引言
   
在單片機領域中，鍵盤輸入是最常用的人機交互方式。通常實用鍵盤接口方式有：直接輸入、矩陣結構、A／D方式、鍵盤和顯示復用、并行擴展、串口擴充以及用鍵盤和顯示專用控制器件等。但是其中很多方案都需要占用不少單片機有限的I／O口。本文提出一種基于ADC的高性價比鍵盤輸入設計方法。

1 ADC按鍵原理
   
ADC按鍵的原理圖如圖1所示，把多個電阻串聯分壓，不同的按鍵將不同的電壓進行A／D轉換，根據ADC結果，MCU就能識別按鍵了。例如，key1按下，ADC得到的電壓值為：

   



理論上，只要相鄰的兩個按鍵按下時，電壓的差值在ADC能最小分辨的電壓范圍之內，那么MCU就能識別是哪個鍵被按下了。一個n位的ADC，可以識別2n個不同的電壓值，即可以識別2n個按鍵。例如8位ADC，理論上可以串聯256個電阻，識別256個按鍵。但在實際應用中還要考慮很多的外在因素，如電阻自身的誤差、ADC誤差、軟件計算誤差等，因此往往實際能識別的按鍵的個數小于理論值。

2 硬件設計
   
實際的硬件電路如圖2所示。為了提高按鍵響應速度和減輕CPU掃描按鍵的負擔，增加一個比較器，當按鍵被按下時比較器輸出信號觸發中斷，在中斷中第一時間獲得鍵值。這樣，既避免了把按鍵程序放到主程序中循環查詢過多而占用CPU資源，又提高了CPU的利用率。當然，為了節省硬件成本，也可以不要比較器。



分壓電阻越大越省電，但是實際應用時需要考慮ADC的輸入阻抗，不能太大，這里給出經驗值10 kΩ。另外，電壓比較器還要考慮到運放的特性，為確保第一個鍵按下時運放同相端電壓低于4 V，電阻R1的值就要相對大一些，后面的電阻可以取相同的值。為了減小按鍵抖動，在電路中串聯一個電容C1。當沒有鍵按下時，ADC相當于懸空，需接一上拉電阻。這里R21取220 kΩ。

3 軟件設計
   
軟件設計是ADC按鍵的處理核心，一旦檢測到的A／D值不準，按鍵就會得到錯誤的鍵值，帶來誤操作。當按鍵數目很多時，這種現象會更突出。
   
ADC按鍵其實就是一個數據采集過程，軟件需要完成數據采集、數據處理、按鍵解析這3個步驟。首先對按鍵要有一個認識，它是一個機械開關，在鍵按下和彈起的過程中很難做到理想的導通和斷開，通常有一個抖動過程，需要經過一段時間才能真正地閉合和斷開。
   
在本設計中使用的是自帶8路10位ADC的MCUSTC90C52AD。驅動起來比較簡單，只需要配置幾個寄存器就可以進行A／D轉換了，并且轉換速度很快。ADC代碼如下：



當鍵按下時，觸發進入外部中斷。先延時20 ms，如果有抖動，這個抖動就被有效地濾除掉了。讀取第一次ADC值，延時20 ms(有效按鍵持續時間大于80 ms)，再讀取第二次ADC的值。只有兩次差值在某個小的范圍內，這次按鍵才是有效的，否則就是一次抖動。這幾個時間參數是實際測試得到的結果。經過這樣的軟件處理，機械抖動被有效地濾除掉了。程序代碼如下：



   
經過求平均值后的ADC值也并不是固定不變的，會在某一中心點附近波動。例如重復按下同一個按鍵，對應一字節的數據為BF CO。若數據有一定的波動，有時還會出現FF 00，說明按鍵有明顯的抖動。通過軟件處理，如果ADC兩次讀到的值相差較大，則確定按鍵無效。實際完整的鍵盤方案需要經過多次按鍵，記下ADC的平均值，建立數組keynum_tab[]，再給出一個上下波動范圍n，通過ADC的值對比判斷，即可得出鍵值。本例中共有20個按鍵，程序代碼如下：



結語
   
本按鍵方案經過實際運用測試，性能可靠，運行穩定；CPU占用率低，實時性好；只用到一個I／O口，節省了單片機的I／O口資源，并且可以根據實際需要增減按鍵數量，具有一定的實用價值。