4×4_矩陣鍵盤計(jì)算器設(shè)計(jì)

1、西 華 大 學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書題目44 矩陣鍵盤計(jì)算器設(shè)計(jì)系(部)電氣信息學(xué)院專業(yè)(班級(jí))自動(dòng)化3班姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師胡紅平起止日期2012.6.10-2012.6.30計(jì)算機(jī)接口及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)任務(wù)書系(部)：電氣信息學(xué)院 專業(yè)：09自動(dòng)化指導(dǎo)教師： 日期：2012-6-20課題名稱44 矩陣鍵盤計(jì)算器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1課題內(nèi)容：以單片機(jī)為核心，完成1.1 44 矩陣鍵盤的按鍵掃描；1.2 利用數(shù)碼管顯示255內(nèi)的減法運(yùn)算的值。2要求：2.1 完成該系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)，在Proteus軟件上仿真通過；2.2 外圍硬件的電路原理圖設(shè)計(jì)組與組間不得完全一樣。否則將嚴(yán)重影響評(píng)分成績。設(shè)計(jì)工作量1、

2、匯編或C51語言程序設(shè)計(jì)；2、軟件設(shè)計(jì)在Keil C調(diào)試、仿真，硬件設(shè)計(jì)在Proteus7.6版本上進(jìn)行調(diào)試、仿真；3、提交課程設(shè)計(jì)說明書，包括設(shè)計(jì)原理、軟件設(shè)計(jì)、程序分析（程序重要部分要求加注釋）、仿真和調(diào)試過程分析、參考文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)總結(jié)等，具體要求見課程設(shè)計(jì)說明書模板。進(jìn)度安排起止日期（或時(shí)間量）設(shè)計(jì)內(nèi)容（或預(yù)期目標(biāo)）備注第1天課題、安排介紹、分組；課題介紹之后，收集、查閱資料方案論證、設(shè)計(jì)項(xiàng)目確定、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。第2天第4天硬件設(shè)計(jì)：利用Proteus7.6平臺(tái)結(jié)合軟硬件設(shè)計(jì)調(diào)試、仿真；軟件設(shè)計(jì)：利用Keil C平臺(tái)，編程、調(diào)試、仿真；第5天第6天驗(yàn)收作品、答辯第7天撰寫課程設(shè)計(jì)說明書教研

3、室意見年 月 日系（部）主管領(lǐng)導(dǎo)意見年 月 日西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)鑒定表姓名學(xué)號(hào)專業(yè)班級(jí)設(shè)計(jì)題目指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師意見：評(píng)定指標(biāo)序號(hào)評(píng)定內(nèi)容評(píng)定等級(jí)優(yōu)秀良好及格不及格1系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)2電路原理圖3程序流程圖4程序設(shè)計(jì)評(píng)定等級(jí)： 教師簽名： 日期：答辯小組意見：評(píng)定等級(jí)：答辯小組長簽名：日期：教研室意見：教研室主任簽名： 日期： 系（部）意見：系主任簽名：日期：說明課程設(shè)計(jì)成績分“優(yōu)秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四類； 西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 摘 要近幾年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)技術(shù)日益更新。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往作為一個(gè)核心

4、部件來使用，僅單片機(jī)方面的知識(shí)是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)合，加以完善。本任務(wù)是個(gè)簡易得三位數(shù)的減法運(yùn)算，用44 矩陣鍵盤及計(jì)算器設(shè)計(jì)，利用數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)255內(nèi)的減法運(yùn)算。程序都是根據(jù)教材內(nèi)和網(wǎng)絡(luò)中的程序參考編寫而成，在功能上還并不完善，限制也較多。本任務(wù)重在設(shè)計(jì)構(gòu)思與團(tuán)隊(duì)合作，使得我們用專業(yè)知識(shí)，專業(yè)技能分析和解決問題全面系統(tǒng)的鍛煉。關(guān)鍵詞：單片機(jī)，AT89C51，矩陣鍵盤，數(shù)碼管 ABSTRACTIn recent years, along with the rapid development of science and technology, the application of SCM

5、 is unceasingly thorough, it causes the traditional control test technology increasingly updates. In real-time detection and automatic control of single-chip microcomputer application system, often as a core component to use, only microcontroller aspects of knowledge is not enough, should according

6、to specific hardware combined, and perfects. This task is a simple three digits, subtract with 4 * 4 matrix keyboard and a calculator design, use digital tube realization within the 255 subtract. Program is according to the teaching material and within the network reference and compiled program, on

7、the function is not perfect, restrictions also more. This task focuses on design conception and team cooperation, make us with professional knowledge, professional skills to analyze and solve problems of full system exercise. Keywords: Single-chip，AT89C51， Matrix keyboard ，digital tube 目 錄摘 要IABSTRA

8、CTII第1章 課題概述11.1 課題概述1 1.2 課題要求2第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)32.1 設(shè)計(jì)思路32.2 框圖設(shè)計(jì)32.3 知識(shí)點(diǎn)32.4 硬件設(shè)計(jì)42.4.1 電路原理圖42.4.2 元件選擇42.4.3 PCB制版及效果92.5 軟件設(shè)計(jì)102.5.1 程序流程圖102.6 系統(tǒng)仿真及調(diào)試112.6.1 硬件調(diào)試112.6.2 軟件調(diào)試112.6.3 軟硬件調(diào)試11結(jié) 論12參考文獻(xiàn)14附 錄15III第1章 課題概述1.1 課題概述隨著當(dāng)今時(shí)代的電子領(lǐng)域的發(fā)展，尤其是自動(dòng)化的控制領(lǐng)域，傳統(tǒng)的分立元件或數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)正被智能化的單片機(jī)所取代。主要是因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有體積小、功能強(qiáng)

9、、成本低、能耗低、應(yīng)用面積廣等優(yōu)點(diǎn)?？梢哉f，智能控制系統(tǒng)的核心就是單片機(jī)。單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)貫穿到了我們生活各個(gè)方面。本設(shè)計(jì)是基于51系列單片機(jī)的進(jìn)行的計(jì)算模式的設(shè)計(jì)，可以完成矩陣鍵盤輸入，并進(jìn)行減的8位無符號(hào)數(shù)字的運(yùn)算，在輸入的同時(shí)數(shù)據(jù)要同步動(dòng)態(tài)顯示在LED顯示器上。單片機(jī)總體功能的簡介：（1） 智能產(chǎn)品：單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品相結(jié)合，使傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，控制智能化，使機(jī)電成為一個(gè)有機(jī)的整體，減少人工的體力腦力活。目前，利用單片機(jī)構(gòu)成的智能產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于家用電器、辦公設(shè)備及各種工廠的機(jī)床。（2） 智能儀器：各種傳感器、變送器、控制儀已普遍的采用單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。它集測(cè)量、處理、控制等功能

10、于一體，具有各種智能化功能，如儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)處理、查找等功能；（3） 測(cè)控技術(shù)：用單片機(jī)構(gòu)成的各種工業(yè)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；（4） 智能接口：在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，除通用的外部設(shè)備外，還有許多外部通信、采集、多路分配管理、驅(qū)動(dòng)控制等接口都是利用單片機(jī)與主機(jī)并行加工處理，大大的減少接口的通信密度，極大的提高了接口控制管理水平。1.2 課題要求 根據(jù)題目44 矩陣鍵盤計(jì)算器設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)需滿足以下要求：1、分別識(shí)別16個(gè)鍵盤值；2、設(shè)定前10個(gè)為0到9，后面鍵值分別是A、B、C、D，最后一個(gè)鍵值為確認(rèn)鍵；3、利用數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)255內(nèi)的減法運(yùn)算。4、對(duì)44 矩陣鍵盤先進(jìn)行全掃

11、描，再進(jìn)行行掃描。5、在LED數(shù)碼管里面動(dòng)態(tài)顯示掃描的內(nèi)容。第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)主要是利用AT89C51進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用44矩陣鍵盤的按鍵掃描，利用LED數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示。該設(shè)計(jì)首先是運(yùn)用矩陣鍵盤的按鍵掃描，然后把掃描得到的鍵值進(jìn)行譯碼，其次把譯碼所得的數(shù)值進(jìn)行處理，最后將處理后的值進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。矩陣鍵盤和數(shù)碼管分別接在P1和P0,這樣大大的節(jié)約了單片機(jī)的I/O端口。2.2 框圖設(shè)計(jì) 圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖對(duì)44 矩陣鍵盤的按鍵進(jìn)行全掃描和行掃描，把掃描的結(jié)果進(jìn)行處理，處理后的結(jié)果放到LED數(shù)碼管了里面進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。2.3 知識(shí)點(diǎn)本設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用到了單片機(jī)原理及接口技術(shù)里面所學(xué)

12、的一些單片機(jī)的知識(shí)，有時(shí)鐘電路及89C51 CPU時(shí)序、LED動(dòng)態(tài)顯示原理、匯編語言程序設(shè)計(jì)知識(shí)。2.4 硬件設(shè)計(jì)2.4.1 電路原理圖利用proteus仿真電路，電路圖2.2，晶振接在XTAL1、XTAL2口上，復(fù)位電路接在REST口上，矩陣鍵盤的四列接在P1口的低四位，矩陣鍵盤的四行接在P1口的高四位，LED數(shù)碼管的段選碼接口于P0口相連，LED數(shù)碼管的位選碼接口于P2.5-P2.7相連。764325811-89C51單片機(jī)芯片 2-開關(guān) 3-電源 4-接地 5電容6-晶振 7-數(shù)碼管 8-電阻圖2.2 proteus仿真電路圖 表編號(hào)為：章數(shù).表序號(hào)不要讓表頭、說明與表分成2頁2.4.2

13、 元件選擇1、元件清單表2.1電路元件清單序號(hào)名 稱型 號(hào)數(shù) 量用 途1單片機(jī)芯片89C511片用于系統(tǒng)的中控2電阻1008個(gè)控制電壓3電容30pf3微調(diào)4晶振12MHz1穩(wěn)定振蕩5數(shù)碼管7SEG-MPX4-CA1顯示2、關(guān)鍵元件a.AT89C51AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATME

14、L高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。圖片見下圖：圖2.3 AT89C51（1）主要特性：與MCS-51兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路

15、 （2）管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接

16、收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”

17、后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：口管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE

18、/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問

19、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。（3）振蕩器特性： XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接

20、。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。b.矩陣鍵盤首先判別鍵盤中有無鍵按下，由單片機(jī)I/O口向鍵盤送全掃描字，然后按讀入列線狀態(tài)；來判斷。方法是：向行線輸出全掃描字00H，把全部行線置為低電平，然后將列線的電平狀態(tài)讀入累加器A中。如果有按鍵按下，總會(huì)有一根列線電平悲拉置低電平，從而使列輸入不全為1.判斷鍵盤中哪一個(gè)按鍵悲按下是通過將行線逐行置低電平后，檢查列輸入狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的。方法是：依次給行線送低電平，然后檢查所有列線狀態(tài)，稱行掃描。如果全為1，則所按下的鍵不在此行；如果不全為1，則所按下的鍵必在此行，而且是在與零

21、電平列線相交的那個(gè)鍵。表編號(hào)為：章數(shù).表序號(hào)不要讓表頭、說明與表分成2頁2.4.3 PCB制版及效果圖2.4 PCB制圖圖2.5 3D模型圖圖2.3是利用proteus里面自帶的軟件繪制的PCB制版，圖2.4是它的3D模仿出來的立體效果。2.5 軟件設(shè)計(jì)2.5.1 程序流程圖圖2.6初始化后，程序開始進(jìn)入主程序，1、進(jìn)行按鍵判斷，如果有鍵按下，繼續(xù)往下執(zhí)行，否則重新掃描；2、如果有鍵按下，延時(shí)5MS；3、再次按鍵判斷，如果有鍵按下，繼續(xù)往下執(zhí)行，否則重新掃描；4、如果有鍵按下，確定按鍵位置；5、再次進(jìn)行按鍵判斷，如果有鍵按下，繼續(xù)往下執(zhí)行，否則，表示出錯(cuò)，重新掃面；6、如果有鍵按下，對(duì)按鍵譯碼

22、；7、判斷是否按鍵釋放，如果釋放，繼續(xù)往下執(zhí)行，否則等待；8、對(duì)送來的譯碼值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；9、把處理的數(shù)據(jù)，放到LED數(shù)碼管中動(dòng)態(tài)顯示。2.6 系統(tǒng)仿真及調(diào)試系統(tǒng)的調(diào)試主要通過proteus軟件進(jìn)行仿真。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試包括硬件和軟件兩部分，但是他們并不能完全分開。一般方法是排除明顯的硬件故障，在進(jìn)行綜合調(diào)試，排除可能的軟（硬）件故障。2.6.1 硬件調(diào)試硬件調(diào)試分為靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)調(diào)試，對(duì)于硬件調(diào)試而言，只要認(rèn)真焊接，硬件一般不會(huì)出現(xiàn)什么問題的。靜態(tài)調(diào)試一般采用的工具是萬用表，它是用戶系統(tǒng)未工作時(shí)的一種硬件檢測(cè)。動(dòng)態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)工作的情況下發(fā)現(xiàn)和排查錯(cuò)誤的一種硬件檢測(cè)。調(diào)試步驟為：首先

23、把電路分為若干模塊，調(diào)試過程中與該模塊無關(guān)的元件可以不加考慮，這樣可把故障限定在一定的范圍內(nèi)，故障清除后，把各個(gè)模塊合在一起進(jìn)行聯(lián)調(diào)，即可完成整個(gè)硬件調(diào)試工作。2.6.2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試是通過對(duì)程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯(cuò)誤與邏輯錯(cuò)誤并加以排除糾正的過程。2.6.3 軟硬件調(diào)試軟硬件調(diào)試是指把調(diào)試無誤的軟件程序灌進(jìn)單片機(jī)芯片內(nèi)部，接通電源后，檢查硬件工作是否有預(yù)期的效果，如果沒有則需要檢測(cè)軟件是否在現(xiàn)實(shí)功能上有欠缺。若有錯(cuò)誤，通過寫軟件來調(diào)試，直至達(dá)到預(yù)期效果，則設(shè)計(jì)圓滿成功。本課程設(shè)計(jì)調(diào)試結(jié)果如下圖所示圖2.7 效果圖結(jié) 論很快一周多的時(shí)間又過去了，一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)對(duì)于我們初學(xué)者來說并不簡單，畢竟我們對(duì)單片機(jī)這門課程花的時(shí)間很少，上課的時(shí)間和上機(jī)的時(shí)間僅僅那么多，所以我們對(duì)這門課程的知識(shí)只了解了一個(gè)大概。對(duì)于這一個(gè)星期的成就我感到很欣慰，能夠自己編出一個(gè)程序運(yùn)用到實(shí)踐當(dāng)中。剛開始我們都不知道如何動(dòng)筆，看到那么多的課題，心中在暗暗