【正文】 T（ 9 腳）：復(fù)位電路； 鍵盤模塊的設(shè)計 鍵盤在 單片機 應(yīng)用系統(tǒng)中，實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令的功能，是人工干預(yù)的主要手段。 鍵盤的介紹 (1)概 述 鍵盤分兩大類：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。 編碼鍵盤：由硬件邏輯電路完成必要的鍵識別工作與可靠性措施。每按一次鍵，鍵盤自動提供被按鍵的讀數(shù)，同時產(chǎn)生一選通脈沖通知微處理器，一般還具有反彈跳和同時按鍵保護功能。這種鍵盤易于使用，但硬件比較復(fù)雜，對于主機任務(wù)繁重之情況，采用 8279 可編程鍵盤管理接口芯片構(gòu)成編碼式鍵盤系統(tǒng)是很實用的方案。 非編碼鍵盤：只簡單地提供鍵盤的行列與矩陣，其他操作如鍵的識別，決定按鍵的讀數(shù)等僅靠軟件完成，故硬件較為簡單，但占用 CPU 較多時間。有：獨立式按鍵結(jié)構(gòu)、矩陣 式按鍵結(jié)構(gòu)。 (2)鍵盤系統(tǒng)設(shè)計 首先，確定鍵盤編碼方案：采用編碼鍵盤或非編碼鍵盤。隨后，確定鍵盤工山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 25 作方式：采用中斷或查詢方式輸入鍵操作信息。然后，設(shè)計硬件電路。非編碼鍵盤系統(tǒng)中，鍵閉合和鍵釋放的信息的獲取，鍵抖動的消除，鍵值查找及一些保護措施的實施等任務(wù)，均由軟件來完成。 ○ 1 非編碼鍵盤的鍵輸入程序應(yīng)完成的基本任務(wù) ；鍵的閉合與否，反映在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平，所以通過電平的高低狀態(tài)的檢測，便可確認按鍵按下與否。 。 。 ○ 2 從電路或軟件的角度應(yīng)解決的問題 。鍵盤按鍵所用開關(guān)為機械彈性開關(guān)，利用了機械觸點的合、斷作用。由于機械觸點的的彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合和斷開的瞬間均有一連串的抖動，波形如下： 抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為 510ms，這是一個很重要的參數(shù)。抖動過程引起電平信號的波動，有可能令 CPU誤解為多次按鍵操作，從而引起誤處理。 為了確保 CPU 對一次按鍵動作只確認一次按鍵，必須消除抖動的影響。按鍵的消抖，通 常有軟件，硬件兩種消除方法 。 這種方法只適用于鍵的數(shù)目較少的情況。 軟件消抖：如果按鍵較多，硬件消抖將無法勝任，常采用軟件消抖。通常采用軟件延時的方法：在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時 10ms 的子程序后，再確認電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平，則確認真正有鍵按下，進行相應(yīng)處理工 作，消除了抖動的影響。（這種消除抖動影響的軟件措施是切實可行的 ） 。 。串鍵：是指同時有一個以上的鍵按下，串鍵會引起CPU 錯誤響應(yīng)。 通常采取的策略：單鍵按下有效，多鍵同時按下無效。 。連擊：是一次按鍵產(chǎn)生多次擊鍵的效果。要有對按鍵釋放的處理，為了消除連擊，使得一次按鍵只產(chǎn)生一次鍵功能的執(zhí)行（不管一次按鍵持續(xù)的時間多長，僅采樣一個數(shù)據(jù)）。否則的話，鍵功能程序的執(zhí)行次數(shù)將是不可預(yù)知，由按鍵時間決定。連擊是可以利用的。連擊對于用計數(shù)法設(shè)計的多功能鍵特別有效。 (3)鍵盤工作方式 單片及應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是 CPU 的工作內(nèi)容之一。 CPU 忙于各項任務(wù)時，如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式。考慮儀表系統(tǒng)中 CPU 任務(wù)的山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 26 份量，來確定鍵盤的工作方式。 鍵盤的 工作方式選取的原則是：既要保證能及時響應(yīng)按鍵的操作，又不過多的占用 CPU 的工作時間。 鍵盤的工作方式有：查詢方式（編程掃描，定時掃描方式）、中斷掃描方式。 (4)鍵盤電路結(jié)構(gòu) ○ 1 獨立式按鍵接口設(shè)計 獨立式按鍵就是各按鍵相互獨立，每個按鍵單獨占用一根 I/O 口線，每根I/O 口線的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他 I/O 口線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個按鍵被按下了。 優(yōu)點：電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單。 缺點：每個按鍵 需占用一根 I/O 口線，在按鍵數(shù)量較多時， I/O口浪費大，電路結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。 因此，此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的場合。 也可以用擴展 I/O 口搭接獨立式按鍵接口電路，可采用 8255 擴展 I/O 口，用三態(tài)緩沖器擴展。這兩種配接方式，都是把按鍵當(dāng)作外部 RAM某一工作單元的位來對待，通過讀片外 RAM 的方法，識別按鍵的工作狀態(tài)。 上電路中獨立式按鍵電路，各按鍵開關(guān)均采用了上拉電阻，是為了保證在按鍵斷開時，各 I/O 有確定的高電平。如輸入口線內(nèi)部已有上拉電阻，則外電路的上拉電阻可省去。 ○ 2 矩陣式鍵盤接口設(shè)計 矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合，由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點上。節(jié)省 I/O 口。 矩陣鍵盤工作原理：行線通過上拉電阻接到 +5V 上。無按鍵，行線處于高電平狀態(tài)，有鍵按下，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線電平為低，則行線電平為低；列線電平為高，則行線電平為高。 (5)雙功能及多功能鍵設(shè)計 在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，為簡化硬件線路，縮小整個系統(tǒng)的規(guī)模，總希望設(shè)置最少的按鍵，獲得最多的控制功能。 矩陣鍵盤與獨立式 按鍵鍵盤相比，硬件電路大大節(jié)省?？赏ㄟ^軟件的方法讓一鍵具有多功能。方法：選擇一個 RAM 工作單元，對某一個按鍵進行按鍵計數(shù)，根據(jù)不同計數(shù)值，轉(zhuǎn)到子程序。這種計數(shù)多功能鍵最好與顯示器結(jié)合用，以便知道當(dāng)前計數(shù)值，同時配合一個啟動鍵。 復(fù)合鍵是使用軟件實現(xiàn)一鍵多功能的另一個途徑。所謂復(fù)合鍵，就是兩個或兩個以上的鍵的聯(lián)合，當(dāng)這些鍵同時按下時，才能執(zhí)行相應(yīng)的功能程序。實際情山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 27 況做不到“同時按下”，他們的時間差別可以長到 50ms，解決策略是：定義一個或兩個引導(dǎo)鍵，這些引導(dǎo)鍵按下時沒什么意義，執(zhí)行空操作。引導(dǎo)鍵的例子：微機鍵盤上的 CTRL、 SHIFT、 ALT。 缺點：一是操作變得復(fù)雜，二是操作時間變長。 多功能鍵的利用，應(yīng)具體情況具體分析。要求速度的場合最好做一鍵一功能。如果系統(tǒng)功能很多，一鍵一功能不現(xiàn)實，可采取一鍵多功能。 (6)功能開關(guān)及撥碼盤接口設(shè)計 設(shè)計原因：鍵盤輸入靈活性大，操縱方便。但某些重要功能或數(shù)據(jù)由鍵盤輸入，誤操作將產(chǎn)生一些不良后果。因此常設(shè)定靜態(tài)開關(guān)的方法來執(zhí)行這些功能或輸入數(shù)據(jù)。靜態(tài)開關(guān)一經(jīng)設(shè)定，將不再改變，一直維持設(shè)定的開關(guān)狀態(tài)。通常這些開關(guān)狀態(tài)是在單片機系統(tǒng)加電時由 CPU 讀入內(nèi)存 RAM 的，以后 CPU將不再關(guān)注這些開關(guān)的狀態(tài)，因此，即使加電后，這些開關(guān)的狀態(tài)發(fā)生變化，也不會影響CPU 的正常工作，只有在下一次加電時，這些新狀態(tài)才能生效。 第一，功能開關(guān)：主要是根據(jù)開關(guān)的狀態(tài)執(zhí)行一些重要的功能。 第二，撥碼盤：單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，有時要輸入一些控制參數(shù)，這些參數(shù)一經(jīng)設(shè)定，將維持不變，除非給系統(tǒng)斷電后重新設(shè)定。這時使用數(shù)字撥碼盤既簡單直觀，又方便可靠。 (7)按鍵介紹 常用的按鍵有三種：機械觸點式按鍵、導(dǎo)電橡膠式和柔性按鍵（又稱觸摸式鍵盤）。 機械觸點式按鍵是利用彈性使鍵復(fù) 位，手感明顯，連線清晰，工藝簡單，適合單件制造。但是觸點處易侵入灰塵而導(dǎo)致接觸不良，體積相對較大。 導(dǎo)電橡膠按鍵是利用橡膠的彈性來復(fù)位，通過壓制的方法把面板上所有的按鍵制成一塊，體積小，裝配方便，適合批量生產(chǎn)。但是時間長了，橡膠老化而使彈力下降，同時易侵入灰塵。 柔性按鍵是近年來迅速發(fā)展的一種新型按鍵，可以分為凸球型和平面型兩種。凸球型動作幅度觸感明顯，富有立體感，但制造工藝相對復(fù)雜；平面型幅度微小，觸感較弱，但工藝簡單，壽命長。柔性按鍵最大特點是防塵、防潮、耐蝕，外形美觀，裝嵌方便。而且外形和面板 的布局、色彩、鍵距可按照整機的要求來設(shè)計。 鍵盤模塊的設(shè)計 鍵盤模塊是有四個按鍵組成，每個按鍵的一端都通過 5K電阻和 5V電源連接，另一端接地，它的接線如圖 49 所示， 山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 28 四個按鍵分別和單片機的 P2 P2 P2 P24 口連接，每當(dāng)有 一個鍵按下時單片機的一個接口 就會從高電平變?yōu)榈碗娖?，再? 過軟件的編程來控制步進電機的 轉(zhuǎn)動和液晶模塊的顯示。 圖 49 鍵盤模塊接線圖 本章小結(jié) 本章對步進電機及其驅(qū)動模塊的原理、特性、接口電路進行了詳細的分析和介紹，此外還對單片機鍵盤模塊 進行了介紹，對本設(shè)計采用的鍵盤模塊的電路進行了詳細的說明。 5 硬件電路設(shè)計和軟件的設(shè)計 軟硬件 設(shè)計是本設(shè)計的核心部分，下面將對軟硬件進行詳細的介紹 AT89S51 單片機的介紹 山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 29 本設(shè)計才用 AT89S51 單片機作為本設(shè)計的控制核心，下面將介紹 AT89C51單片機的相關(guān)特性及參數(shù)。 AT89S51 單片機簡介 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機，片內(nèi)含 4k bytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲器 ,器件采 用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序存儲器既可在線編程（ ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中， ATMEL 公司的功能強大，低價位 AT89S51 單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 AT89S51 引腳如圖 51所示： 主要性能參數(shù) ?與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 ?4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ ISP） Flash 閃速存儲器 ?1000 次擦寫 周期 ?－ 的工作電壓范圍 ?全靜態(tài)工作模式： 0Hz－ 33MHz ?三級程序加密鎖 ?128 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM ?32 個可編程 I／ O 口線 ?2 個 16 位定時／計數(shù)器 ?6 個中斷源 ?全雙工串行 UART 通道 ?低功耗空閑和掉電模式 ?中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 圖 51 AT89S51引腳圖 ?看門狗（ WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 ?掉電標(biāo)識和快速編程特性 ?靈活的在系統(tǒng) 編程（ ISP 字節(jié)或頁寫模式 功能特性概述： AT89S51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個 I／ O 口線，看門狗（ WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個 16 位定時／計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 30 路。同時， AT89S51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時／計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振 蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。 引腳功能說明 ?Vcc：電源電壓 ?GND：地 ?P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I／ 0 口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能驅(qū)動 8 個邏輯門電路，對端口寫“ l”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在 F1ash 編程時， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 ?P1 口： Pl 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， Pl 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“ l”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。 Flash 編程和程序校驗期間， Pl 接收低 8 位地址 ，端口引腳第二功能如表51 所示： 表 51 端口引腳第二功能 端口引腳 第二功能 MOSI（用于 ISP 犏程） MISO（用于 ISP 犏程 ） SCK（用于 ISP 犏程） ?P2 口： P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。 在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX@DPTR 指令）時， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX@Ri 指令）時， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中 P2 寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不