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
   
本按鍵方案經(jīng)過實(shí)際運(yùn)用測試，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。