【正文】 鍵盤系統(tǒng)是很實(shí)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(shí)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(shí)間。有：獨(dú)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(jì) 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(jì) (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(jì)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(dòng)的消除，鍵值查找及一些保護(hù)措施的實(shí)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(cè)，便可確認(rèn)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(jī)械彈性開關(guān)，利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。由于機(jī)械觸點(diǎn)的的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合和斷開的瞬間均有一連串的抖動(dòng)，波形如下： 抖動(dòng)時(shí)間的長短由按鍵的機(jī)械特性決定，一 般為 510ms，這是一個(gè)很重要的參數(shù)。抖動(dòng)過程引起電平信號(hào)的波動(dòng)，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(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動(dòng)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(shí)的方法：在第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí) 10ms 的子程序后，再確認(rèn)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(rèn)真正有鍵按下，進(jìn)行相應(yīng)處理工 作，消除了 抖動(dòng)的影響。（這種消除抖動(dòng)影響的軟件措施是切實(shí)可行的 ） 。 。串鍵：是指同時(shí)有一個(gè)以上的鍵按下，串鍵會(huì)引起CPU錯(cuò)誤響應(yīng)。 通常采取的策略：單鍵按下有效，多鍵同時(shí)按下無效。 。連擊：是一次按鍵產(chǎn)生多次擊鍵的效果。要有對(duì)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(shí)間多長，僅采樣一個(gè)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(shí)間決定。連擊是可以利用的。連擊對(duì)于用計(jì)數(shù)法設(shè)計(jì)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(xiàng)任務(wù)時(shí)，如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式?？紤]儀表系統(tǒng)中 CPU任務(wù)的山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(shí)響應(yīng)按鍵的操作，又不過多的占用 CPU的工作時(shí)間。 鍵盤的工作方式有：查詢方式（編程掃描，定時(shí)掃描方式）、中斷掃描方式。 (4)鍵盤電路結(jié)構(gòu) ○ 1 獨(dú)立式按鍵接口設(shè)計(jì) 獨(dú)立式按鍵就是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根 I/O 口線，每根I/O口線的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他 I/O 口線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)按鍵被按下了。 優(yōu)點(diǎn)：電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單。 缺點(diǎn)：每個(gè)按鍵需占用一根 I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)， I/O 口浪費(fèi)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(chǎng)合。 也可以用擴(kuò)展 I/O 口搭接獨(dú)立式按鍵接口電路，可采用 8255 擴(kuò)展 I/O 口，用三態(tài)緩沖器擴(kuò)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(duì)待，通過讀片外 RAM 的方法，識(shí)別按鍵的工作狀態(tài)。 上電路中獨(dú)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(shí)，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(jì) 矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點(diǎn)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(jì) 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，為簡化硬件線路，縮小整個(gè)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(dú)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(gè) RAM工作單元，對(duì)某一個(gè)按鍵進(jìn)行按鍵計(jì)數(shù)，根據(jù)不同計(jì)數(shù)值，轉(zhuǎn)到子程序。這種計(jì)數(shù)多功能鍵最好與顯示器結(jié)合用，以便知道當(dāng)前計(jì)數(shù)值，同時(shí)配合一個(gè)啟動(dòng)鍵。 復(fù)合鍵是使用軟件實(shí)現(xiàn)一鍵多功能的另一個(gè)途徑。所謂復(fù)合鍵，就是兩個(gè)或兩個(gè)以上的鍵 的聯(lián)合，當(dāng)這些鍵同時(shí)按下時(shí)，才能執(zhí)行相應(yīng)的功能程序。實(shí)際情山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 況做不到“同時(shí)按下”，他們的時(shí)間差別可以長到 50ms，解決策略是：定義一個(gè)或兩個(gè)引導(dǎo)鍵，這些引導(dǎo)鍵按下時(shí)沒什么意義，執(zhí)行空操作。引導(dǎo)鍵的例子：微機(jī)鍵盤上的 CTRL、 SHIFT、 ALT。 缺點(diǎn)：一是操作變得復(fù)雜，二是操作時(shí)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(chǎng)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(shí)，可采取一鍵多功能。 (6)功能開關(guān)及撥碼盤接口設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)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(jī)系統(tǒng)加電時(shí)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(huì)影響CPU的正常工作，只有在下一次加電時(shí)，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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，有時(shí)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(shí)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(jī)械觸點(diǎn)式按鍵、導(dǎo)電橡膠式和柔性按鍵（又稱觸摸式鍵盤）。 機(jī)械觸點(diǎn)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(diǎn)處易侵入灰塵而導(dǎo)致接觸不良，體積相對(duì)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(shí)間長了，橡膠老化而使彈力下降，同時(shí)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(dòng)作幅度觸感明顯，富有立體感，但制造工藝相對(duì)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(diǎn)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(jī)的要求來設(shè)計(jì)。 鍵盤模塊的設(shè)計(jì) 鍵盤模塊是有四個(gè)按鍵組成，每個(gè)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(jì) (論文 ) 28 四個(gè)按鍵分別和單片機(jī)的 P2 P2 P2 P24口連接，每當(dāng)有 一個(gè)鍵按下時(shí)單片機(jī)的一個(gè)接口 就會(huì)從高電平變?yōu)榈碗娖?，再? 過軟件的編程來控制步進(jìn)電機(jī)的 轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊的原理、特性、接口電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析和介紹，此外還對(duì)單片機(jī)鍵盤模塊進(jìn)行了介紹，對(duì)本設(shè)計(jì)采用的鍵盤模塊的電路進(jìn)行了詳細(xì)的說明。 5 硬件電路設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì) 軟硬件 設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的核心部分，下面將對(duì)軟硬件進(jìn)行詳細(xì)的介紹 AT89S51 單片機(jī)的介紹 山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 本設(shè)計(jì)才用 AT89S51 單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的控制核心，下面將介紹 AT89C51單片機(jī)的相關(guān)特性及參數(shù) 。 AT89S51 單片機(jī)簡介 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器 ,器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)器既可在線編程（ ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)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(qiáng)大，低價(jià)位 AT89S51 單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)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(chǔ)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(jí)程序加密鎖 ?128 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM ?32 個(gè)可編程 I／ O 口線 ?2 個(gè) 16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器 ?6 個(gè)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(shí)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(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個(gè) I／ O 口線，看門狗（ WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè) 16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 30 路。同時(shí)， 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?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí)／計(jì)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(gè)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(shí)，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè)邏輯門電路，對(duì)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(chǔ)器或程 序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)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(shí)， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 ?P1 口： Pl 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， Pl 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫“ l”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ IIL）。 Flash 編程和程序 校驗(yàn)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(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào) 拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ IIL）。 在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVX@DPTR 指令）時(shí)， 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(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVX@Ri 指令）時(shí)， 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(gè)訪問期間不改變。 Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)， P2 亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。 ?P3 口： P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ 0 口。 P3 口輸出山東科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 31 緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì) P3 口寫入“ l”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（ IIL）。 P3 口除了作為一般的 I／ 0 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 52所示： P3 口還接收一