4x4鍵盤設(shè)計說明書.doc

4x44x4 鍵盤在單片機(jī)上的應(yīng)用鍵盤在單片機(jī)上的應(yīng)用 摘 要 近年來隨著電子產(chǎn)品的高速發(fā)展 單片機(jī)作為核心部件的正在不斷深入各個電子 產(chǎn)品的控制中 同時帶動電子產(chǎn)品向著小型化 多功能化 智能化 高速化方向發(fā) 展 比如 我們平常所使用的電飯煲 電冰箱 空調(diào) 計算器等電子產(chǎn)品都將單片 機(jī)作為主要的控制器 使產(chǎn)品的控制和結(jié)果都變得簡單化 然而僅是單片機(jī)方面知 識是不夠的 還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu) 以及針對具體應(yīng)用對象特點(diǎn)的軟件結(jié)合 以 作完善 在嵌入式 PC 應(yīng)用系統(tǒng)中 作為人機(jī)交互設(shè)備的鍵盤 往往采用結(jié)構(gòu)簡單按鍵少 的矩陣鍵盤 標(biāo)準(zhǔn)鍵盤雖然能直接與嵌入式 PC 機(jī)的 PS 2 接口相連 但是體積大 按鍵多 不能滿足需求 本文提出用一種 AT89C52 單片機(jī)實現(xiàn)具有標(biāo)準(zhǔn) PS 2 接口的 矩陣鍵盤 具有便捷 實用的特點(diǎn) 關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞 接口 鍵盤 AT89C52 LCD1602 第 I 頁 目 錄 摘 要 I 1 前言 1 2 2 總體設(shè)計總體設(shè)計 2 2 12 1 設(shè)計要求設(shè)計要求 2 2 2 整體方案設(shè)計 2 2 1 1 方案論證 2 2 1 2 方案比較 3 3 硬件設(shè)計 4 3 1 AT89C51 單片機(jī)的功能 4 3 2 復(fù)位電路的設(shè)置 5 3 3 4X4 鍵盤設(shè)計 6 3 4 單片機(jī)模塊 7 3 5 LCD1602 模塊 8 3 6 整體電路設(shè)計 9 4 軟件設(shè)計 11 5 KEIL 與 PROTEUS 聯(lián)調(diào) 12 結(jié) 論 13 參考文獻(xiàn) 14 附錄 1 電路總圖 15 附錄 2 軟件代碼 16 第 1 頁 1 前言 隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展 人們對自動控制要求的地方也越來越多 而在生活和生產(chǎn)的 各領(lǐng)域中 凡是有自動控制要求的地方都會有單片機(jī)的身影出現(xiàn) 從簡單到復(fù)雜 從空中到 地面 幾乎是凡能想像到的地方都有使用單片的需求 現(xiàn)在盡管單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)很普遍 但仍有許多可以用單片機(jī)控制而尚未實現(xiàn)的項目 因此 單片機(jī)的應(yīng)用大有想像和拓展空間 單片機(jī)的應(yīng)用有利于產(chǎn)品的小型化 多功能化和智能化 有助于提高勞動效率 減輕勞 動強(qiáng)度 提高產(chǎn)品質(zhì)量 改善勞動環(huán)境 減少能源和材料消耗 保證安全等 單片機(jī)因其性價比高 處理能力強(qiáng) 且抗干擾能力好 在醫(yī)療器械 機(jī)電液控制 數(shù)據(jù) 傳輸?shù)雀黝惞た叵到y(tǒng)和設(shè)備儀器中得到廣泛應(yīng)用 一方面 在實際應(yīng)用中 單片機(jī)經(jīng)常需要 將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行處理或保存等 另一方面 工控系統(tǒng)和設(shè)備儀器設(shè)計 因環(huán) 境或軟硬件資源的限制 也往往需要不同的通信接口 比如 很多工控PC機(jī)的鍵盤接口因受 惡劣環(huán)境不利于鍵盤的使用而處于閑置狀態(tài) 因此 設(shè)計一個具有通用性的4x4鍵盤通信接 口既方便PC機(jī)進(jìn)行外設(shè)擴(kuò)展 又豐富了單片機(jī)的接口資源 目前 單片機(jī)協(xié)議進(jìn)行通信較多 的是單片機(jī)接收4x4鍵盤設(shè)備的數(shù)據(jù) 而以單片機(jī)做為鍵盤與PC機(jī)通信則較為少見 但是 單片機(jī)應(yīng)用的意義絕不僅限于它的廣闊范圍以及所帶來的經(jīng)濟(jì)效益上 更重要的 意義還在于 單片機(jī)的應(yīng)用正從根本上改變著傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法 從前必 須有模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能 現(xiàn)在已能使用單片機(jī)通過軟件編程的方法來實 現(xiàn) 這種以軟件取代硬件并提高系統(tǒng)性能的控制系統(tǒng) 軟化 技術(shù) 稱之為微控制技術(shù) 微 控制技術(shù)是一種全新的概念 是對傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命 隨著單片機(jī)應(yīng)用的推廣普及 微控制技術(shù)必將不斷發(fā)展 日益完善和更加充實 第 2 頁 2 總體設(shè)計 2 1 設(shè)計要求 利用 51 單片機(jī)設(shè)計一 4x4 行列鍵盤 并在 LCD 上顯示鍵值 同時顯示的鍵值為 0 9 A D 這十六個值 2 2 整體方案設(shè)計 本設(shè)計的整體思路是 利用 4x4 鍵盤 通過 AT89C52 單片機(jī)接收 4x4 鍵盤的鍵值 并 顯示在 LCD1602 上 2 1 1 方案論證 設(shè)計中采用了三個方案 具體的方案見方案一 方案二和方案三 方案一 普通鍵盤設(shè)計方案 采用普通的 4x4 鍵盤 通過鍵盤掃描得到鍵值 有單片機(jī)控制并顯示在 LCD 上 優(yōu)點(diǎn) 是成本低 設(shè)計簡單數(shù)字顯示比較直觀 缺點(diǎn)是鍵盤掃描效率不夠且容易出錯 4x4 鍵盤AT89C52 單片機(jī) LCD1602 顯示 圖 2 1 普通鍵盤整體方案一框圖 方案二 數(shù)碼管顯示設(shè)計方案 采用普通的 4x4 鍵盤 通過鍵盤掃描得到鍵值 由單片機(jī)控制并顯示在數(shù)碼管上 優(yōu) 點(diǎn)是成本低 設(shè)計簡單 鍵盤自動掃描 自動識別 自動編碼 有鍵按下時才發(fā)送數(shù)據(jù) 因 此減輕了 CPU 的負(fù)擔(dān) 缺點(diǎn)是數(shù)碼管顯示不直觀 4x4 鍵盤AT89C52 單片機(jī) 數(shù)碼管 顯示 圖 2 2 4x4 鍵盤整體方案二框圖 2 1 2 方案比較 由于方案一采用的是 4X4 鍵盤 設(shè)計需要 CPU 不斷的掃描鍵盤 占用了大量的 CPU 資 源 方案二利用 4x4 鍵盤 設(shè)計需要 CPU 不斷的掃描鍵盤 占用了大量的 CPU 資源 并且用 第 3 頁 數(shù)碼管顯示不夠直觀 交互界面不夠好 因此綜合方案一和方案二的優(yōu)點(diǎn) 本設(shè)計采用了方 案一較好 第 4 頁 3 硬件設(shè)計 3 1 AT89C51 單片機(jī)的功能 圖 3 1 AT89C51 單片機(jī)因?qū)⑵渲饕M成部分集成在一個芯片上而得名 具體說就把中央處理器 CPU Central processing unit 隨機(jī)存儲器 RAM Random ac cess memory 只讀存儲 器 ROM Read only memory 中斷系統(tǒng) 定時器 計數(shù)器以及 I O Input output 接口電路等主要微型機(jī)部件集成 在一個芯片上 雖然單片機(jī)只是一個芯片 但從它的組成和功能上看 它已經(jīng)具有了計算機(jī) 系統(tǒng)一樣的屬性 為此 稱它為單片微型計算機(jī) SCMC Single chip micro computer 簡稱單片機(jī) 同時由于單片機(jī)主要應(yīng)用與控制領(lǐng)域 并用以實現(xiàn)各種測試和控制功能 為了強(qiáng)調(diào)起控 制屬性 也可以把單片機(jī)稱為微控制器 MCU Micro controller unit 在國際上 微 控制器 的叫法似乎更通用一些 而在我國則比較習(xí)慣與 單片機(jī) 這一名稱 第 5 頁 還有就是單片機(jī)在應(yīng)用時 通常是處于控制系統(tǒng)的核心地位并融入其中 即以嵌入的方 式進(jìn)行使用 為了強(qiáng)調(diào)其 嵌入 的特點(diǎn) 也常常將單片機(jī)稱為嵌入式微控制器 EMCU Embedded micro controller unit 在單片機(jī)的電路和結(jié)構(gòu)中 有許多嵌入式應(yīng)用 的特點(diǎn) 3 2 復(fù)位電路的設(shè)置 復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位信號 復(fù)位信號送入RST后還要送至片內(nèi)的施密特觸發(fā)器 由片內(nèi)復(fù) 位電路在每個機(jī)器周器的S5P2時刻對觸發(fā)器輸出采樣信號 然后由內(nèi)部復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位操 作所要的信號 一般的復(fù)位電路可分為上電自動復(fù)位和按鍵復(fù)位 我們在此選用的是上電復(fù) 位 上電自動復(fù)位原理 RST引腳是復(fù)位信號的輸入端 只要高電平的復(fù)位信號持續(xù)兩個機(jī) 器周期以上的有效時間 就可以使單片機(jī)上電復(fù)位 上電自動復(fù)位是通過電容充電實現(xiàn)的 上電瞬間 RST端電位與Vcc相同 隨充電電流的減少 RST的電位逐漸下降 直到復(fù)位信號 無效 按鍵復(fù)位在此不在作過多的介紹 其原理和上電復(fù)位是相同的 但其采用的是脈沖復(fù) 位電路和電平復(fù)位電路兩種 復(fù)位電路和單片機(jī)最小系統(tǒng)如下圖3 2所示 圖 3 2 復(fù)位電路 第 6 頁 3 3 4x4 鍵盤設(shè)計 圖 3 3 4x4 鍵盤 行列式鍵盤因為管理程序比較復(fù)雜 所以行列式鍵盤采用掃描技術(shù) 常采用的掃描技 術(shù)有 掃描法 反轉(zhuǎn)法 狀態(tài)矩陣法等 而本次設(shè)計采用線反轉(zhuǎn)法掃描的過程步驟如下 1 先從 P1 口的高 4 位輸出低電平 列 低 4 位輸出高電平 行 即 P1 0 x0f 從 P1 口讀取鍵盤狀態(tài) 這時 如低 4 位中只要有一位出現(xiàn) 0 說明此行中有鍵按下 各行有鍵按下時 從 P1 口讀取的數(shù)值依次是 0EH 0DH 0BH 07H 2 再從 P1 口的低 4 位輸出低電平 行 高 4 位輸出高電平 列 即 P1 0 xf0 從 P1 口讀取鍵盤狀態(tài) 這時 如高 4 位中只要有一位出現(xiàn) 0 說明此列中有鍵按下 各列有鍵按下時 從 P1 口讀取的數(shù)值依次為 E0H D0H B0H 70H 3 將兩次讀取的特征值 根據(jù)圖 3 2 進(jìn)行組合 得到當(dāng)前 按鍵的特征碼 3 4 單片機(jī)模塊 STC89C52 單片機(jī)是 Atmel 公司生產(chǎn)的單片機(jī) 51 的內(nèi)核 具有處理能強(qiáng) 運(yùn)行速度快 功耗低等優(yōu)點(diǎn) 最小系統(tǒng)包括單片機(jī) 電源 復(fù)位電路 單片機(jī)接收 PS2 鍵盤的鍵值 并控 第 7 頁 制 LCD 的顯示 其系統(tǒng)框圖如下圖所示 接收 4x4 鍵 值盤 STCAT89C2 單片機(jī) 控制 LCD1602 顯示 電源供電 復(fù)位電路 圖 3 4 單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖 STC89C52 單片機(jī)有 4X8 個 IO 口 其中 P0 口需外接上拉電阻 因此本次設(shè)計采用 P1 口 作為 4x4 鍵盤接口 P0 口作為與 LCD1602 的接口 其電路圖如下圖 3 5 所示 圖 3 5 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖 第 8 頁 3 5 LCD1602 模塊 LCD1602 采用 8 位并行數(shù)據(jù)傳輸 其操作時序如下圖 3 6 所示 圖 3 6 LCD 單片機(jī)圖 LCD1602 的指令集對應(yīng)的指令碼如表 3 1 所示 碼指 令 說 明 RSR WD7 D6D5D4D3D2D1D0 清除顯示屏 000000000 光標(biāo)回到原點(diǎn) 000000001 進(jìn)入模式設(shè)定 00000001I DS 顯示幕 ON OFF 0000001DCB 移位 000001S CR L 功能設(shè)定 00001DLNF 字發(fā)生器地址設(shè)定 0001ACG 設(shè)置顯示地址 001ADD 忙碌標(biāo)志位 BF 00BF 顯示數(shù)據(jù) 10 寫入數(shù)據(jù) 讀取數(shù)據(jù) 11 讀出數(shù)據(jù) I D I D 1 表示加 1 I D 0 表示減 1 S S 1 表示顯示幕 ON S 0 表示顯示幕 OFF D D 1 表示顯示幕 ON D 0 表示顯示幕 OFF C C 1 表示光標(biāo) ON C 0 表示光標(biāo) OFF B B 1 表示閃爍 ON B 0 表示閃爍 ON S C S C 1 表示顯示屏幕移位 S C 0 光標(biāo)移位 R L R L 1 表示右移 R L 0 表示右左移 D L D L 1 表示 8 位 D L 4 表示 4 位 F F 1 表示 5x10 點(diǎn)矩陣 F 0 表示 5x7 點(diǎn)矩陣 N N 1 表示 2 行顯示行 N 0 表示 1 行顯示行 第 9 頁 BF BF 1 內(nèi)部正在動作 BF 0 可接受指令或數(shù)據(jù)碼 5 表 3 1 指令碼 LCD1602 接口由 8 位數(shù)據(jù)線 電源地電源正 液晶顯示偏壓信號 VL 數(shù)據(jù)命令選擇 端 RS 讀寫選擇端 RW 組成 其接口信號說明如下圖 3 7 所示 圖 3 7 接口信號說明圖 可以在 1602 的液晶顯示偏壓信號端接一個可變電阻 調(diào)節(jié)顯示亮度 初始狀態(tài)時 調(diào) 至 1602 上面一排顯示 12 個黑塊為止 LCD1602 電路圖如下圖 3 8 所示 圖 3 8 LCD1602 電路圖 3 6 整體電路設(shè)計 最終設(shè)計電路如下圖 3 9 所示 4x4 鍵盤有鍵按下就讀出數(shù)據(jù) 最終在 LCD1602 液晶顯 示器上顯示 第 10 頁 圖 3 9 4x4 鍵盤顯示電路 第 11 頁 4 軟件設(shè)計 1 主程序設(shè)計 首先初始化 IO 口和鍵盤 LCD1602 然后接收按鍵的鍵值 并通過 8 位并行傳輸方式傳送給 LCD1602 顯示 2 獲取鍵值程序 按照 4x4 鍵盤協(xié)議操作 鍵盤按下時發(fā)送通碼 彈起時發(fā)送斷碼 在單片機(jī)中 將接收到的碼字與第二套掃描碼比較 得出鍵值 本次設(shè)計共采用 16 個鍵 模擬鍵 3 LCD 顯示程序 首先初始化 LCD1602 端口和寄存器 然后接收單片機(jī)傳送的數(shù)據(jù) 通過 1602 寫操作時序顯示接收到的數(shù)據(jù) 開始 初始化鍵 盤 LCD 接收鍵值 LCD1602 上顯示 處理鍵值 4 1 程序整體設(shè)計框圖 第 12 頁 5 Keil 與 Proteus 聯(lián)調(diào) 在 protues 上進(jìn)行仿真實驗 首先使用 KeilC 將編寫完成的程序編譯生成 HEX 文件 將 HEX 文件燒錄到兩片單片機(jī)中 進(jìn)行仿真實驗 結(jié)果如下圖所示 可以看到 接收端 已將接受到的數(shù)據(jù)完整的顯示了出來 圖 5 1 仿真效果圖 第 13 頁 結(jié) 論 本系統(tǒng)采用第二套鍵盤掃描碼 利用 4x4 鍵盤作為輸入 準(zhǔn)確度比普通鍵盤高 完成了 系統(tǒng)的仿真圖 電路圖和程序設(shè)計 實現(xiàn)了系統(tǒng)的功能 本次設(shè)計完成后 在效果上能完全達(dá)到原先設(shè)計的功能 例如 通過按下按鍵 1 能將數(shù)值 1 發(fā)送到 LCD 上顯示驅(qū)動程序經(jīng) Keil uVision3 編譯 在 AT89C52 上單片機(jī)通 過 該模擬鍵盤接口可以作為一個接口模塊嵌入到其他設(shè)備儀器和工程控制系統(tǒng) 增加了與 PC 機(jī)的通信途徑 在應(yīng)用和測試結(jié)果分析中 該接口模塊具有較高的可靠性與穩(wěn)定性由于 時間倉促和我們自身水平有限 本設(shè)計在功能上也只是完成了一些基本功能 對于電路的可 靠性 穩(wěn)定性等參數(shù)還未做過詳細(xì)的測試 仿真中出現(xiàn)的一些問題 也尚未解決 經(jīng)過繁忙而又緊張的課程設(shè)計 終于順利的完成了設(shè)計任務(wù) 雖然在這段時間里每天都 那么繁忙 但是在這忙碌的過程中卻得到了許多的收獲 經(jīng)過課程設(shè)計 在查閱資料的過程中 學(xué)習(xí)了基于單片機(jī)的 C 語言程序設(shè)計 了解了單 片機(jī)串行通信的基本知識 對于以后的學(xué)習(xí)和工作都有很大的益處 在學(xué)習(xí)的過程中 也遇到了一些困難 比如開始的時候 由于發(fā)送端和接收端的通信協(xié) 議沒有做好 導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能正確的傳輸 在解決問題的過程中 對于通信協(xié)議的實現(xiàn)有了深 刻的認(rèn)識 通過這次課程設(shè)計 鍛煉了自己獨(dú)立思考的能力 第 14 頁 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 張培仁 基于 C 語言編程 MCS 51 單片機(jī)原理與應(yīng)用 M 北京 清華大學(xué)出版社 2003 2 楊振江 杜鐵軍 流行單片機(jī)實用子程序及應(yīng)用實例 M 西安電子科技大學(xué)出版社 2002 3 蔡美琴 張為民 MCS 51 系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用 第二版 M 北京 高等教育出版社 2004 4 蘇家健 單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù) M 北京 高等教育出版社 2004 5 C 語譚浩強(qiáng) 言程序設(shè)計 第三版 M 北京 清華大學(xué)出版社 2005 6 黃惟公 單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社 2007 7 張毅剛 MC 51 單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計 二版 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 2005 8 李廣第 單片機(jī)基礎(chǔ) 北京 北京航空航天大學(xué)出版社 9 楊文龍 單片微機(jī)原理及應(yīng)用 西安電子科技大學(xué)出版社 10 胡漢才 單片機(jī)原理及接口技術(shù) 北京 清華大學(xué)出版 第 15 頁 附錄附錄 1 1 電路總圖 電路總圖 圖 附錄 1 4x4 鍵盤顯示電路總圖 第 16 頁 附錄附錄 2 2 軟件代碼 軟件代碼 1 鍵碼處理程序 include SMC1602 h void vKeyProcess unsigned char ucKeyCode vWriteCMD 0 xC7 switch ucKeyCode case 11 vShowOneChar 1 break 1 case 12 vShowOneChar 2 break 2 case 13 vShowOneChar 3 break 3 case 21 vShowOneChar 4 break 4 case 22 vShowOneChar 5 break 5 case 23 vShowOneChar 6 break 6 case 31 vShowOneChar 7 break 7 case 32 vShowOneChar 8 break 8 case 33 vShowOneChar 9 break 9 case 41 vShowOneChar 0 break 0 case 14 vShowOneChar A break A case 24 vShowOneChar B break B case 34 vShowOneChar C break C case 44 vShowOneChar D break D case 43 vShowOneChar break case 42 vShowOneChar break default break 2 鍵盤掃描子程序 include 第 17 頁 define SCANPORT P1 4 4 鍵盤掃描端口 低 4 位是行線 高 4 位是列線 采用逐列掃描的方法 無按鍵時 低 4 位輸出 1 高 4 位輸出 0 當(dāng)有按鍵時 高 4 位輸出掃描電位 低 4 位輸入掃描結(jié) 果 全局變量 unsigned char uca LineScan 4 0 xEF 0 xDF 0 xBF 0 x7F 列線掃描電壓 分為第 1 2 3 4 根列線 為低電平 其他為高電平 函數(shù)實現(xiàn) unsigned char ucKeyScan unsigned char ucTemp 0 掃描狀態(tài)暫存 unsigned char ucRow 0 ucLine 0 行號 列號 for ucLine 0 ucLine 4 ucLine 列掃描 SCANPORT uca LineScan ucLine 輸出掃描電位 ucTemp SCANPORT 輸入掃描電位 并屏蔽高 4 位 if ucTemp 0 x0F 判斷該列是否有按鍵按下 switch ucTemp case 0 x0E ucRow 10 break 如果有 則判斷行號 case 0 x0D ucRow 20 break case 0 x0B ucRow 30 break case 0 x07 ucRow 40 break default ucRow 50 break 第 18 頁 break SCANPORT 0 x0F 恢復(fù) P1 口 return ucRow ucLine 1 返回按鍵編碼 格式為 2 位數(shù) 高位為行號 低位為列號 3 驅(qū)動程序 include define LCDRS P2 0 寄存器選擇信號 0 數(shù)據(jù)寄存器 1 指令寄存器 define LCDRW P2 1 讀寫信號 1 讀 LCD 0 寫 LCD define LCDE P2 2 片選信號 當(dāng)輸入下降沿信號時 執(zhí)行指令或傳送數(shù)據(jù) define LCDPORT P0 LCD 數(shù)據(jù)接口 延時函數(shù) void vDelay unsigned i