，不可能是完全相同的，在誤差允許范圍內(nèi)，就認(rèn)為是相同的，為此，將鍵值的低2位忽略。
4 應(yīng)用實(shí)例
智能化是儀器儀表的發(fā)展方向，與普通儀表相比，智能儀表的主要特點(diǎn)是完全數(shù)字化、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、自制 性強(qiáng)、具有通信功能等。同時(shí)要求儀表更加小巧簡(jiǎn)潔、功耗更低。筆者在定量?jī)x的升級(jí)改造中使用了A／D通道擴(kuò)展按鍵的方法。
定量?jī)x是在線測(cè)量紙葉厚度的儀表。原來的定量?jī)x有10個(gè)數(shù)字鍵、7個(gè)功能鍵、還有小數(shù)點(diǎn)、符號(hào)各1個(gè)鍵、確認(rèn)鍵和復(fù)位鍵共21個(gè)按鍵，其中復(fù)位鍵單獨(dú)接，不在討論之列。改造時(shí)，首先采用單鍵復(fù)用、雙鍵組合減少按鍵的數(shù)量：數(shù)字鍵、小數(shù)點(diǎn)和符號(hào)合用一個(gè)按鍵，功能鍵只用2個(gè)，保留確認(rèn)返回鍵。
定量?jī)x的處理器是8031，其ADC使用的是ICL7135。ICL7135是4位半BCD碼輸出的高精度AD轉(zhuǎn)換器。定量?jī)x要采集的模擬信號(hào)有3路，原來的電路中用一個(gè)8路電子開關(guān)做通道選擇，循環(huán)采樣�，F(xiàn)在只要把鍵盤電路接入第4路，其余都不用改變，鍵盤電路采用上述第二種接法。
當(dāng)然，硬件上精簡(jiǎn)了，軟件上就要復(fù)雜一些，按鍵的判斷、鍵盤處理子程序都要改變。
5 結(jié) 語
有些單片機(jī)內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器，如80C552等，這種方法在這些單片機(jī)上使用最為簡(jiǎn)單，只要把VO連接A／D轉(zhuǎn)換器的輸入端即可，但前提是單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換通道要有空閑。對(duì)不帶ADC的單片機(jī)，如常用的89C51，當(dāng)系統(tǒng)有A／D轉(zhuǎn)換電路時(shí)，若正好有空余通道，如上述定量?jī)x的鍵盤電路，這種方法也是不錯(cuò)的選擇。
第一種電路擴(kuò)展的按鍵數(shù)量多，但沒有多鍵保護(hù)；第二種電路有多鍵保護(hù)功能，但擴(kuò)展的按鍵數(shù)量少，兩者都可正常工作。
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