基于器ATmegal68微控制器和A/D轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)可靠鍵盤接口的設(shè)計(jì)

1、引言

在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中，人機(jī)交互的途徑和方式靈活多樣，但鍵盤輸人仍然是最常見(jiàn)、最重要的方法。通常實(shí)現(xiàn)鍵盤接口的方式有：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。本設(shè)計(jì)使用A/D轉(zhuǎn)換的方法，其硬件電路簡(jiǎn)單，按鍵電路與MCU的連線少，易修改，而且可以節(jié)省MCU有限的I/0資源。但在處理按鍵數(shù)目較多的情況時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)按鍵不可靠的問(wèn)題，如按鍵沒(méi)有任何反映，按鍵功能交叉。本文除了給出A/D按鍵的硬件電路外．著重介紹利用軟件技巧來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠的鍵盤接口。

2、硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)是基于AVR增強(qiáng)型RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器ATmegal68。該微控制器具有8個(gè)10位帶采樣保持電路的逐次逼近型ADC，以確保在轉(zhuǎn)換過(guò)程中輸入ADC的電壓保持恒定。A/D轉(zhuǎn)換按鍵的具體硬件電路如圖l所示。A/D轉(zhuǎn)換的方法不僅成本低、功耗少、體積小、布線靈活，而且與帶MCU的主板的連接非常簡(jiǎn)單， 只需提供信號(hào)線和地線。

當(dāng)按鍵接通或斷開(kāi)時(shí)，ATmega168通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后對(duì)讀取的電壓值比較判斷便可識(shí)別是否有按鍵按下。無(wú)按鍵按下時(shí)電路完全斷開(kāi)，符合低功耗設(shè)計(jì)的原則。這種結(jié)構(gòu)的鍵盤具有自然的優(yōu)先權(quán)，即某個(gè)按鍵按下后，其后的按鍵均無(wú)效。對(duì)于組合按鍵的輸入，則通過(guò)將其中的按鍵分別與不同的A/D口相連來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1中電容Cl的作用是消除干擾信號(hào)。

3、 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是加轉(zhuǎn)換按鍵處理的核心，一旦檢測(cè)的A/D值不準(zhǔn)，按鍵操作就會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作和不動(dòng)作，按鍵數(shù)目達(dá)到二三十個(gè)時(shí)，這種現(xiàn)象會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)，針對(duì)此種情況，本文在軟件設(shè)計(jì)中做相應(yīng)的技巧處理，按鍵處理程序的軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

首先，電阻阻值的選擇決定了按鍵的數(shù)目，考慮到電壓誤差、電阻精度等因素，R0的阻值不能太小。由實(shí)驗(yàn)得知，R0的阻值為20 kΩ～100 kΩ比較合適。ATmega168的A/D轉(zhuǎn)換精度為10位，為提高按鍵分辨率，并保證按鍵的準(zhǔn)確性，本設(shè)計(jì)只用高8位，而且設(shè)定相鄰按鍵鍵值的差值一致，也就是將256等區(qū)間劃分，這樣可以實(shí)現(xiàn)較多的按鍵。然后根據(jù)定義好的鍵值用電阻箱確定相應(yīng)阻值。該程序每隔2 ms處理一次，每次采樣一次，共采樣6次，所以確定一次平均鍵值需要12 ms。延時(shí)去抖是通過(guò)再次求平均鍵值完成，故確定按鍵是按下還是釋放需要24 ms，這樣不僅可以保證按鍵可靠，而且無(wú)需再加延時(shí)去抖過(guò)程。當(dāng)采樣6次后進(jìn)行數(shù)字濾波，舍去其中的最大值和最小值，并且判斷最大值與最小值之差是否超過(guò)2，是則認(rèn)為無(wú)鍵按下，否則就將其余的4個(gè)采樣值求平均值。當(dāng)按鍵數(shù)目較多時(shí)，為提高按鍵處理程序的速度，在鍵值確定和按鍵識(shí)別程序中采用二分法，即先與中間鍵鍵值比較，如果所得鍵值比其A/D值小則與前面按鍵的鍵值比較，否則與后面按鍵比較?？紤]到電壓波動(dòng)、電阻精度以及人為操作等各方面因素的影響，對(duì)凡是符合每個(gè)鍵值±l區(qū)間的平均值都認(rèn)為是正確的按鍵識(shí)別，否則為無(wú)鍵按下。

以下是用匯編語(yǔ)言編寫的按鍵處理程序代碼。經(jīng)過(guò)實(shí)際裝機(jī)測(cè)試，該方法效果很好，按鍵控制靈敏而且可靠、準(zhǔn)確無(wú)誤。

4 、結(jié)束語(yǔ)

以上設(shè)計(jì)方案應(yīng)用在帶有30個(gè)按鍵的美式按摩椅上，取得了很好的效果，惟一不足之處在于，帶有按鍵接口的PCB板必須在灰塵較小的環(huán)境中使用或者采用外殼裝配，因?yàn)轭l繁的操作按鍵，會(huì)使大量的灰塵沉積在按鍵開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)表面使其接觸電阻增大，最終導(dǎo)致按鍵A/D值偏離。

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