单片机中断在矩阵式键盘中的应用

张 丽

（陕西职业技术学院,陕西 西安 710100）

0 引言

随着社会的发展，大量的电子设备进入到我们的日常生活中，比如全自动的洗衣机，汽车的电子控制系统等等。在使用这些设备的过程中，我们需要传达指令，而指令的传达都离不开一个关键部件——键盘。这里的键盘不只包含计算机的键盘，而是更广义的键盘：只要一个电子设备需要我们传达指令，那么在这个设备上都有键盘。

1 单片机键盘的分类

单片机键盘根据不同的驱动控制方式，大体可分为两大类，一类是独立式键盘；一类是矩阵式键盘。

独立式键盘是键盘发展的早期阶段，应用在对按键复杂度要求较低的设备上。独立式键盘的原理非常简单，就是将单片机的I/O口（输入/输出口）与按键物理连接起来，键盘有多少按键，每个按键都要和单片机的一个I/O口相连。这样设计的优点是结构简单，不需要过多的连线。但是缺点也非常明显：常见的80系列单片机总共只有四十个端口，而I/O口只有三十二个，一个键盘就占去了其中大部分的I/O口，那单片机就没有足够的端口去控制其它设备了。

在独立式键盘的基础上，通过技术的不断完善，最终发展到比较成熟的矩阵式键盘。矩阵式键盘是将单片机的I/O口分成行线和列线两类，通过的矩阵式排列，在行线和列线的交汇点接上按键，这样，最大程度的减少了对单片机I/O口的占用，并组成按键相对较多的键盘。例如，如果用8个I/O口，4条做行线，4条做列线，就构成了一共有十六个按键的4×4矩阵式键盘，矩阵式键盘电路如图1所示。

矩阵式键盘根据不同的软件扫描方式，可以分为循环扫描法和线反转法。循环扫描法的原理是让单片机的CPU不停的去扫描键盘的行线和列线，如果发现行线和列线的电平相对于初始值发生改变，就判断有按钮被按下，然后调用键盘扫描程序确立按键，这种方法程序结构简单，易于实现，但是扫描一次耗费较多时间，占用CPU的资源过大。线反转法的原理是通过行线和列线的互换来确立按键，相比较循环扫描法，不但速度快，而且准确度更高。但是不管采用哪种方法，不管有没有按键被按下，都需要程序从系统通电开始，就时时刻刻不停的扫描键盘端口，这样，不但效率较低，而且占用大量CPU资源，降低整个系统的运行速度。所以，理想的键盘是每当有按键被按下时，系统调用键盘扫描程序，确立按键的位置。这样，就必须引入单片机的中断系统。

图1 矩阵式键盘原理图

2 单片机的中断

中断是指计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向对这些异常情况或特殊请求的处理，处理结束后再返回现行程序的间断处，继续执行原程序。中断是单片机实时地处理内部或外部事件的一种内部机制。当某种内部或外部事件发生时，单片机的中断系统将迫使CPU暂停正在执行的程序，转而去进行中断事件的处理，中断处理完毕后，又返回被中断的程序处，继续执行下去。

单片机的内部一共包含五个中断源：外部中断0、外部中断1、定时器/计数器T0、 定时器/计数器T1和串口。单片机给这五个中断源分配了各自的入口地址。其中两个外部中断源用来反馈外电路传递的中断信号；定时器/计数器T0、 定时器/计数器T1这两个中断源用来控制系统的定时和计数，串口中断源用来控制系统与外部的信息交换。

a.外部中断源

单片机有两个外部中断源，分别称为外部中断0和外部中断1。单片机给这两个中断源分配了端口，分别是P3.2和P3.3。P3.2是外部中断0的中断信号输入端，被称为INT0；P3.3是外部中断1的中断信号输入端，被称为INT1。它们有两种触发方式，低电平有效或下降沿有效。也就是当这两个端口收到来自外电路的低电平或者下降沿的时候，就会触发中断响应，主程序就停下来，跳入外部中断0或外部中断1的中断程序中。

b.定时器/计数器T0、 定时器/计数器T1中断源

这两个中断源不需要输入端，每当定时器/计数器T0或定时器/计数器T1定时或者计数结束的时候，会自动触发中断响应。主程序会停下，跳入定时器/计数器T0或 定时器/计数器T1的中断程序中。

c.串口中断源

串口中断源同样不需要输入端，每当单片机发送完一组数据，或者接收完一组数据的时候，串口中断就会启动，主程序会停下，转而跳入串口的中断程序中。

3 用中断法实现矩阵式键盘

3.1 矩阵式键盘设计

中断法矩阵式键盘的硬件电路和其它矩阵式键盘没有任何区别，只需要在普通的矩阵式键盘上引入一个多输入与门，将所有行线或者列线作为多输入与门的输入端，与门的输出接到外部中断0或者外部中断1上。当有按键按下时，与门的输出电平就会由原本的高电平跳转为低电平，从而在P3.2或者P3.3上产生一个负跃变，此时主程序会停止，转入外部中断0或者外部中断1的中断程序中。我们只需将键盘扫描程序放在中断程序内，便实现了中断法的矩阵式键盘设计。

3.2 键盘防抖动设计

键盘作为向系统操作人员的干预指令的接口，以其特定的按键序列代表着各种确定的操作命令，所以，准确无误的辨认每个键的动作和其所处的状态，是系统能否正常工作的关键。

多数键盘的按键多使用机械式弹性开关，一个电信号通过机械触点的断开，闭合过程完成高低电平的切换。由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合及断开的瞬间必然伴随着一连串的抖动。

抖动过程的长短是由按键的机械特性决定，一般是10～20ms。 为了使CPU对一次按键动作只确认一次，必须消除抖动的影响，抖动的防治分为硬件和软件两种方式。

硬件防抖动方法：通过硬件电路消除按键过程中的抖动的影响是一种广为采用的措施。这种做法，工作可靠且节省机时，硬件防抖动电路如图2所示。

软件防抖动方法:如前所述，若采用硬件消抖电路，那么N个键就必须配有N个防抖电路。因此，当按键的个数比较多时，硬件防抖将无法胜任。在这种情况下，可以采用软件的方法进行防抖。当第一次检测到有建按下时，先用软件延时（10～20ms），而后再确认键电平是否依旧维持闭合状态的电平。若保持闭合状态电平，则确认此间已按下，从而消除抖动影响。

软件防抖动通过延迟程序完成，将延迟程序声明在函数体内，在需要的时候调用。延迟程序如下所示：

程序由两层for循环组成，内层200次，外层100次，总循环次数20000次。可以看到，循环的主题语句为空，所以每次循环不做任何动作，只是达到了延时的目的。

图2 防抖动电路

4 结束语

键盘是人机交互中信息输入的重要入口，设计合理的键盘要求反映快速、按键判断准确、系统资源占用合理。用单片机的中断法实现的矩阵式键盘符合这些要求，是目前键盘设计中最常用的方式。

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