一线AD键盘设计

杨红;李生明;冯如进

【摘 要】在单片机系统设计时,键盘是经常用到的输入设备,传统的矩阵式键盘端口占用量大,本文将键盘与AD转换器结合,提出了一种基于AD转换的一线AD键盘设计方法,在系统开发时,它只需占用单片机的一根IO端口,相比传统键盘具有明显的优势.

【期刊名称】《清远职业技术学院学报》 【年(卷),期】2017(010)006 【总页数】3页(P36-38)

【关键词】一线键盘;单片机;ADC 【作 者】杨红;李生明;冯如进

【作者单位】清远职业技术学院 机电与汽车工程学院,广东清远511510;清远职业技术学院 机电与汽车工程学院,广东清远511510;清远职业技术学院 机电与汽车工程学院,广东清远511510 【正文语种】中 文 【中图分类】TP391.9

键盘是单片机系统开发过程经常会用到的一个输入设备，按设计原理划分，可以分为独立式按键和矩阵式键盘。当设计按键较少时可以采用独立式按键，此时占用的单片机端口也不多，每个按键占用一根单片机口线，硬件简单、编程工作量也不大；

但是，当设计的按键数量较多时，会导致单片机的端口紧张，此时再使用独立式按键就不再合理了，通常会采用矩阵式键盘，如4*4的矩阵键盘可以设计出16个按键，而只用到8根单片机口线。如果还想降低矩阵式键盘的口线占用量，是否有更好的办法呢？本文提出一种一线AD式键盘的设计方法，按键数量的增加不会增加单片机口线的占用量，它总是占用一根线，即一线AD键盘。 1 一线AD键盘设计基本原理

原理图如图1所示，Vrv接到单片机的AD输入引脚上。当不同的按键按下时在Vrv上得到不同的电压，经过单片机内部的AD转换，得到不同的数字量值，从而判别是哪一个按键按下了[1]。当每一个按键上的电阻确定后，线上的电压就确定了，因此当单片机检测到一个AD值后就可以通过程序判断找出按下的按键，当然，按键上的电阻是各不相同的。 图1 一线AD键盘原理图 2 一线AD值设计

由上述原理可知，如果单片机的AD是8位的，理论上一个引脚最多可接256个按键，10位AD可以接1024个按键。那实际上真的能接那么多按键吗？不是的，因为电源、电阻值都会有误差，Vrv上的电压不会是一个精准的值，它只会是一个范围[2]。具体分析如下：

以供电电源5V、10位AD为例，将5V等分成1024个连续点组成，由于电压会飘动，采用64个连续点捕捉一个按键，可列出如下AD值：

表1 按键序号 10位ADC（数字值ADiv）0 000 1 064 2 128 3 192 4 256 5 320 6 384 7 448 8 512 9 576 10 640 11 704 12 768 13 832 14 896 15 960 ∴AD理想的模拟值：Viv=(按键序号/16)×Vref

注：Vref是基准电压，这里就是5V，Viv是理论电压，用这个函数只要把按键序号带进去，就可以计算出该按键的理论电压值。

3 设定理论值的上下限（误差范围）

按上述64等分划分，取中间值作为理论值的上下限值（误差范围），如图2所示。 图2 AD数字量误差范围

理论值下限值误差：Δ1=32/64=0.5=50% 理论值下限值误差：Δ2=96/64=1.5=150% ∴ Δ=（1±50）%

∴实际电压允许误差范围：Vrv=Viv×（1±50%） 实际 AD 允许误差范围：ADrv=ADiv×（1±50%）

由公式Viv=(按键序号/16)×Vref可计算出如下表的电压理想值。 根据以上分析，捕捉KEY1按键的参考程序如下： if((ADC>32)&&(ADC<=96)) return KEY1;//返回按键序号

捕捉其它按键的原理和程序架构相同。由于理论上要捕捉KEY1按键只是采集到第64个点就可以，但实际上很少会只出现第64个点，多数都在64左右飘动，这也是取上下限值的意义[3]。

表2 一线AD取值参考表按键序号 ADC检测范围（10位ADC） 理想值Viv（V）（Vr ef=5V）0 0 0 1 (1±50%)×64 0.3125 2 (1±50%)×128 0.625 3 (1±50%)×192 0.9375 4 (1±50%)×256 1.25 5 (1±50%)×320 1.5625 6 (1±50%)×384 1.875 7 (1±50%)×448 2.1875 8 (1±50%)×512 2.5 9 (1±50%)×576 2.8125 10 (1±50%)×640 3.125 11 (1±50%)×704 3.4375 12 (1±50%)×768 3.75 13 (1±50%)×832 4.0625 14 (1±50%)×896 4.375 15 (1±50%)×960 4.6975 4 一线AD按键电阻参数设计

根据图2按键电路架构计算，单片机采用10位ADC，取上拉电阻R0为10K，采

用5V供电，KEY1按键AD值为64，从一线AD取值参考表中取AD值为64对应的电压0.3125V[4]。

根据分压原理，列出如下表达式：

表3 按键序号理想值Viv（V）（Vr ef=5V）下拉电阻值Ω（理论）下拉电阻值Ω（实际选用）0 0 0 0 1 0.3125 625 619 2 0.625 1250 1240 3 0.9375 1875 1870 4 1.25 2500 2490 5 1.5625 3125 3160 6 1.875 3750 3740 7 2.1875 4375 4320 8 2.5 5000 5110 9 2.8125 5625 5620 10 3.125 6250 6190 11 3.4375 6875 6810 12 3.75 7500 7500 13 4.0625 8125 8250 14 4.375 8750 8870 15 4.6975 9395 9310

经查E96系列电阻表没有找到625Ω电阻（代表在市场上买不到这个电阻），电阻接近的有619Ω电阻。经过验算，采用此标称电阻，在KEY1按下时产生的AD值在上述分析的误差范围内，对电路和程序都没有影响[5]。用同样的方法可以计算出其它按键的下拉电阻值，结果如表3所示。 5 结束语

经过上述综合分析和实际程序测试，该一线AD键盘程序判断按键准确、稳定，设计方法正确可行，其突出的优点是占用单片机端口少，而且，即使某个按键的电阻损坏变质也只影响此按键的正常工作，不会影响其它按键，不像有些采用固定电阻逐级并联方式的一线AD键盘那样，前级并联的电阻发生变化会直接影响到后面所有按键的正常工作。本方法的不足之处是电阻值各不相同，对硬件有要求，最好是单片机内部集成有AD转换模块。

【相关文献】

[1]王静霞.单片机应用技术［M］.北京：电子工业出版社，2015.

[2]郭天祥.新概念51单片机C语言教程［M］.北京：电子工业出版社，2009. [3]赵亮,侯国锐.单片机C语言编程与实例［M］.北京：人民邮电出版社，2003. [4]胡汉才.单片机原理与接口技术［M］.北京：清华大学出版社，1998.

[5]汤竞南,沈国琴.51单片机C语言开发与实例［M］.北京：人民邮电出版社，2008.