PIC单片机人机接口4×4行列式键盘的工作原理

(1)单片机系统键盘原理

行列式键盘的接法比独立式键盘的接法复杂，编程实现上也会比较复杂。但是，在占用相同的I/O端口的情况下，行列式键盘的接法会比独立式接法允许的按键数量多，其原理图如图1所示。

图1 4×4行列式键盘的原理图

实际的工程中，可能会使用PIC16C5X这种通用的可编程的键盘、显示接口器件，使用PIC16C5X单片器件就能够完成键盘输入和显示控制两种功能。

行列式键盘的工作方式是先用列线发送扫描字，然后读取行线的状态，查看是否有按键按下。键盘部分提供一种扫描的工作方式，可以和具有64个按键的矩阵键盘相连接，能对键盘不断扫描、自动消抖、自动识别按下的键，并给出编码，能对双键或n个键同时按下的情况实行保护。

在显示部分，它可以为发光二极管、荧光管及其他显示器提供按扫描方式工作的显示接口，而且为显示器提供多路复用信号，可以显示多达16位的字符或数字。

键盘中有无按键按下是由列线送入全扫描字、行线读入行线状态来判断的，其方法是将列线的所有I/O线均置成低电平，然后将行线电平状态读入累加器A中，如果有键按下，总会有一根行线被拉至低电平，从而使行输入不全为1。

键盘中哪一个键按下可由列线逐列置低电平后，检查行输入状态来判断，其方法是依次给列线送低电平，然后检查所有行线状态，如果全为1，则所按下的键不在此列，如果不全为1，则所按下的键必在此列，而且是在与0电平线相交的交点上的那个键。

(2)单片机键盘扫描法

扫描法是在判定有键按下后逐列果行(或列)的状态出现非全1状态，如果(或列)的状态出现非全1状态，这时0状态的行、列交点的键就是所按下的键。

扫描法的特点是逐行(或逐列)扫描查询，这时相应行(或列)应有上拉电阻接高电平。行列式键盘扫描程序就是采用扫描法来确定哪个键按下的，图1中行线上拉电阻接+5V，列线逐列扫描。

①逐行(或列)扫描查询法。

确定矩阵式键盘上哪个键被按下时运用扫描法，又称为逐行(或列)扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，过程如下。

· 判断键盘中有无键按下，将全部行线Y0～Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。

· 判断闭合键所在的位置，在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其他线为高电平，在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态，若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按钮就是闭合的按键。

②反转法。

扫描法要逐列(行)扫描查询，当按下的键在最后行(列)，要经过多次扫描才能获得键值/键号。而反转法只要经过两个步骤就可获得键值，原理如图2所示。

图2 线反转法原理

图中硬件采用中断方式工作，用一个8位I/O口构成4×4键盘。假定图中虚线为所按下的键，其反转法的步骤如下。

· 将D3～D0设为列输入线，D7～D4设为行输出线，并使I/O输出信号D7～D4为0000。若有键按下，与门的输出端变为低电平，向CPU申请中断，表示键盘中有键按下。与此同时，D3～D0的数据输入到内存中的某一单元中，其中0位对应的是被按下键的列位置。

· 将第一步中的传送方向反转过来，即将D7～D4设为输入线，D3～D0设为输出线。使I/O口输出数据为N单元中的数(即D3～D0为按下键的列位置)，然后读入I/O口数据，并送入内存N+1单元中存放，该数据的D7～D4位中0电平对应的位是按下键的行位置。最后，将N单元中的D3～D0与N+1单元中的D7～D4拼接起来就是按下键的键值。

单片机应用系统中，任何I/O口或扩展I/O口均可构成行列式键盘。典型的键盘接口有通用I/O扩展口、串行LO扩展口和专用键盘芯片构成的行列式键盘。由于带有行列式键盘的应用系统中通常都有显示器，为节省I/O口线，往往把显示器电路与行列式键盘做在一个接口电路中。