RC-51-7.pdf

http://www.easy-soft.tsnet.pl

Budujemy klawiaturę.

Budując urządzenia z mikrokontrolerami wcześniej czy później staniesz przed

zagadnienie komunikacji z użytkownikiem. We wcześniejszych odcinakach „kursu”

zajmowaliśmy się prezentacją wyników przy pomocy wyświetlacza LED czy LCD. Czasami

jednak trzeba również wprowadzić pewne parametry – na przykład nastawę czasu,

wielkość napięcia itp. Możliwe jest tu wykorzystanie różnych technik, lecz jedna z nich

przyjęła się u zarania dziejów urządzeń elektronicznych i króluje do dziś. Nic też nie

wskazuje na to, aby szybko została wyparta przez inne rozwiązania. Mowa o klawiszu lub

grupach klawiszy zwanych klawiaturami.

Ten odcinek w całości poświęcony będzie klawiszom, klawiaturom, będzie

przeglądem stosowanych rozwiązań. Zaczniemy od prostych metod testowania

naciśnięcia pojedynczego klawisza, poprzez testy dla większej ich ilości aż do klawiatur

zbudowanych w formie matrycy, czy też działających w oparciu o przerwania.

Testowanie stanu pojedynczego przycisku.

Na początek zajmiemy się testowaniem stanu pojedynczego przycisku. Wbrew

pozorom nie jest to zadanie łatwe, mimo iż tak może się wydawać na początku. Program

musi uwzględnić fizyczne właściwości przycisku, zabezpieczyć się przed przypadkowym

jego wciśnięciem czy zewnętrznym zakłóceniem. Funkcja obsługi pojedynczego przycisku

ma Ci zdradzić podstawowe zasady odczytu stanu przełącznika. Dalej omawiane funkcje

będą tylko rozwinięciem, pewną odmianą, omawianej tutaj funkcji podstawowej.

Na rysunku 1 pokazano sposób podłączenia klawisza wykorzystywany w

przykładzie. Pojedynczy przycisk podłączony został do mikrokontrolera z rodziny 8051

(AT89C2051). W tym celu wykorzystano linię portu P1.2. Ty możesz zrobić to tak samo,

możesz również wykorzystać inną linię portu. Zwróć tylko uwagę na to, czy nie

potrzebujesz przypadkiem dołączyć do tej linii rezystora pullup. Potrzebne informacje

można znaleźć w dokumentacji mikrokontrolera. W przykładzie używałem AT89C2051,

który posiada wewnętrzny rezystor pullup dołączony do linii P1.2.

Rysunek 1. Podłączenie pojedynczego klawisza do mikrokontrolera wykorzystywane w przykładzie 1

Przycisk podłączyłem w taki sposób, aby w momencie jego naciśnięcia linia portu P1.2

zwierana była do masy. Dlaczego? Otóż w „normalnej” sytuacji, gdy port pracuje jako

wejściowy, linia ta podłączona jest do dodatniego napięcia zasilania przez rezystor pullup.

W konsekwencji CPU mikrokontrolera testując stan bitu P1.2 odczyta stan wysoki. Można

J.Bogusz „Klawiatura w C”, Strona 1 z 16

http://www.easy-soft.tsnet.pl

go zmienić (pamiętajmy, że linia pracuje jako wejściowa) podając stan niski, tak aby

zmienił się potencjał wymuszany przez rezystor. Podanie stanu niskiego odpowiada

zwarciu linii P1.2 do masy. To jeden z powodów: drugi to mogące pojawić się zakłócenia.

W ten sposób znacznie łatwiej je wyeliminować, ponieważ impedancja linii w stanie

niskim jest wielokrotnie mniejsza niż w stanie wysokim. Tyle o podłączeniu, teraz warto

by wspomnieć o właściwościach fizycznych styków przełącznika.

Podczas zwierania przełącznika, na skutek jego właściwości mechanicznych, może

pojawić się zjawisko tak zwanego drgania styków. Ilustruje je rysunek 2. Jak łatwo

zauważyć, stan niski na wejściu portu pojawi się co najmniej kilkakrotnie i jeśli

mikrokontroler będzie wystarczająco szybki a zadanie klawisza polegać ma np. na

zwiększeniu wartości o 1 przy jego naciśnięciu, to może się okazać, że pojedyncze

naciśnięcie klawisza owocuje przyrostem wartości zmiennej o kilka czy nawet kilkanaście

kroków. We współcześnie używanych miniaturowych przełącznikach zjawisko drgania

styków zostało prawie całkowicie wyeliminowane, jednak jego występowanie zależeć

będzie od konstrukcji mechanicznej przełącznika - ponieważ tej nigdy nie możemy być

pewni, lepiej się przed nim zabezpieczyć.

Rysunek 2.

Lekarstwem na to zjawisko jest prosta metoda: reakcja na wciśnięty klawisz (czy

to opadające zbocze, czy poziom niski sygnału), odczekanie przez czas 20..50ms i

ponowny odczyt stanu portu. Jeśli nie zmienił się, to oznacza, że klawisz nadal jest

wciśnięty i użytkownik żąda reakcji. Jeśli natomiast stan jest różny od niskiego, to

oznaczać może, że albo odebrano zakłócenie, albo przypadkowo naciśnięto klawisz. Tę

prostą zasadę działania wykorzystuje program umieszczony na listingu 1. Stan klawisza

sygnalizowany jest przez bit 3 portu P1. Bit ten przyjmuje poziom logiczny niski, gdy

klawisz jest wciśnięty.

Początek programu zawiera deklaracje bitów portu: bit 2 pracuje jako wejściowy –

do niego podłączony jest klawisz, bit 3 pracuje jako wyjściowy – jego stan zmienia się w

zależności od stanu klawisza. Funkcja void KeyPressed() zawiera polecenia wykonywane

w sytuacji, gdy klawisz jest wciśnięty i odwrotnie: funkcja void KeyNotPressed() zawiera

polecenia wykonywane, gdy klawisz jest zwolniony. Właściwy odczyt klawisza

zdefiniowany został w programie głównym i sprowadza się do testowania stanu

pojedynczego bitu portu przy pomocy polecenia if (jeśli). Wyrażenie if (!PortKey)

oznacza: jeśli zmienna PortKey ma wartość „nie zero”, to wykonaj polecenia zawarte

pomiędzy nawiasami klamrowymi. Czyli: odczekaj 20 milisekund, odczytaj ponownie stan

bitu portu. Jeśli nadal jest on równy stanowi niskiemu, to wykonaj funkcję odpowiadającą

wciśniętemu klawiszowi. Zadaniem pętli while (!PortKey) jest oczekiwanie aż klawisz

J.Bogusz „Klawiatura w C”, Strona 2 z 16

http://www.easy-soft.tsnet.pl

zostanie zwolniony.

while (1)

//pętla nieskończona, w niej odczyt klawisza

{

if (!PortKey)

{

Delay(20);

//opóźnienie 20ms

if (!PortKey)

//ponowny odczyt klawisz i podjęcie akcji,

{

KeyPressed(); //jeśli nadal wciśnięty

while (!PortKey); //oczekiwanie na zwolnienie klawisza

}

KeyNotPressed();

// akcja, gdy klawisz nie jest wciśnięty

}

Zaznaczam – to jest jedna z najprostszych funkcji obsługi klawisza. W większości

sytuacji jest wystarczy, ma jednak tę wadę, że po jego wciśnięciu oczekuje na zwolnienie

blokując tym samym wykonywanie innych zadań, o ile nie są one obsługiwane przez

przerwania.

/* prosty program demonstracyjny "odczyt pojedynczego klawisza"

klawisz włączony pomiędzy masę a port P1.2, stan aktywny = L;

rezonator kwarcowy 8MHz */

#include <reg51.h> //dołączenie definicji rejestrów mikrokontrolera

sbit PortKey = P1^2; //definicja bitu portu klawisza

sbit Active = P1^3; //port przyjmuje stan niski, gdy klawisz

//jest wciśnięty

//opóźnienie około 1 milisekundy dla kwarcu 8MHz

void Delay(unsigned int time)

{

unsigned int j;

while (time >= 1) //wykonanie pętli FOR zajmuje około 1 msek.

{ //pętla jest powtarzana TIME razy

for (j=0; j<65; j++);

time--;

}

//funkcja - reakcja na naciśnięcie klawisza

//tylko ustawienie stanu portu wyjściowego

void KeyPressed(void)

{

Active = 0;

}

//funkcja - reakcja, gdy klawisz nie jest wciśnięty

//tylko ustawienie stanu portu wyjściowego

void KeyNotPressed(void)

{

Active = 1;

}

//początek programu głównego

void main(void)

{

while (1) //pętla nieskończona

{

if (!PortKey)

J.Bogusz „Klawiatura w C”, Strona 3 z 16

http://www.easy-soft.tsnet.pl

{

Delay(20); //opóźnienie 20ms

if (!PortKey) //ponowny odczyt klawisz i podjęcie akcji,

{ //jeśli nadal wciśnięty

KeyPressed();

while (!PortKey); //oczekiwanie na zwolnienie klawisza

}

KeyNotPressed(); //akcja, gdy klawisz nie jest wciśnięty

}

Listing 1. Prosty program odczytujący stan klawisza podłączonego do P1.2

Funkcja „autorepeat” klawisza.

Każdy użytkownik komputera PC zna funkcję „autorepeat” klawiatury. Polega ona

na powtarzaniu kodu wciśniętego klawisza. Zrealizujemy taką funkcję w programie dla

mikrokontrolera. Ustalmy najpierw metodę. Wydaje mi się, że spośród wielu sposobów

obsługi klawiszy, najbardziej naturalnymi są:

1) po wciśnięciu - jednokrotne wysłanie kodu wciśniętego klawisza, brak reakcji jeśli

klawisz nie został zwolniony,

2) po wciśnięciu – wysłanie kodu klawisza i jeśli nie został on zwolniony –

powtarzanie kodu klawisza co pewien ustalony odstęp czasu,

3) po wciśnięciu – wysłanie kodu klawisza i jeśli nie został on zwolniony –

powtarzanie kodu klawisza początkowo wolno a po wykonaniu pewnej liczby

powtórzeń – znacznie szybciej.

W tym odcinku kursu wykonamy program, który zrealizuje w praktyce działanie

klawiatury w sposób numer 3. Z racji tego, że ilość klawiszy nie ma większego znaczenia

dla zrozumienia zasady działania, zanim przejdziemy do bardziej zaawansowanych

rozwiązań, posłużymy się (podobnie jak poprzednio) rozwiązaniem wykorzystującym

pojedynczy przycisk. Tu jedna uwaga: to tylko propozycja rozwiązania. Pisząc programy

często zauważysz, że jeden problem można rozwiązać na kilka możliwych sposobów.

Aby funkcja automatycznego powtarzania naciśniętego klawisza mogła działać, nie

wolno zatrzymywać programu i oczekiwać na zmianę stanu przycisku. Mikrokontroler

musi nieprzerwanie (nie bierz tego dosłownie) wykonywać program sprawdzając stan

klawisza i sprawdzając warunki dla „autorepeat”. W związku z tym nie wolno nam użyć

konstrukcji while (!PortKey) z poprzedniego przykładu. Trzeba zastosować zupełnie inną

metodę: mój program liczy ilość cykli odczytu stanu przycisku i w zależności od tej liczby

podejmuje odpowiednią akcję. Oto część programu napisanego w języku C, w którym

pozostawiłem tylko naprawdę niezbędne fragmenty kodu źródłowego.

if (!PortKey)

//czy naciśnięto klawisz?

{

Counter++;

//tak, zwiększ licznik

if (Counter > Time_3)

//czy licznik jest większy od warunku dla

{

//szybszego autorepeat?

KeyPressed();

//tak – wykonaj fragment kodu

Counter--;

Delay(100);

//krótsze opóźnienie

} else

if (Counter > Time_2)

//czy licznik jest większy od warunku dla

{

//wolniejszego autorepeat?

KeyPressed();

//tak – wykonaj fragment kodu

Delay(500);

//dłuższe opóźnienie

} else

if (Counter == Time_1) //czy licznik osiągnął wartość, gdy

{

//uznajemy klawisz za wciśnięty?

J.Bogusz „Klawiatura w C”, Strona 4 z 16

http://www.easy-soft.tsnet.pl

KeyPressed();

//tak – wykonaj fragment kodu

}

} else Counter = 0;

//zeruj licznik, jeśli zwolniono klawisz

Na początku program sprawdza stan klawisza. Jeśli jest on wciśnięty, to wartość

zmiennej Counter zwiększana jest o 1 i rozpatrywana przez konstrukcję if . W przeciwnym

przypadku zmiennej nadawana jest wartość 0.

Zadaniem if jest zdecydowanie jaka akcja zostanie podjęta w zależności od

wartości zmiennej Counter . Stała Time_1 to ilość pojedynczych operacji odczytu bitu

przycisku, po której uznaję go za wciśnięty. Jej wartość w głównej mierze zależy od

szybkości mikrokontrolera i musi być dobrana indywidualnie dla budowanego układu.

Stała Time_2 , to ilość przebiegów cykli odczytu, dla której uznaję warunek dla

„wolniejszego” powtarzania za spełniony. Wykonywany jest wówczas fragment programu

zawierający instrukcję Delay(500) powodującą przerwę ok. 0,5 sekundy pomiędzy

powtórzeniami odczytu klawisza. Jeśli wartość zmiennej Counter osiągnie wartość stałej

Time_3 , to wykonywany jest fragment programu z instrukcją Delay(100) : czas pomiędzy

powtórzeniami akcji właściwej dla wciśniętego przycisku jest pięciokrotnie krótszy.

Instrukcja Counter-- służy do zabezpieczenia przed przekroczeniem wartości

dopuszczalnej dla danego typu zmiennej Counter .

Do automatycznego powtarzania kodu klawisza wrócimy jeszcze przy okazji

budowy menu. W tym momencie, proponuję wykorzystać program z listingu 2 aby

zobaczyć jak nastawy wartości Time_1, _2 i _3 wpływają na pracę programu

wykonywanego przez mikrokontroler.

/* prosty program demonstracyjny "odczyt pojedynczego klawisza"

z funkcją automatycznego powtarzania.

klawisz włączony pomiędzy masę a port P1.2, stan aktywny = L;

rezonator kwarcowy 8MHz */

#include <reg51.h> //dołączenie definicji rejestrów mikrokontrolera

#define Time_1 900 //time 1 = około 15 ms

#define Time_2 9000 //około 1,5 sekundy

#define Time_3 9020 //po 20 wykonaniach pętli dla Time_2

unsigned int Counter = 0; //deklaracja zmiennej licznika

sbit PortKey = P1^2; //definicja bitu portu klawisza

sbit Active = P1^3; //port przyjmuje stan niski, gdy klawisz

//jest wciśnięty

//opóźnienie około 1 milisekundy dla kwarcu 8MHz

void Delay(unsigned int time)

{

unsigned int j;

while (time >= 1) //wykonanie pętli FOR zajmuje około 1 msek.

{ //pętla jest powtarzana TIME razy

for (j=0; j<65; j++);

time--;

}

//funkcja - reakcja na naciśnięcie klawisza

//tylko ustawienie stanu portu wyjściowego

void KeyPressed(void)

{

Active = ~Counter;

}

//funkcja – reakcja, gdy klawisz nie jest wciśnięty

//tylko ustawienie stanu portu wyjściowego

void KeyNotPressed(void)

{

J.Bogusz „Klawiatura w C”, Strona 5 z 16

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: