一种基于ADC的高性价比键盘输入设计

引言
    在单片机领域中，键盘输入是最常用的人机交互方式。通常实用键盘接口方式有：直接输入、矩阵结构、A／D方式、键盘和显示复用、并行扩展、串口扩充以及用键盘和显示专用控制器件等。但是其中很多方案都需要占用不少单片机有限的I／O口。本文提出一种基于ADC的高性价比键盘输入设计方法。

1 ADC按键原理
    ADC按键的原理图如图1所示，把多个电阻串联分压，不同的按键将不同的电压进行A／D转换，根据ADC结果，MCU就能识别按键了。例如，key1按下，ADC得到的电压值为：
   

    理论上，只要相邻的两个按键按下时，电压的差值在ADC能最小分辨的电压范围之内，那么MCU就能识别是哪个键被按下了。一个n位的ADC，可以识别2n个不同的电压值，即可以识别2n个按键。例如8位ADC，理论上可以串联256个电阻，识别256个按键。但在实际应用中还要考虑很多的外在因素，如电阻自身的误差、ADC误差、软件计算误差等，因此往往实际能识别的按键的个数小于理论值。

2 硬件设计
    实际的硬件电路如图2所示。为了提高按键响应速度和减轻CPU扫描按键的负担，增加一个比较器，当按键被按下时比较器输出信号触发中断，在中断中第一时间获得键值。这样，既避免了把按键程序放到主程序中循环查询过多而占用CPU资源，又提高了CPU的利用率。当然，为了节省硬件成本，也可以不要比较器。

    分压电阻越大越省电，但是实际应用时需要考虑ADC的输入阻抗，不能太大，这里给出经验值10 kΩ。另外，电压比较器还要考虑到运放的特性，为确保第一个键按下时运放同相端电压低于4 V，电阻R1的值就要相对大一些，后面的电阻可以取相同的值。为了减小按键抖动，在电路中串联一个电容C1。当没有键按下时，ADC相当于悬空，需接一上拉电阻。这里R21取220 kΩ。

3 软件设计
    软件设计是ADC按键的处理核心，一旦检测到的A／D值不准，按键就会得到错误的键值，带来误操作。当按键数目很多时，这种现象会更突出。
    ADC按键其实就是一个数据采集过程，软件需要完成数据采集、数据处理、按键解析这3个步骤。首先对按键要有一个认识，它是一个机械开关，在键按下和弹起的过程中很难做到理想的导通和断开，通常有一个抖动过程，需要经过一段时间才能真正地闭合和断开。
    在本设计中使用的是自带8路10位ADC的MCUSTC90C52AD。驱动起来比较简单，只需要配置几个寄存器就可以进行A／D转换了，并且转换速度很快。ADC代码如下：

    当键按下时，触发进入外部中断。先延时20 ms，如果有抖动，这个抖动就被有效地滤除掉了。读取第一次ADC值，延时20 ms(有效按键持续时间大于80 ms)，再读取第二次ADC的值。只有两次差值在某个小的范围内，这次按键才是有效的，否则就是一次抖动。这几个时间参数是实际测试得到的结果。经过这样的软件处理，机械抖动被有效地滤除掉了。程序代码如下：


    经过求平均值后的ADC值也并不是固定不变的，会在某一中心点附近波动。例如重复按下同一个按键，对应一字节的数据为BF CO。若数据有一定的波动，有时还会出现FF 00，说明按键有明显的抖动。通过软件处理，如果ADC两次读到的值相差较大，则确定按键无效。实际完整的键盘方案需要经过多次按键，记下ADC的平均值，建立数组keynum_tab[]，再给出一个上下波动范围n，通过ADC的值对比判断，即可得出键值。本例中共有20个按键，程序代码如下：


结语
    本按键方案经过实际运用测试，性能可靠，运行稳定；CPU占用率低，实时性好；只用到一个I／O口，节省了单片机的I／O口资源，并且可以根据实际需要增减按键数量，具有一定的实用价值。