单片机的无线键盘设计分析

肖桂坤 陈厚 吴旺 严宏为 陈海毅

摘 要：单片机使用十分广泛，利用单片机设计无线键盘，能够提高计算机外接设备使用的便捷性。文章首先对单片机无线键盘的设计需求进行分析，进而探讨其具体设计方法，包括系统总体组成结构、硬件电路设计、计算机及键盘软件设计等，以期为单片机无线键盘设计提供参考。

关键词：单片机;无线键盘;设计方法

前言：在无线通信技术的快速发展下，计算机附属设备无线化已经成为一种发展趋势。传统计算机要连接电源线、网线、以及音箱、鼠标等各种外联设备线，非常麻烦，容易出现接线混乱的问题。基于红外技术或无线射频技术实现的无线键盘，可以有效解决这一问题，推动计算机的无线化发展。

一、单片机无线键盘设计需求

首先从单片机的自身特点来看，较为先进的AVR单片机在PIC和8051系列单片机的基础上，作出了重大改进。其内嵌的程序存储器可反复擦写，便于产品开发和调试，也可以长期存储数据，内容量较大。而且AVR单片机运行速度快，功能相对完善，单次指令的执行速度在50ns左右，耗电量仅为1uA～2.5mA。AVR单片机的外设也较为丰富，包括I2C、SPI、RTC、ADC、PWM和看门狗定时器等，在安全保护和密码保护机制的保障下，AVR单片机具有较好的保密性和抗干扰性。AVR单片机作为一种较为先进的单片机，也设计过无线键盘，不过多数是基于红外技术实现的。受红外技术通信的限制，无线键盘和计算机之间的有效通信范围仅为2m以内，容易给实际使用带来不便。因此，为了进一步完善AVR单片机的功能性能，本次研究拟采用无线射频技术，通过为AVR单片机设计无线键盘端口，支持无线键盘与计算机的连接，克服红外技术仅能够在短距离通讯的缺点[1]。

二、单片机无线键盘的设计方法分析

（一）系统组成

AVR单片机内部拥有32个通用寄存器，34个中断源，数据处理和指令相应速度都非常快。由于其内部设置有上电启动计数器，系统复位上电后，可延迟MCU执行程序的时间，其目的是等到系统电源和外部电路稳定后再开始工作，以确保单片机运行的稳定性。单片机无线键盘的设计，也需要从单片机特点出发，保证无线键盘的适用性。无线键盘系统主要由常规102键ps/2键盘和两个AVR单片机组成，此外，还包含一个发射装置和一个接收装置。无线键盘总体可分为两大部分，其一是计算机端，包括计算机、单片机和接收装置，其二是键盘端，包括键盘、单片机和发射装置。其中，计算机端的单片机负责连接计算机和接收装置，键盘端的单片机负责连接键盘和发射装置，从而实现系统内部的通讯功能[2]。

（二）硬件设计

根据上述系统组成结构，在进行硬件设计时，可分为计算机端电路和键盘端电路两部分进行。其中，计算机端电路中的计算机采用6针标准接头连接单片机，同时为单片机及射频接收装置供电。单片机PORTA第5引脚连接时钟线，第4引脚连接数据线。需要为这两个引脚设置上拉电阻输入端口，确保空闲时钟线和数据线能够被拉到高电平。此外，PORTA第7引脚要串联一个510Ω电阻，然后与时钟线连接，第6引脚同样串联一个510Ω电阻，与数据线连接。在此情况下，可以利用第7和第6引脚将数据线、时钟线下拉到低电平。采用这种设计方法可防止第4和第5引脚短接到地导致引脚被烧毁。在此基础上，采用射频接收装置负责接收无线键盘信息，然后发送到单片机。

键盘端电路设计采用6针标准插座连接单片机，单片机PORTD第7引脚连接数据线，第17引脚连接时钟线，即将时钟线连接在单片机外部中断端口上，当其出现下降沿信号时，会触发外部中断。单片机将接收到的1位数据通过TXD引脚发送给射频发射装置，由射频发射装置将数据发送给计算机端，完成一次通讯过程。

（三）软件设计

单片机无线键盘的软件设计同样分为计算机端和无线键盘端两个部分。首先从应用需求来看，软件功能应包含数据输入、数据显示、数据接收处理和发送等。因此要为系统设计对应的数据接收、发送、显示程序等。可采用C语言进行编程实现，总体采用模块化设计方法，确保各功能模块相对独立，方便以后的功能维护及扩展。从计算机端软件设计情况来看，单片机软件的主要功能是从UART口进行数据接收，每个字节的数据包含一串0xAA初始化字节流，接收装置可自动调节增益，完成输入数据处理工作。初始化字节流之后是0xFF字节，代表下一个字节为有效数据。在利用软件进行处理时，要不间断的查询UART，确定是否有新的接收数据，然后利用状态机对接收数据进行解码。

键盘端的软件设计重点应完成两项任务，其一是在键盘读取数据，其二是将读取的数据发送至信号发射装置。其中，键盘读取数据主要是通过采集敲击前盘时产生的时钟信号，时钟信号变低，则响应中断，自动从数据线上读取1字节的數据。为保证数据读取的准确性，可采用接收装置的增益控制功能，同样设置0xAA初始化字节流和1个0xFF字节。并采用定时器跟踪数据发送时间，若未在25毫秒内成功发送，则发射装置循环发送0xAA和0xFF。通过采用上述软硬件设计方案，可由单片机接口和普通ps/2键盘构成无线键盘，由于采用射频技术，能够克服短距离通讯的缺点，并完整实现数据传输和指令传输过程。

结束语：综上所述，单片机无线键盘的设计能够满足键盘输入的基本功能需求，在射频技术的支持下，通过无线键盘输入数据和指令，不会产生数据丢失的问题，稳定性较强，时延较低，基本达到了单片机无线键盘设计的各方面要求，具有一定的实用价值。

参考文献：

[1]刘涛，刘娜.单片机的无线键盘设计探究[J].南方农机，2019，50（02）：207.

[2]肖赵栋，马朝兴，郝莉.一种实用的无线键盘鼠标转换器的设计[J].微计算机信息，2010，26（08）：93-95.