如何实现键盘的扩展

键盘是一种重要的人机交互工具，由若干个按键组成。用户可以通过键盘向单片机系统发送命令要求，以控制单片机系统的工作。

键盘包括编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘带有能够自动识别按键的硬件电路，当按键被按下闭合时，硬件可以提供按键的编号(也被称“键值”)，这种键盘使用方便，但是硬件复杂，价格相对较高。非编码键盘不附带按键识别电路，需要利用程序识别被按下的按键。非编码键盘硬件简单，价格相对较低，在单片机系统中应用较多。

非编码键盘有独立式和矩阵式(或行列式)两种结构，如图5-35所示。本节将介绍这两种非编码键盘的工作原理和使用方法。

图5-35非编码键盘的结构

a)独立式键盘的结构b)矩阵式键盘的结构

1.独立式键盘

如图5-35a所示，在独立式键盘中，每个按键的一端独立地连接到单片机的一个I/O引脚上，另一端接地。按键没按下时，按键两端不导通，单片机的I/O引脚为高电平;按键按下时，按键两端导通，单片机I/O引脚接地为低电平。因此，可以利用与按键相连的单片机I/O引脚电平状态判断按键是否被按下，即低电平表示按键按下，高电平代表按键抬起。例如，在图5-35a中，编号为1的按键两端分别与单片机的P1.1和地相连，若1号键没有按下，则其两端不导通，此时P1.1引脚为高电平;若1号键被按下，则其两端连通，P1.0引脚经过按键后接地，为低电平。

在按键检测时，需要特别注意的是，机械式按键按下时，其开关触点会产生短暂、轻微的弹跳和抖动，造成短暂的开关闭合不稳定，使得其引脚电平也不稳定，如图5-36所示。另外，一般的误操作(如按键被误碰或键盘受到了较大的振动和干扰等)也会造成按键引脚电平不稳定。为了避免将按键误操作当作按键按下，通常键盘处理程序会在每次检测到按键引脚低电平后，调用一段延时约10ms(该时长可以根据实验结果进行调整)的延时程序，延时结束后再次进行按键引脚电平的判断，如果延时后引脚电平依然是低电平，则认为按键确实被按下了，否则认为之前的按键引脚低电平是按键误操作等干扰因素造成的。

图5-36按键按下过程中的引脚电平变化

一般来说，非编码键盘的键盘处理程序包含以下几个步骤：

(1)判断有无按键按下

根据按键引脚电平，判断是否有键按下。若按键引脚电平是高电平，则无键按下，程序退出;否则，进入下一个步骤。

(2)延时去抖

调用延时时长约为10ms的延时子程序，以消除按键机械抖动可能引起的误判。该延时子程序通常被称为延时去抖子程序。

(3)再次判断有无按键按下

检测按键引脚的电平。若为高电平，则步骤(1)的“有键按下”判断是由干扰造成的，程序退出;否则，确实有按键被按下，进入下一个步骤。

(4)确定被按下按键的键值

预先对键盘上的所有按键进行编号。每个按键被按下都会使得与该按键相连的单片机引脚为低电平，由此可以确定被按下的是哪一个键，并记录按键的编号。

(5)等待按键抬起

与步骤(1)和(3)相似，通过按键引脚的电平判断是否有键按下，若为低电平，则继续重复检测引脚电平;否则，无键按下，即被按下的按键已经抬起，可退出键盘处理程序。

2.矩阵式键盘

独立式键盘的每个按键都占用一个单片机引脚，随着按键数增多，所占用引脚也增多。因此，按键较多时，不宜采用独立式键盘，而可以使用图5-35b所示的矩阵式键盘。下面将以图5-38为例，讲解矩阵式键盘的工作原理。

图5-38所示为4×4的矩阵式键盘，由4行(R0~R3)和4列(C0~C3)组成。第0行(R0行)、第0列(C0)键的键值为0，第0行(R0行)、第1列(C1)键的键值为1，依此类推;第1行(R1行)、第0列(C0)键的键值为4，第1行(R1行)、第1列(C1)键的键值是5，依此类推。由此可知，对于4×4的矩阵式键盘，其第i行、第j列的键的键值为i×4+j;同理，对于m×n(m为行数，n为列数)的矩阵式键盘，其第i行、第j列的键的键值为i×n+j。

矩阵式键盘处理程序的功能是确定被按下的按键的行值i和列值j，并利用i和j计算出该按键的键值。其步骤如下：

(1)确定是否有按键按下

如图5-38所示，同一行上所有按键的行端均连接在单片机的同一个引脚上(如第0行按键的行端均连接在P1.0引脚上)，同一列上所有按键的列端均连接在单片机的同一个引脚上(如第1列按键的列端均连接在P1.5引脚上)。

在判断有无按键按下时，首先，与按键列端相连的列引脚均输出低电平0，如图5-38b所示。若无按键按下，则键盘的所有行引脚和列引脚在电气上是不连通的，此时行引脚P1.0~P1.3与+5V电压相连，是高电平。若此时有按键按下，则被按下按键的行端和列端被短路，导致此按键所在的行引脚变成低电平0，例如：若5号键被按下，则5号键的两端被短路，导致P1.1和P1.5被按键连接在一起，P1.1引脚变成低电平。

图5-38矩阵式键盘工作原理示意图

a)行列值和键值b)有无按键按下的判断c)判断第0列是否有键按下

d)判断第1列是否有键按下e)判断第2列是否有键按下f)判断第3列是否有键按下

可见，在判断是否有键按下时，可以令所有列引脚输出低电平，然后读取所有行引脚的电平，若任意一个行引脚为低电平，则意味着有按键被按下。若判断结果为无按键被按下，则退出键盘处理程序，否则进入下一步延时去抖阶段。

(2)延时去抖

与独立式按键处理相同，调用延时时长约为10ms的延时子程序，以消除按键机械抖动可能引起的误判。

(3)再次判断有无按键按下

重复步骤(1)再次判断是否有键按下，若无键按下，则退出程序;否则，进入下一步确定键值。

(4)确定被按下按键的键值

为了确定被按下按键的键值，必须知道该按键的行号和列号。为此，将键盘的列引脚逐一设置为低电平0，并检测列信号为0的那一列上是否有行引脚电平为0的按键，若有，则该键就是被按下的键，即可得到该键的列号和行号。例如，对于图5-38a所示的矩阵式键盘，该过程如图5-38c、d所示，具体如下：

1)令P1.4~P1.7引脚电平组合为0111，即第0列的列引脚为低电平0，其他列引脚为高电平1，然后读引脚P1.0~P1.3的电平。因为第0列没有按键按下，所以引脚P1.0~P1.3均为高电平，其电平组合为1111。

2)令P1.4~P1.7引脚电平组合为1011，即第1列的列引脚为低电平0，其他列引脚为高电平1，然后读引脚P1.0~P1.3的电平。因为第1列、第1行的5号按键被按下，所以引脚P1.1为低电平0，而P1.0、P1.2和P1.3为高电平1。因此，被按下的按键的行号为1，列号为1，而其键值为1(按键行号)×4(键盘列数)+1(按键列号)=5。

(5)等待按键抬起

按照与步骤(1)相同的方法判断是否有键按下。如果判断结果为没有键按下，则意味着之前按下的按键已经抬起，可以退出按键处理程序。否则，不断重复进行检测，直到按键抬起为止。