摘? 要： 基于頻率編碼的思想,設計了一種頻率編碼鍵盤,分析了電路的工作機理,并給出了有關的匯編程序，從而達到了僅用一條I/O線識別多個按鍵的目的,簡化了單片機應用系統(tǒng)中的鍵盤接口,節(jié)約了單片機有限的I/O引腳資源。
關鍵詞： 頻率編碼? 單片機? I/O設備
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單片機在消費電子、自動化儀表、工業(yè)控制等領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中占有十分重要的地位。今天越來越多的芯片廠商在不遺余力地競爭這個應用空間,如INTEL、NEC、MICROCHIP等公司都已形成了自己強大的產品線,給產品的設計帶來了越來越多的選擇。
幾乎在每一個單片機應用系統(tǒng)中,鍵盤都是必備的人機交互的主要輸入設備。傳統(tǒng)的按鍵識別方法是采用編碼式鍵盤芯片,如8279;或采用軟件控制多條I/O線掃描的方法。這種方法用到的I/O引腳數(shù)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(shù)少、功耗低、系統(tǒng)成本敏感的場合,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系列的單片機時就是這樣。如何利用有限的I/O資源實現(xiàn)多個按鍵的識別是經常遇到的問題。作者根據實際的開發(fā)經驗,結合單片機自身的特點,提出一種利用單片機的定時器/計數(shù)器和測頻原理、用一個I/O引腳實現(xiàn)多個按鍵識別的方法,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,定時器/計數(shù)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(tǒng)中。
1 硬件電路的分析
頻率編碼式鍵盤的硬件電路如圖1所示。由NE555定時器組成的多諧振蕩器產生一定頻率的方波[1],單片機利用其定時器/計數(shù)器對這個方波的頻率進行測量。NE555定時器組成的多諧振蕩器的放電時間常數(shù)為:τ放=RS·C1,而充電時間常數(shù)為:τ充=(Ri+RS)C1，(i=1，2，···，n)，n為按鍵的數(shù)目。
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??? 當不同的按鍵按下時,NE555定時器組成的多諧振蕩器的充電時間常數(shù)不同,放電時間常數(shù)不變,因而輸出方波的頻率也不同,使得不同的鍵按下時對應不同的輸出頻率。只要準確地測量出NE555定時器的輸出頻率,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設計的理論依據。
在實際應用中,考慮到電阻阻值和電容容量的分散性以及電路的時間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性,在滿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頻率互不相同,就可以通過軟件去判斷被測的頻率究竟落在了哪一個范圍,而不是判斷落在了哪一個頻點上。這樣使設計的軟件對電路產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(shù)的高度敏感性,大大加快了電路調試和批量生產的速度。
2 匯編程序的設計
在作者設計的系統(tǒng)中,采用AT89C2051單片機,外接晶振頻率為12MHz。單片機僅具有15個I/O線,由于系統(tǒng)采用電池供電,需要進行低功耗設計。而采用本電路后,簡化了系統(tǒng)的硬件,滿足了低功耗的要求,另外的14 個I/O線能滿足一般的便攜式應用。本系統(tǒng)用到8個按鍵,鍵盤電路的中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(shù)誤差為零時對應的頻率。由于實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。??
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在軟件設計上要實現(xiàn)以下三個功能:(1)判斷有無鍵按下;(2)有鍵按下時,進行按鍵消抖;(3)正確識別被按下的按鍵編號。首先設置單片機定時器/計數(shù)器的工作方式,讓定時器/計數(shù)器T0設為外部計數(shù)方式,允許T0中斷;并給TL0、TH0賦初值FFH,一旦有鍵按下時,T0便產生中斷,由此可以判斷是否有鍵按下;然后延時8ms實現(xiàn)按鍵抖動的消除;接著將T1設為內部定時方式,定時時間為50ms，T0在這50ms的時間里對NE555輸出頻率信號進行計數(shù),通過對計數(shù)值的大小范圍的判斷就可以識別按鍵的編號。有關延時和測頻的程序很常見，讀者可以參考有關資料。按鍵識別這部分的匯編程序如下文?眼2?演。程序入口參數(shù)FRQH、FRQL分別是50ms定時時間內對外部頻率計數(shù)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，F(xiàn)RQH，J1?
MOV A，R0?
INC R0?
MOVC A，@A+DPTR?
CJNE A，F(xiàn)RQL，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
? ；? ...
? ；? ...????? 添加用戶應用程序
? ； 判斷頻率區(qū)間上下限的數(shù)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 特點及注意事項
采用頻率編碼具有抗干擾力強、接口簡單的優(yōu)點,并且易于實現(xiàn)光電隔離。在鍵盤與主機分離的場合,還可以大大簡化二者互連的電纜。另外,若將此信號去調制紅外發(fā)射組件,也可以實現(xiàn)遙控鍵盤而無需額外的編碼邏輯。但是它對多鍵的同時按下和單鍵的連擊檢測能力較差,在與實際應用結合的時候,應盡量避免這兩種情況的出現(xiàn)并恰當?shù)剡M行處理。同時NE555的上限工作頻率是500kHz,采用傳統(tǒng)的MCS-51單片機測量外部頻率時,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,也應注意這一點。
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參考文獻
1 陳永甫.555集成電路應用800例.北京:電子工業(yè)出版社,1992
2 涂時亮.單片微機MCS-51用戶手冊. 上海:復旦大學出版社,1990