基于51單片機(jī)的異步串行接口鍵盤設(shè)計(jì)

在信息處理系統(tǒng)中，顯示分系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)界面。顯示器畫(huà)面呈現(xiàn)出的態(tài)勢(shì)圖形和數(shù)據(jù)，是人們決策的重要依據(jù)。人工干預(yù)手段則是將人們的決策變?yōu)橄到y(tǒng)所能接收信息的必不可少的工具。因此人工干預(yù)手段的多寡及有效度直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的有效度。特別是在處理信息量大，人機(jī)交互頻繁的系統(tǒng)中，對(duì)人工干預(yù)手段的要求更高。

筆者結(jié)合工作實(shí)際，圍繞單片機(jī)89C51設(shè)計(jì)了通用異步串行接口鍵盤作為顯示分系統(tǒng)的擴(kuò)展鍵盤。目的在于為顯示分系統(tǒng)增加一種干預(yù)手段。實(shí)踐表明：此鍵盤改善了系統(tǒng)的人機(jī)界面，提高了系統(tǒng)的處理效率。

1　設(shè)計(jì)要求與工作原理

1.1　設(shè)計(jì)要求

(1)擴(kuò)展鍵盤鍵位編碼符合顯示分系統(tǒng)的約定。　　
(2)擴(kuò)展鍵盤與顯示處理機(jī)通訊通過(guò)其異步串行接口來(lái)完成，波特率為9600 b/s。
(3)擴(kuò)展鍵盤與顯示處理機(jī)通訊的接口電平為RS232C標(biāo)準(zhǔn)。
(4)波特率相對(duì)誤差應(yīng)小于2.5％。
(5)擴(kuò)展鍵盤的電源要求：直流＋5 V。
(6)擴(kuò)展鍵盤的環(huán)境溫度要求：－100～＋500°C。

1.2　工作原理

擴(kuò)展鍵盤工作原理如圖1所示。擴(kuò)展鍵盤通過(guò)異步串 行接口與顯示處理機(jī)相連，與標(biāo)準(zhǔn)鍵盤一起，顯示處理機(jī)便擁有2個(gè)鍵盤。2個(gè)鍵盤可同時(shí)向顯示處理機(jī)發(fā)出干預(yù)命令。因此，顯示分系統(tǒng)增加了一條輸入干預(yù)命令的新途徑，縮短了干預(yù)命令的輸入時(shí)間，提高了人工干預(yù)的效率。

2　電路設(shè)計(jì)

擴(kuò)展鍵盤由以下幾部分組成：

①單片機(jī)89C51及時(shí)鐘、復(fù)位電路。
②TTL電平到RS232C電平轉(zhuǎn)換芯片ICL232CPE，此芯片只需直流＋5 V電源。
③工作指示電路。
④鍵位陣列部分(8×13)。

擴(kuò)展鍵盤電原理圖如圖2所示。

3 89C51的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)

89C51是MCS-51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品之一。其內(nèi)部具有的硬件資源如圖3所示。

①4 kB可編程的E2PROM。
②面向控制的8 b CPU。
③128 B內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)存貯器。
④32 b雙向輸入/輸出線。
⑤1個(gè)全雙工的串行口。
⑥2個(gè)16 b定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。
⑦5個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。
⑧時(shí)鐘發(fā)生器。
⑨可以尋址64 kB的程序存貯器和64 kB的外部數(shù)據(jù)存貯器。

該鍵盤利用了89C51的片內(nèi)E2PROM 作為程序存貯器，避免外擴(kuò)存貯器占用單片機(jī)的輸入/輸出口資源；利用P3口的第二功能完成異步串行通訊功能；用一片ICL232CPE作為接口電平轉(zhuǎn)換芯片，便實(shí)現(xiàn)了鍵盤的全部硬件邏輯。硬件少，可靠性高。整個(gè)鍵盤采用＋5 V直流電源；電路與鍵位陣列分離設(shè)計(jì)。本鍵盤還克服了以往鍵盤設(shè)計(jì)中鍵位少、不通用等缺點(diǎn)。

4　軟件功能流程圖

軟件實(shí)現(xiàn)鍵位掃描、消除抖動(dòng)、鍵碼轉(zhuǎn)換、鍵碼發(fā)送等功能。另外軟件也實(shí)現(xiàn)了換檔、按鍵連發(fā)功能。軟件功能流程圖如圖4所示。

5　應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題

在異型機(jī)種的串行通訊中，當(dāng)規(guī)定了傳輸速率后，MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)中選取適當(dāng)?shù)木w振蕩頻率至關(guān)重要。他與串行接口的工作方式、電源控制寄存器PCON的SMOD位、定時(shí)器T1一起決定著通訊的成敗。MCS- 51單 片機(jī)串行接口工作在方式0時(shí)，其波特率固定不變，其大小為：晶振頻率/12。此方式為同步方式；工作在方式2時(shí)為異步方式，其波率為晶振頻率：①SMOD=0時(shí)，波特率為：晶振頻率/64；②當(dāng)SMOD＝1時(shí)，波特率為：晶振頻率/32；串行接口工作方式為1，3時(shí)為異步方式且其波特率是可變的，除了與SMOD位的取值有關(guān)外，主要取決于定時(shí)器1的溢出率。波特率可由下式確定：

而定時(shí)器1的溢出率又由計(jì)數(shù)速率和定時(shí)時(shí)間預(yù)置數(shù)X決定，即：

此時(shí)T1工作方式2，即8位自動(dòng)裝載方式。這種方式可以避免通過(guò)中斷服務(wù)程序來(lái)重新裝入初值，所得波特率也比較精確。式中X即為在TH1和TL1中裝入的初始計(jì)數(shù)值。定時(shí)器1的計(jì)數(shù)速率與定時(shí)器工作方式的選擇有關(guān)。當(dāng)選定T1為定時(shí)工作方式時(shí)，其計(jì)數(shù)輸入脈沖為內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，即每個(gè)機(jī)器周期使寄存器值加1。而每個(gè)機(jī)器周期為12個(gè)振蕩周期，故計(jì)數(shù)速率為晶振頻率的1/12。因此

由于本擴(kuò)展鍵盤與顯示處理機(jī)的串行通訊為異步方式，所以設(shè)置他的串行接口的工作方式為方式1，定時(shí)器1的工作方式為方式2。再根據(jù)波特率要求(9 600 b/s)求他的預(yù)置值。若系統(tǒng)晶體的振蕩頻率12 MHz時(shí)，當(dāng)SMOD選為1時(shí)，TH1，TL1的初值計(jì)算如下：

解上式可得：X1＝250(FAH)或X2＝249(F9H)

將X置入TH1，TL1時(shí)，波特率發(fā)生器產(chǎn)生的實(shí)際的傳輸速率為：

或　波特率2＝8 928.57 b/s，波特率誤差2＝7％

無(wú)論置入哪個(gè)數(shù)，PC機(jī)與單片機(jī)之間均無(wú)法完成正常的通訊。若采用11.059 2 MHz晶振，按照上面公式計(jì)算出X＝250 FAH，實(shí)際的傳輸速率為9 599.83 b/s，其誤差為0.001 77％，PC機(jī)與單片機(jī)的通訊可正常進(jìn)行。另外，SMOD位的選擇有時(shí)也能影響波特率的誤差。因此在波特率設(shè)置時(shí)，對(duì)SMOD位的選取也需慎重考慮。

設(shè)計(jì)按鍵陣列時(shí)，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)鍵盤的導(dǎo)電橡膠薄膜按鍵陣列，避免使用壽命短、常出現(xiàn)接觸不良現(xiàn)象的老式鍵。

6　結(jié)語(yǔ)

此鍵盤功能設(shè)計(jì)還可進(jìn)一步細(xì)化，如實(shí)現(xiàn)大寫鎖定、小鍵盤鎖定等。由于鍵盤與主機(jī)通訊數(shù)據(jù)量不大，故未采用USB口與主機(jī)通訊。稍加修改，完全可以用USB口與主機(jī)通訊。若此鍵盤用于一些不采用串行通訊的系統(tǒng)中時(shí)，可直接用TTL電平相連，省掉ICL232CPE芯片，電路更簡(jiǎn)單，且P3口可采用并行輸出。