基于单片机89C51的异步串行接口键盘设计

摘　要：介绍了计算机异步串行接口键盘的特殊设计要求和工作原理，结合开发过程，讨论分析了89C51芯片的结构、功能特点以及应用中需要注意的问题，并给出了计算机串行接口键盘的硬件原理图及软件流程图。
关键词：89C51单片机；异步串行接口；键盘设计；E²PROM

    在信息处理系统中，显示分系统是整个系统的人机界面。显示器画面呈现出的态势图形和数据，是人们决策的重要依据。人工干预手段则是将人们的决策变为系统所能接收信息的必不可少的工具。因此人工干预手段的多寡及有效度直接影响着整个系统的有效度。特别是在处理信息量大，人机交互频繁的系统中，对人工干预手段的要求更高。

　　笔者结合工作实际，围绕单片机89C51设计了通用异步串行接口键盘作为显示分系统的扩展键盘。目的在于为显示分系统增加一种干预手段。实践表明：此键盘改善了系统的人机界面，提高了系统的处理效率。

1　设计要求与工作原理
1.1　设计要求
    (1)扩展键盘键位编码符合显示分系统的约定。　　
    (2)扩展键盘与显示处理机通讯通过其异步串行接口来完成，波特率为9600 b/s。
　　(3)扩展键盘与显示处理机通讯的接口电平为RS232C标准。
    (4)波特率相对误差应小于2.5％。
    (5)扩展键盘的电源要求：直流＋5 V。
　　(6)扩展键盘的环境温度要求：－100～＋500°C。

1.2　工作原理
    扩展键盘工作原理如图1所示。扩展键盘通过异步串 行接口与显示处理机相连，与标准键盘一起，显示处理机便拥有2个键盘。2个键盘可同时向显示处理机发出干预命令。因此，显示分系统增加了一条输入干预命令的新途径，缩短了干预命令的输入时间，提高了人工干预的效率。

2　电路设计
    扩展键盘由以下几部分组成：
    ①单片机89C51及时钟、复位电路。
　　②TTL电平到RS232C电平转换芯片ICL232CPE，此芯片只需直流＋5 V电源。
    ③工作指示电路。
    ④键位阵列部分(8×13)。
    扩展键盘电原理图如图2所示。

3  89C51的结构与性能特点
    89C51是MCS-51系列单片机的典型产品之一。其内部具有的硬件资源如图3所示。

    ①4 kB可编程的E²PROM。
    ②面向控制的8 b CPU。
    ③128 B内部RAM数据存贮器。
    ④32 b双向输入/输出线。
    ⑤1个全双工的串行口。
    ⑥2个16 b定时器/计数器。
    ⑦5个中断源，2个中断优先级。⑧时钟发生器。
　　⑨可以寻址64 kB的程序存贮器和64 kB的外部数据存贮器。
　　该键盘利用了89C51的片内E²PROM作为程序存贮器，避免外扩存贮器占用单片机的输入/输出口资源；利用P3口的第二功能完成异步串行通讯功能；用一片ICL232CPE作为接口电平转换芯片，便实现了键盘的全部硬件逻辑。硬件少，可靠性高。整个键盘采用＋5 V直流电源；电路与键位阵列分离设计。本键盘还克服了以往键盘设计中键位少、不通用等缺点。

4　软件功能流程图
　　软件实现键位扫描、消除抖动、键码转换、键码发送等功能。另外软件也实现了换档、按键连发功能。软件功能流程图如图4所示。

5　应用中应注意的问题
   在异型机种的串行通讯中，当规定了传输速率后，MCS-51单片机系统中选取适当的晶体振荡频率至关重要。他与串行接口的工作方式、电源控制寄存器PCON的SMOD位、定时器T1一起决定着通讯的成败。MCS-51单 片机串行接口工作在方式0时，其波特率固定不变，其大小为：晶振频率/12。此方式为同步方式；工作在方式2时为异步方式，其波率为晶振频率：①SMOD=0时，波特率为：晶振频率/64；②当SMOD＝1时，波特率为：晶振频率/32；串行接口工作方式为1，3时为异步方式且其波特率是可变的，除了与SMOD位的取值有关外，主要取决于定时器1的溢出率。波特率可由下式确定：
    
而定时器1的溢出率又由计数速率和定时时间预置数X决定，即：
     

    此时T1工作方式2，即8位自动装载方式。这种方式可以避免通过中断服务程序来重新装入初值，所得波特率也比较精确。式中X即为在TH1和TL1中装入的初始计数值。定时器1的计数速率与定时器工作方式的选择有关。当选定T1为定时工作方式时，其计数输入脉冲为内部时钟信号，即每个机器周期使寄存器值加1。而每个机器周期为12个振荡周期，故计数速率为晶振频率的1/12。因此
    

    由于本扩展键盘与显示处理机的串行通讯为异步方式，所以设置他的串行接口的工作方式为方式1，定时器1的工作方式为方式2。再根据波特率要求(9 600 b/s)求他的预置值。若系统晶体的振荡频率12 MHz时，当SMOD选为1时，TH1，TL1的初值计算如下：
     
    解上式可得：X₁＝250(FAH)或X₂＝249(F9H)
　　将X置入TH1，TL1时，波特率发生器产生的实际的传输速率为：
   
或　波特率2＝8 928.57 b/s，波特率误差2＝7％
无论置入哪个数，PC机与单片机之间均无法完成正常的通讯。

    若采用11.059 2 MHz晶振，按照上面公式计算出X＝250 FAH，实际的传输速率为9 599.83 b/s，其误差为0.001 77％，PC机与单片机的通讯可正常进行。

    另外，SMOD位的选择有时也能影响波特率的误差。

    因此在波特率设置时，对SMOD位的选取也需慎重考虑。

　　设计按键阵列时，应采用标准键盘的导电橡胶薄膜按键阵列，避免使用寿命短、常出现接触不良现象的老式键。

6　结语
　　此键盘功能设计还可进一步细化，如实现大写锁定、小键盘锁定等。由于键盘与主机通讯数据量不大，故未采用USB口与主机通讯。稍加修改，完全可以用USB口与主机通讯。若此键盘用于一些不采用串行通讯的系统中时，可直接用TTL电平相连，省掉ICL232CPE芯片，电路更简单，且P3口可采用并行输出。

参考文献

［1］何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1990.
［2］张友德.单片微型机原理、应用与实验［M］.上海：复旦大学出版社，2000.
［3］何立民.单片机应用技术选编(1)［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1992