引言
   
在單片機(jī)領(lǐng)域中，鍵盤輸入是最常用的人機(jī)交互方式,。通常實(shí)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(fù)用,、并行擴(kuò)展、串口擴(kuò)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(jī)有限的I／O口,。本文提出一種基于ADC的高性價(jià)比鍵盤輸入設(shè)計(jì)方法。

1 ADC按鍵原理
   
ADC按鍵的原理圖如圖1所示,，把多個(gè)電阻串聯(lián)分壓,，不同的按鍵將不同的電壓進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，根據(jù)ADC結(jié)果,，MCU就能識(shí)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(gè)按鍵按下時(shí)，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(shí)別是哪個(gè)鍵被按下了,。一個(gè)n位的ADC，可以識(shí)別2n個(gè)不同的電壓值,，即可以識(shí)別2n個(gè)按鍵,。例如8位ADC，理論上可以串聯(lián)256個(gè)電阻,，識(shí)別256個(gè)按鍵。但在實(shí)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(jì)算誤差等，因此往往實(shí)際能識(shí)別的按鍵的個(gè)數(shù)小于理論值,。

2 硬件設(shè)計(jì)
   
實(shí)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(fù)擔(dān)，增加一個(gè)比較器,，當(dāng)按鍵被按下時(shí)比較器輸出信號(hào)觸發(fā)中斷,，在中斷中第一時(shí)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(dāng)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(shí)際應(yīng)用時(shí)需要考慮ADC的輸入阻抗,，不能太大，這里給出經(jīng)驗(yàn)值10 kΩ,。另外,，電壓比較器還要考慮到運(yùn)放的特性，為確保第一個(gè)鍵按下時(shí)運(yùn)放同相端電壓低于4 V,，電阻R1的值就要相對(duì)大一些,，后面的電阻可以取相同的值。為了減小按鍵抖動(dòng),，在電路中串聯(lián)一個(gè)電容C1,。當(dāng)沒有鍵按下時(shí)，ADC相當(dāng)于懸空,，需接一上拉電阻,。這里R21取220 kΩ。

3 軟件設(shè)計(jì)
   
軟件設(shè)計(jì)是ADC按鍵的處理核心,，一旦檢測(cè)到的A／D值不準(zhǔn),，按鍵就會(huì)得到錯(cuò)誤的鍵值，帶來誤操作,。當(dāng)按鍵數(shù)目很多時(shí),，這種現(xiàn)象會(huì)更突出。
   
ADC按鍵其實(shí)就是一個(gè)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(gè)步驟。首先對(duì)按鍵要有一個(gè)認(rèn)識(shí),，它是一個(gè)機(jī)械開關(guān),，在鍵按下和彈起的過程中很難做到理想的導(dǎo)通和斷開，通常有一個(gè)抖動(dòng)過程,，需要經(jīng)過一段時(shí)間才能真正地閉合和斷開,。
   
在本設(shè)計(jì)中使用的是自帶8路10位ADC的MCUSTC90C52AD。驅(qū)動(dòng)起來比較簡(jiǎn)單,，只需要配置幾個(gè)寄存器就可以進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換了,，并且轉(zhuǎn)換速度很快。ADC代碼如下：



當(dāng)鍵按下時(shí),，觸發(fā)進(jìn)入外部中斷,。先延時(shí)20 ms，如果有抖動(dòng),，這個(gè)抖動(dòng)就被有效地濾除掉了,。讀取第一次ADC值，延時(shí)20 ms(有效按鍵持續(xù)時(shí)間大于80 ms),，再讀取第二次ADC的值,。只有兩次差值在某個(gè)小的范圍內(nèi)，這次按鍵才是有效的,，否則就是一次抖動(dòng),。這幾個(gè)時(shí)間參數(shù)是實(shí)際測(cè)試得到的結(jié)果。經(jīng)過這樣的軟件處理,，機(jī)械抖動(dòng)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(huì)在某一中心點(diǎn)附近波動(dòng),。例如重復(fù)按下同一個(gè)按鍵,，對(duì)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(dòng),，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)FF 00，說明按鍵有明顯的抖動(dòng),。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(shí)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(gè)上下波動(dòng)范圍n,，通過ADC的值對(duì)比判斷,，即可得出鍵值,。本例中共有20個(gè)按鍵，程序代碼如下：



結(jié)語(yǔ)
   
本按鍵方案經(jīng)過實(shí)際運(yùn)用測(cè)試,，性能可靠,，運(yùn)行穩(wěn)定；CPU占用率低,，實(shí)時(shí)性好；只用到一個(gè)I／O口,，節(jié)省了單片機(jī)的I／O口資源,，并且可以根據(jù)實(shí)際需要增減按鍵數(shù)量，具有一定的實(shí)用價(jià)值,。