基于AT89C51的操控鍵盤的設(shè)計(jì)

　　引 言

　　在一些自動化測量或智能設(shè)備中，微機(jī)作為控制中樞，對多個功能單元進(jìn)行控制與管理，以實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的系統(tǒng)功能。鍵盤是人機(jī)通信的基本設(shè)備，操作者通過它完成對設(shè)備的操控。PC機(jī)通用鍵盤是與主機(jī)分開的獨(dú)立設(shè)備，其結(jié)構(gòu)外形已經(jīng)固定，需要較大的安裝空間。但在所研制的產(chǎn)品設(shè)備中，系統(tǒng)上電運(yùn)行后，往往只需通用鍵盤中的少量按鍵即可完成人機(jī)通信或控制，如數(shù)字鍵O～9、→、←、↑、↓、Esc等按鍵。在這種情況下，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)尺寸的限制，并為了使操控方便、設(shè)備簡化等，不便采用通用鍵盤，而需使通用鍵盤小型化，并且與產(chǎn)品設(shè)備融為一體。因此需要研制小型一體化專用鍵盤。

　　采用小型一體化專用鍵盤不但可完成按鍵的功能，而且要求根據(jù)儀器外形進(jìn)行一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品外型美觀、布局合理。小型一體化專用鍵盤不僅適用于一般的儀器控制系統(tǒng)，而且可以用于軍工加固計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。軍工產(chǎn)品中的微機(jī)多為加固PC類計(jì)算機(jī)，其采用PC機(jī)通用鍵盤。本文以PC機(jī)通用鍵盤為例，闡述研制小型一體化專用鍵盤的方法。

　　1 設(shè)計(jì)原理

　　PC機(jī)通用鍵盤通過“PS/2”5芯電纜與主機(jī)相連。該5芯電纜是鍵盤與主機(jī)之間信息與數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂剑x如下：1端，RESET;2端，+5 V;3端，CLOCK;4端，地;5端，按鍵波形。其中1、2、4端的信號由主機(jī)內(nèi)部確定;3端為時鐘信號CLOCK;5端為按鍵波形，此波形隨按下按鍵的不同而變化。

　　采用本文介紹的單片機(jī)控制系統(tǒng)和軟件編程的方法，可以準(zhǔn)確模擬按鍵波形，使小型專用鍵盤的按鍵波形與PC機(jī)通用鍵盤對應(yīng)按鍵波形一致。具體方法如下：首先用示波器測出PC機(jī)通用鍵盤各按鍵按下時的波形，并保存起來;然后用單片機(jī)控制系統(tǒng)和軟件編程模擬出各按鍵的CLOCK波形和按鍵波形，并確保各按鍵的CLOCK波形和按鍵波形時序匹配、形狀逼真，再將按鍵信息通過5芯電纜傳輸給主機(jī)。所選按鍵可根據(jù)需要安裝在產(chǎn)品的面板上等易于操作的地方。當(dāng)操作者按下某鍵時，單片機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的CLOCK波形與按鍵波形送給主機(jī)，實(shí)現(xiàn)按鍵功能。這樣就完成了小型專用鍵盤的設(shè)計(jì)。

　　2 硬件電路及軟件

　　2.1 單片機(jī)控制電路

　　采用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型專用鍵盤的硬件電路，如圖1所示，設(shè)計(jì)完成的小型專用鍵盤的按鍵有18枚，排成6行×3列的矩陣。單片機(jī)可根據(jù)需要安裝在主機(jī)內(nèi)部的接口板上，按鍵則安裝在產(chǎn)品的面板等易操作的地方。當(dāng)按下某按鍵時，單片機(jī)控制系統(tǒng)將產(chǎn)生的CLOCK信號與按鍵信號通過“PS/2”5芯電纜傳送給主機(jī)。此硬件電路簡單，可充分利用軟件編程來模擬按鍵波形，實(shí)現(xiàn)鍵盤功能。系統(tǒng)要判斷某一按鍵是否按下，可以利用軟件逐一查詢6行×3列矩陣中的按鍵，然后輸出相應(yīng)的按鍵模擬波形，從而實(shí)現(xiàn)按鍵功能。

　　2.2 舉 例

　　下面以按鍵“8”為例，說明如何從PC機(jī)通用鍵盤中“取出”所需按鍵，并保持各按鍵功能，形成小型專用鍵盤。首先用示波器測出在PC機(jī)通用鍵盤上按下“8”鍵時，5芯鍵盤通信電纜的3端和5端的波形。按鍵“8”的波形測量波形如圖2所示。

　　示波器通道1指示信號電纜3端的CLOCK波形，通道2為電纜5端的按鍵“8”的波形。用單片機(jī)軟件編程模擬圖2所示波形。按照圖1所示硬件電路，編程使單片機(jī)89C51的P2.4端產(chǎn)生CLOCK波形，P2.6端產(chǎn)生按鍵波形;P2.4端與5芯鍵盤電纜的3端相連，P2.6端與電纜的5端相連。當(dāng)操作者按下產(chǎn)品面板上的“8”鍵時，程序執(zhí)行模擬“8”鍵波形的子程序，并將模擬出的波形傳送給主機(jī)，這樣就完成了按鍵“8”的設(shè)計(jì)。用同樣的方法，可以設(shè)計(jì)出小型專用鍵盤上其他按鍵。

　　3 設(shè)計(jì)中要注意的問題

　　3.1 準(zhǔn)確地模擬按鍵波形

　　每一枚按鍵的波形包括電纜3端的CLOCK波形與電纜5端的按鍵波形。各按鍵的CLOCK波形相同，如圖2所示通道1的波形，由10個脈寬為40μs且間隔也為40μs的脈沖和1個脈寬為500 μs的脈沖形成CLOCK波形;而5端的按鍵波形則因按鍵的不同而各異。要準(zhǔn)確地模擬按鍵波形并使之時序匹配，即準(zhǔn)確地計(jì)算出脈沖的寬度，必須精確地計(jì)算出時間常數(shù)，做好延時程序。如果單片機(jī)控制電路采用12 MHz晶振，則一個機(jī)器周期為1μs，時間常數(shù)X的計(jì)算公式為：

　　(循環(huán)體字節(jié)數(shù))×機(jī)器周期×時間常數(shù)X=延時時間

　　在上式中，循環(huán)體字節(jié)數(shù)、機(jī)器周期、延時時間都已知，則時間常數(shù)x易求得。例如，延時1 ms程序如下：

　　利用上面公式可得到：(1+1+2)×1×X一1 000 μs則X=250μs，將其帶入上面的程序段中，執(zhí)行該段程序，能實(shí)現(xiàn)1 ms精確延時。準(zhǔn)確地計(jì)算出時問常數(shù)，精確地實(shí)現(xiàn)延時，就能確保模擬波形的準(zhǔn)確性。3.2按鍵的抖動問題

　　凡有按鍵操作的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中一般都要考慮按鍵的去抖。由于按鍵的機(jī)械觸點(diǎn)有彈性作用，在閉合及斷開瞬間均有抖動過程，抖動的時間長短與開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般為5～lO ms。為了保證按鍵的1次閉合僅作1次按鍵輸入處理，就必須消除按鍵抖動對系統(tǒng)的影響。

　　采用軟件編程消除按鍵抖動影響的方法是：當(dāng)檢測到某一按鍵按下時，執(zhí)行相應(yīng)模擬按鍵波形的子程序后，應(yīng)再判斷該鍵是否彈起，若沒有彈起則等待，直至按鍵彈起;按鍵彈起后，延時20 ms再繼續(xù)執(zhí)行后面的程序，以消除按鍵抖動現(xiàn)象。

　　3.3 同行多個按鍵同時有效的問題

　　當(dāng)有按鍵操作，按下某一鍵時，可能出現(xiàn)該鍵同一行線上的其他多個按鍵同時有效的現(xiàn)象。采用屏蔽非當(dāng)前列線的方法可解決這一問題：當(dāng)檢測有無鍵按下時，須對列線和行線依次掃描，當(dāng)掃描至某一列線時，該列線置“O”，同時其他列線置“1”，這樣就屏蔽了非當(dāng)前列線，從而準(zhǔn)確地判斷出某鍵是否按下。

　　3.4 按鍵波形被吃掉的問題

　　有些按鍵的波形只有1段，如圖2所示“8”鍵的波形;而有些按鍵的波形有2段或2段以上，如圖3所示“十”上移鍵的波形。2段波形間隔1.6 μs，用單片機(jī)仿真按鍵波形時，可看到第1段波形形成后，其后3 ms的時間內(nèi)時鐘CLOCK保持低電平，導(dǎo)致按鍵第2段波形被吃掉。為了解決這一問題，在模擬具有2段以上波形的按鍵時，在2段波形之間應(yīng)加入3 ms的延時，使按鍵的第2段波形脫離時鐘CLOCK的低電平區(qū)。這樣按鍵的第2段波形就不會被吃掉，從而保證了按鍵波形的完整，實(shí)現(xiàn)按鍵功能。

　　結(jié) 語

　　采用本文介紹的設(shè)計(jì)方法制作的小型一體化加固機(jī)專用鍵盤，已應(yīng)用到產(chǎn)品中，其功能穩(wěn)定可靠，取得了良好效果。實(shí)際工作中，可根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和需要，應(yīng)用該設(shè)計(jì)方法研制小型一體化專用鍵盤，具有推廣意義。