基于51單片機的異步串行接口鍵盤(pán)設計

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

筆者結合工作實(shí)際，圍繞單片機89C51設計了通用異步串行接口鍵盤(pán)作為顯示分系統的擴展鍵盤(pán)。目的在于為顯示分系統增加一種干預手段。實(shí)踐表明：此鍵盤(pán)改善了系統的人機界面，提高了系統的處理效率。

1　設計要求與工作原理

1.1　設計要求

(1)擴展鍵盤(pán)鍵位編碼符合顯示分系統的約定?！　?BR> (2)擴展鍵盤(pán)與顯示處理機通訊通過(guò)其異步串行接口來(lái)完成，波特率為9600 b/s。
(3)擴展鍵盤(pán)與顯示處理機通訊的接口電平為RS232C標準。
(4)波特率相對誤差應小于2.5％。
(5)擴展鍵盤(pán)的電源要求：直流＋5 V。
(6)擴展鍵盤(pán)的環(huán)境溫度要求：－100～＋500°C。

1.2　工作原理

擴展鍵盤(pán)工作原理如圖1所示。擴展鍵盤(pán)通過(guò)異步串 行接口與顯示處理機相連，與標準鍵盤(pán)一起，顯示處理機便擁有2個(gè)鍵盤(pán)。2個(gè)鍵盤(pán)可同時(shí)向顯示處理機發(fā)出干預命令。因此，顯示分系統增加了一條輸入干預命令的新途徑，縮短了干預命令的輸入時(shí)間，提高了人工干預的效率。

2　電路設計

擴展鍵盤(pán)由以下幾部分組成：

①單片機89C51及時(shí)鐘、復位電路。
②TTL電平到RS232C電平轉換芯片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)。

擴展鍵盤(pán)電原理圖如圖2所示。

3 89C51的結構與性能特點(diǎn)

89C51是MCS-51系列單片機的典型產(chǎn)品之一。其內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內部RAM數據存貯器。
④32 b雙向輸入/輸出線(xiàn)。
⑤1個(gè)全雙工的串行口。
⑥2個(gè)16 b定時(shí)器/計數器。
⑦5個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級。
⑧時(shí)鐘發(fā)生器。
⑨可以尋址64 kB的程序存貯器和64 kB的外部數據存貯器。

該鍵盤(pán)利用了89C51的片內E2PROM 作為程序存貯器，避免外擴存貯器占用單片機的輸入/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作為接口電平轉換芯片，便實(shí)現了鍵盤(pán)的全部硬件邏輯。硬件少，可靠性高。整個(gè)鍵盤(pán)采用＋5 V直流電源；電路與鍵位陣列分離設計。本鍵盤(pán)還克服了以往鍵盤(pán)設計中鍵位少、不通用等缺點(diǎn)。

4　軟件功能流程圖

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

5　應用中應注意的問(wèn)題

在異型機種的串行通訊中，當規定了傳輸速率后，MCS-51單片機系統中選取適當的晶體振蕩頻率至關(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(zhù)通訊的成敗。MCS- 51單 片機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的溢出率又由計數速率和定時(shí)時(shí)間預置數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中裝入的初始計數值。定時(shí)器1的計數速率與定時(shí)器工作方式的選擇有關(guān)。當選定T1為定時(shí)工作方式時(shí)，其計數輸入脈沖為內部時(shí)鐘信號，即每個(gè)機器周期使寄存器值加1。而每個(gè)機器周期為12個(gè)振蕩周期，故計數速率為晶振頻率的1/12。因此

由于本擴展鍵盤(pán)與顯示處理機的串行通訊為異步方式，所以設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。再根據波特率要求(9 600 b/s)求他的預置值。若系統晶體的振蕩頻率12 MHz時(shí)，當SMOD選為1時(shí)，TH1，TL1的初值計算如下：

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，PC機與單片機之間均無(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機與單片機的通訊可正常進(jìn)行。另外，SMOD位的選擇有時(shí)也能影響波特率的誤差。因此在波特率設置時(shí)，對SMOD位的選取也需慎重考慮。

設計按鍵陣列時(shí)，應采用標準鍵盤(pán)的導電橡膠薄膜按鍵陣列，避免使用壽命短、常出現接觸不良現象的老式鍵。

6　結語(yǔ)

此鍵盤(pán)功能設計還可進(jìn)一步細化，如實(shí)現大寫(xiě)鎖定、小鍵盤(pán)鎖定等。由于鍵盤(pán)與主機通訊數據量不大，故未采用USB口與主機通訊。稍加修改，完全可以用USB口與主機通訊。若此鍵盤(pán)用于一些不采用串行通訊的系統中時(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。