基于AT89C51的操控键盘的设计
作者：angelazhang
时间：2015-06-03
引 言
在一些自动化测量或智能设备中，微机作为控制中枢，对多个功能单元进行控制与管理，以实现仪器设备的系统功能。键盘是人机通信的基本设备，操作者通过它完成对设备的操控。PC机通用键盘是与主机分开的独立设备，其结构外形已经固定，需要较大的安装空间。但在所研制的产品设备中，系统上电运行后，往往只需通用键盘中的少量按键即可完成人机通信或控制，如数字键O～9、→、←、↑、↓、Esc等按键。在这种情况下，因为结构尺寸的限制，并为了使操控方便、设备简化等，不便采用通用键盘，而需使通用键盘小型化，并且与产品设备融为一体。因此需要研制小型一体化专用键盘。
采用小型一体化专用键盘不但可完成按键的功能，而且要求根据仪器外形进行一体化优化设计，使产品外型美观、布局合理。小型一体化专用键盘不仅适用于一般的仪器控制系统，而且可以用于军工加固计算机系统中。军工产品中的微机多为加固PC类计算机，其采用PC机通用键盘。本文以PC机通用键盘为例，阐述研制小型一体化专用键盘的方法。
1 设计原理
PC机通用键盘通过“PS／2”5芯电缆与主机相连。该5芯电缆是键盘与主机之间信息与数据传输的路径，定义如下：1端，RESET；2端，+5 V；3端，CLOCK；4端，地；5端，按键波形。其中1、2、4端的信号由主机内部确定；3端为时钟信号CLOCK；5端为按键波形，此波形随按下按键的不同而变化。
采用本文介绍的单片机控制系统和软件编程的方法，可以准确模拟按键波形，使小型专用键盘的按键波形与PC机通用键盘对应按键波形一致。具体方法如下：首先用示波器测出PC机通用键盘各按键按下时的波形，并保存起来；然后用单片机控制系统和软件编程模拟出各按键的CLOCK波形和按键波形，并确保各按键的CLOCK波形和按键波形时序匹配、形状逼真，再将按键信息通过5芯电缆传输给主机。所选按键可根据需要安装在产品的面板上等易于操作的地方。当操作者按下某键时，单片机控制系统产生相应的CLOCK波形与按键波形送给主机，实现按键功能。这样就完成了小型专用键盘的设计。
2 硬件电路及软件
2．1 单片机控制电路
采用单片机系统实现小型专用键盘的硬件电路，如图1所示，设计完成的小型专用键盘的按键有18枚，排成6行×3列的矩阵。单片机可根据需要安装在主机内部的接口板上，按键则安装在产品的面板等易操作的地方。当按下某按键时，单片机控制系统将产生的CLOCK信号与按键信号通过“PS／2”5芯电缆传送给主机。此硬件电路简单，可充分利用软件编程来模拟按键波形，实现键盘功能。系统要判断某一按键是否按下，可以利用软件逐一查询6行×3列矩阵中的按键，然后输出相应的按键模拟波形，从而实现按键功能。
下面以按键“8”为例，说明如何从PC机通用键盘中“取出”所需按键，并保持各按键功能，形成小型专用键盘。首先用示波器测出在PC机通用键盘上按下“8”键时，5芯键盘通信电缆的3端和5端的波形。按键“8”的波形测量波形如图2所示。
3 设计中要注意的问题
3．1 准确地模拟按键波形
每一枚按键的波形包括电缆3端的CLOCK波形与电缆5端的按键波形。各按键的CLOCK波形相同，如图2所示通道1的波形，由10个脉宽为40μs且间隔也为40μs的脉冲和1个脉宽为500 μs的脉冲形成CLOCK波形；而5端的按键波形则因按键的不同而各异。要准确地模拟按键波形并使之时序匹配，即准确地计算出脉冲的宽度，必须精确地计算出时间常数，做好延时程序。如果单片机控制电路采用12 MHz晶振，则一个机器周期为1μs，时间常数X的计算公式为：
(循环体字节数)×机器周期×时间常数X=延时时间
在上式中，循环体字节数、机器周期、延时时间都已知，则时间常数x易求得。例如，延时1 ms程序如下：
凡有按键操作的系统，在设计中一般都要考虑按键的去抖。由于按键的机械触点有弹性作用，在闭合及断开瞬间均有抖动过程，抖动的时间长短与开关的机械特性有关，一般为5～lO ms。为了保证按键的1次闭合仅作1次按键输入处理，就必须消除按键抖动对系统的影响。
采用软件编程消除按键抖动影响的方法是：当检测到某一按键按下时，执行相应模拟按键波形的子程序后，应再判断该键是否弹起，若没有弹起则等待，直至按键弹起；按键弹起后，延时20 ms再继续执行后面的程序，以消除按键抖动现象。
3．3 同行多个按键同时有效的问题
当有按键操作，按下某一键时，可能出现该键同一行线上的其他多个按键同时有效的现象。采用屏蔽非当前列线的方法可解决这一问题：当检测有无键按下时，须对列线和行线依次扫描，当扫描至某一列线时，该列线置“O”，同时其他列线置“1”，这样就屏蔽了非当前列线，从而准确地判断出某键是否按下。
3．4 按键波形被吃掉的问题
有些按键的波形只有1段，如图2所示“8”键的波形；而有些按键的波形有2段或2段以上，如图3所示“十”上移键的波形。2段波形间隔1．6 μs，用单片机仿真按键波形时，可看到第1段波形形成后，其后3 ms的时间内时钟CLOCK保持低电平，导致按键第2段波形被吃掉。为了解决这一问题，在模拟具有2段以上波形的按键时，在2段波形之间应加入3 ms的延时，使按键的第2段波形脱离时钟CLOCK的低电平区。这样按键的第2段波形就不会被吃掉，从而保证了按键波形的完整，实现按键功能。
采用本文介绍的设计方法制作的小型一体化加固机专用键盘，已应用到产品中，其功能稳定可靠，取得了良好效果。实际工作中，可根据产品的结构特点和需要，应用该设计方法研制小型一体化专用键盘，具有推广意义。
在一些自动化测量或智能设备中，微机作为控制中枢，对多个功能单元进行控制与管理，以实现仪器设备的系统功能。键盘是人机通信的基本设备，操作者通过它完成对设备的操控。PC机通用键盘是与主机分开的独立设备，其结构外形已经固定，需要较大的安装空间。但在所研制的产品设备中，系统上电运行后，往往只需通用键盘中的少量按键即可完成人机通信或控制，如数字键O～9、→、←、↑、↓、Esc等按键。在这种情况下，因为结构尺寸的限制，并为了使操控方便、设备简化等，不便采用通用键盘，而需使通用键盘小型化，并且与产品设备融为一体。因此需要研制小型一体化专用键盘。
采用小型一体化专用键盘不但可完成按键的功能，而且要求根据仪器外形进行一体化优化设计，使产品外型美观、布局合理。小型一体化专用键盘不仅适用于一般的仪器控制系统，而且可以用于军工加固计算机系统中。军工产品中的微机多为加固PC类计算机，其采用PC机通用键盘。本文以PC机通用键盘为例，阐述研制小型一体化专用键盘的方法。
1 设计原理
PC机通用键盘通过“PS／2”5芯电缆与主机相连。该5芯电缆是键盘与主机之间信息与数据传输的路径，定义如下：1端，RESET；2端，+5 V；3端，CLOCK；4端，地；5端，按键波形。其中1、2、4端的信号由主机内部确定；3端为时钟信号CLOCK；5端为按键波形，此波形随按下按键的不同而变化。
采用本文介绍的单片机控制系统和软件编程的方法，可以准确模拟按键波形，使小型专用键盘的按键波形与PC机通用键盘对应按键波形一致。具体方法如下：首先用示波器测出PC机通用键盘各按键按下时的波形，并保存起来；然后用单片机控制系统和软件编程模拟出各按键的CLOCK波形和按键波形，并确保各按键的CLOCK波形和按键波形时序匹配、形状逼真，再将按键信息通过5芯电缆传输给主机。所选按键可根据需要安装在产品的面板上等易于操作的地方。当操作者按下某键时，单片机控制系统产生相应的CLOCK波形与按键波形送给主机，实现按键功能。这样就完成了小型专用键盘的设计。
2 硬件电路及软件
2．1 单片机控制电路
采用单片机系统实现小型专用键盘的硬件电路，如图1所示，设计完成的小型专用键盘的按键有18枚，排成6行×3列的矩阵。单片机可根据需要安装在主机内部的接口板上，按键则安装在产品的面板等易操作的地方。当按下某按键时，单片机控制系统将产生的CLOCK信号与按键信号通过“PS／2”5芯电缆传送给主机。此硬件电路简单，可充分利用软件编程来模拟按键波形，实现键盘功能。系统要判断某一按键是否按下，可以利用软件逐一查询6行×3列矩阵中的按键，然后输出相应的按键模拟波形，从而实现按键功能。
下面以按键“8”为例，说明如何从PC机通用键盘中“取出”所需按键，并保持各按键功能，形成小型专用键盘。首先用示波器测出在PC机通用键盘上按下“8”键时，5芯键盘通信电缆的3端和5端的波形。按键“8”的波形测量波形如图2所示。
3 设计中要注意的问题
3．1 准确地模拟按键波形
每一枚按键的波形包括电缆3端的CLOCK波形与电缆5端的按键波形。各按键的CLOCK波形相同，如图2所示通道1的波形，由10个脉宽为40μs且间隔也为40μs的脉冲和1个脉宽为500 μs的脉冲形成CLOCK波形；而5端的按键波形则因按键的不同而各异。要准确地模拟按键波形并使之时序匹配，即准确地计算出脉冲的宽度，必须精确地计算出时间常数，做好延时程序。如果单片机控制电路采用12 MHz晶振，则一个机器周期为1μs，时间常数X的计算公式为：
(循环体字节数)×机器周期×时间常数X=延时时间
在上式中，循环体字节数、机器周期、延时时间都已知，则时间常数x易求得。例如，延时1 ms程序如下：
凡有按键操作的系统，在设计中一般都要考虑按键的去抖。由于按键的机械触点有弹性作用，在闭合及断开瞬间均有抖动过程，抖动的时间长短与开关的机械特性有关，一般为5～lO ms。为了保证按键的1次闭合仅作1次按键输入处理，就必须消除按键抖动对系统的影响。
采用软件编程消除按键抖动影响的方法是：当检测到某一按键按下时，执行相应模拟按键波形的子程序后，应再判断该键是否弹起，若没有弹起则等待，直至按键弹起；按键弹起后，延时20 ms再继续执行后面的程序，以消除按键抖动现象。
3．3 同行多个按键同时有效的问题
当有按键操作，按下某一键时，可能出现该键同一行线上的其他多个按键同时有效的现象。采用屏蔽非当前列线的方法可解决这一问题：当检测有无键按下时，须对列线和行线依次扫描，当扫描至某一列线时，该列线置“O”，同时其他列线置“1”，这样就屏蔽了非当前列线，从而准确地判断出某键是否按下。
3．4 按键波形被吃掉的问题
有些按键的波形只有1段，如图2所示“8”键的波形；而有些按键的波形有2段或2段以上，如图3所示“十”上移键的波形。2段波形间隔1．6 μs，用单片机仿真按键波形时，可看到第1段波形形成后，其后3 ms的时间内时钟CLOCK保持低电平，导致按键第2段波形被吃掉。为了解决这一问题，在模拟具有2段以上波形的按键时，在2段波形之间应加入3 ms的延时，使按键的第2段波形脱离时钟CLOCK的低电平区。这样按键的第2段波形就不会被吃掉，从而保证了按键波形的完整，实现按键功能。
采用本文介绍的设计方法制作的小型一体化加固机专用键盘，已应用到产品中，其功能稳定可靠，取得了良好效果。实际工作中，可根据产品的结构特点和需要，应用该设计方法研制小型一体化专用键盘，具有推广意义。
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