一種頻率編碼鍵盤(pán)的設計與實(shí)現

單片機在消費電子、自動(dòng)化儀表、工業(yè)控制等領(lǐng)域已得到廣泛的應用,它以靈活的設計、低廉的成本、微小的功耗在電子器件市場(chǎng)中占有十分重要的地位。今天越來(lái)越多的芯片廠(chǎng)商在不遺余力地競爭這個(gè)應用空間,如INTEL、NEC、MICROCHIP等公司都已形成了自己強大的產(chǎn)品線(xiàn),給產(chǎn)品的設計帶來(lái)了越來(lái)越多的選擇。

　　幾乎在每一個(gè)單片機應用系統中,鍵盤(pán)都是必備的人機交互的主要輸入設備。傳統的按鍵識別方法是采用編碼式鍵盤(pán)芯片,如8279;或采用軟件控制多條I/O線(xiàn)掃描的方法。這種方法用到的I/O引腳數常常在4條以上。然而單片機I/O引腳資源有限,特別是在引腳數少、功耗低、系統成本敏感的場(chǎng)合,成本和功耗決定了設計人員不可能另外擴充I/O空間,如采用ATMEL公司的AT89C1051/AT89C2051及AT90SXX系列、MICROCHIP公司的PIC16CXX系列的單片機時(shí)就是這樣。如何利用有限的I/O資源實(shí)現多個(gè)按鍵的識別是經(jīng)常遇到的問(wèn)題。作者根據實(shí)際的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗,結合單片機自身的特點(diǎn),提出一種利用單片機的定時(shí)器/計數器和測頻原理、用一個(gè)I/O引腳實(shí)現多個(gè)按鍵識別的方法,并給出了 MCS-51單片機的匯編源程序。由于在各種型號的單片機中,定時(shí)器/計數器幾乎是一種必備的配置資源,因此其原理很容易移植到其它型號的單片機應用系統中。

1 硬件電路的分析

　　頻率編碼式鍵盤(pán)的硬件電路如圖1所示。由NE555定時(shí)器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生一定頻率的方波[1],單片機利用其定時(shí)器/計數器對這個(gè)方波的頻率進(jìn)行測量。NE555定時(shí)器組成的多諧振蕩器的放電時(shí)間常數為:τ放=RS?C1,而充電時(shí)間常數為:τ充=(Ri+RS)C1，(i=1，2，???，n)，n為按鍵的數目。

當不同的按鍵按下時(shí),NE555定時(shí)器組成的多諧振蕩器的充電時(shí)間常數不同,放電時(shí)間常數不變,因而輸出方波的頻率也不同,使得不同的鍵按下時(shí)對應不同的輸出頻率。只要準確地測量出NE555定時(shí)器的輸出頻率,就可以精確地識別出被按下的按鍵號,這就是頻率編碼式鍵盤(pán)設計的理論依據。

　　在實(shí)際應用中,考慮到電阻阻值和電容容量的分散性以及電路的時(shí)間穩定性和溫度穩定性,在滿(mǎn)足單片機測量頻率的分辨率和量程的基礎上,應盡量將各個(gè)鍵之間的頻率間隔拉大。這樣即使每一按鍵輸出的頻率有一定的誤差,但只要保證輸出的各個(gè)頻率互不相同,就可以通過(guò)軟件去判斷被測的頻率究竟落在了哪一個(gè)范圍,而不是判斷落在了哪一個(gè)頻點(diǎn)上。這樣使設計的軟件對電路產(chǎn)生的誤差具有一定的適應性,從而擺脫了本電路對元器件參數的高度敏感性,大大加快了電路調試和批量生產(chǎn)的速度。

2 匯編程序的設計

　　在作者設計的系統中,采用AT89C2051單片機,外接晶振頻率為12MHz。單片機僅具有15個(gè)I/O線(xiàn),由于系統采用電池供電,需要進(jìn)行低功耗設計。而采用本電路后,簡(jiǎn)化了系統的硬件,滿(mǎn)足了低功耗的要求,另外的14 個(gè)I/O線(xiàn)能滿(mǎn)足一般的便攜式應用。本系統用到8個(gè)按鍵,鍵盤(pán)電路的中C1=C2=0.01μF，RS=150Ω,其余的阻容值和設計的中心頻率如表1所示。其中,中心頻率是指在電路參數誤差為零時(shí)對應的頻率。由于實(shí)際電路中誤差總是存在的,所以頻率就落在此中心頻率附近。

在軟件設計上要實(shí)現以下三個(gè)功能:(1)判斷有無(wú)鍵按下;(2)有鍵按下時(shí),進(jìn)行按鍵消抖;(3)正確識別被按下的按鍵編號。首先設置單片機定時(shí)器/計數器的工作方式,讓定時(shí)器/計數器T0設為外部計數方式,允許T0中斷;并給TL0、TH0賦初值FFH,一旦有鍵按下時(shí),T0便產(chǎn)生中斷,由此可以判斷是否有鍵按下;然后延時(shí)8ms實(shí)現按鍵抖動(dòng)的消除;接著(zhù)將T1設為內部定時(shí)方式,定時(shí)時(shí)間為50ms，T0在這50ms的時(shí)間里對NE555輸出頻率信號進(jìn)行計數,通過(guò)對計數值的大小范圍的判斷就可以識別按鍵的編號。有關(guān)延時(shí)和測頻的程序很常見(jiàn)，讀者可以參考有關(guān)資料。按鍵識別這部分的匯編程序如下文?眼2?演。程序入口參數FRQH、FRQL分別是50ms定時(shí)時(shí)間內對外部頻率計數的高位和低位,判斷結果放在KEYCODE中。

　　KEYCODE EQU 30H ；存放鍵值(1-8 )有效；

；0FFH無(wú)鍵按下,0EEH出錯

　　FRQH EQU 32H ；頻率測量值高位

　　FRQL EQU 31H ；頻率測量值低位

　　ORG 0000H

　　MOV DPTR，#TABLE

　　MOV R0，#0

　　MOV KEYCODE，#0

NEXT：MOV A，R0

　　MOVC A，@A+DPTR

　　INC R0

　　CJNE A，FRQH，J1

　　MOV A，R0

　　INC R0

　　MOVC A，@A+DPTR

　　CJNE A，FRQL，J2

　　MOV KEYCODE，#0EEH　　??；頻率在邊界上出錯

　　LJMP WAIT

J1：JNC WAIT

　　INC R0

　　NNT：INC KEYCODE

　　LJMP NEXT

J2：JNC WAIT

JMP NNT

WAIT：MOV A，KEYCODE

??； ...

??； ... 添加用戶(hù)應用程序

??； 判斷頻率區間上下限的數據表:

TABLE： DB 00H，0FAH，01H，5EH，01H，0C2H

DB 02H，26H，02H，8AH，02H，0EEH

DB 03H，52H，03H，0B6H，04H，1AH

DB 04H，7EH，0FFH，0FFH

3 特點(diǎn)及注意事項

　　采用頻率編碼具有抗干擾力強、接口簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),并且易于實(shí)現光電隔離。在鍵盤(pán)與主機分離的場(chǎng)合,還可以大大簡(jiǎn)化二者互連的電纜。另外,若將此信號去調制紅外發(fā)射組件,也可以實(shí)現遙控鍵盤(pán)而無(wú)需額外的編碼邏輯。但是它對多鍵的同時(shí)按下和單鍵的連擊檢測能力較差,在與實(shí)際應用結合的時(shí)候,應盡量避免這兩種情況的出現并恰當地進(jìn)行處理。同時(shí)NE555的上限工作頻率是500kHz,采用傳統的MCS-51單片機測量外部頻率時(shí),最高可測的頻率為晶振頻率的24分頻,設計中應考慮可用的頻率范圍。采用其它型號的單片機時(shí),也應注意這一點(diǎn)。