單片機課程設計44矩陣式鍵盤識別顯示電路的設計說明

1、 . 單片機原理與應用課程設計 題 目：4×4矩陣式鍵盤與單片機連接與編程 專 業(yè)： 測控技術與儀器 班 級： 機電082-1 姓 名：學 號：指導老師：組 員：( 2011.7 .13)目 錄第1節(jié) 引 言2 1.1 4*4矩陣式鍵盤系統(tǒng)概述21.2 本設計任務和主要容3第2節(jié) 系統(tǒng)主要硬件電路設計42.1 單片機控制系統(tǒng)原理42.2 單片機主機系統(tǒng)電路5 2.2.1 時鐘電路8 2.2.2 復位電路8 2.2.3 矩陣式鍵盤電路82.3 譯碼顯示電路9第3節(jié) 系統(tǒng)軟件設計13 3.1 軟件流程圖133.2 系統(tǒng)程序設計14第4節(jié) 結束語17參考文獻18第一節(jié) 引 言 矩陣式鍵盤乃

2、是當今使用最為廣泛的鍵盤模式，該系統(tǒng)以N個端口連接控制N*N個按鍵，即時在LED數(shù)碼管上。單片機控制的據(jù)這是鍵盤顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對不同的按鍵進行實時顯示，其核心是單片機和鍵盤矩陣電路部分，主要對按鍵與顯示電路的關系、矩陣式技術與設備系統(tǒng)的硬件、軟件等各個部分進行實現(xiàn)。4*4矩陣式鍵盤采用89C51單片機為核心，主要由矩陣式鍵盤電路、譯碼電路、顯示電路等組成，軟件選用匯編語言編程。單片機將檢測到的按鍵信號轉換成數(shù)字量，顯示于LED顯示器上。該系統(tǒng)靈活性強，易于操作，可靠性高，將會有更廣闊的開發(fā)前景。1.1 4*4矩陣式鍵盤識別顯示系統(tǒng)概述矩陣式鍵盤模式以N個端口連接控制N*N個按鍵，實時在L

3、ED數(shù)碼管上顯示按鍵信息。顯示按鍵信息，既降低了成本，又提高了精確度，省下了很多的I/O端口為他用，相反，獨立式按鍵雖編程簡單，但占用I/O口資源較多，不適合在按鍵較多的場合應用。并且在實際應用中經常要用到輸入數(shù)字、字母、符號等操作功能，如電子密碼鎖、機鍵盤、計算器按鍵等，至少都需要12到16個按鍵，在這種情況下如果用獨立式按鍵的話，顯然太浪費I/O端口資源，為了解決這一問題，我們使用矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤簡介：矩陣式鍵盤又稱行列鍵盤，它是用N條I/O線作為行線，N條I/O線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每個交叉點上設置一個按鍵。這樣鍵盤上按鍵的個數(shù)就為N*N個。這種行列式鍵盤結構能有效地

4、提高單片機系統(tǒng)中I/O口的利用率。最常見的鍵盤布局如圖1-1所示。一般由16個按鍵組成，在單片機中正好可以用一個P口實現(xiàn)16個按鍵功能，這也是在單片機系統(tǒng)中最常用的形式，本設計就采用這個鍵盤模式。FB73EA62D951C840圖1-1 鍵盤布局隨著21世紀的到來，資源危機接踵而至。快速席卷整個國家，這一狀況還將隨著時間的推移和社會的發(fā)展而更加嚴重。國家提倡資源節(jié)約型社會，資源危機已成為全球性的突出問題，利用科技手段緩解這一危機，將是人類主要的出路。 電子信息行業(yè)是人類社會的高科技行業(yè)之一，是設施現(xiàn)代化的基礎，也是人類通往科技巔峰的直通路。電子行業(yè)的發(fā)展從長遠來看很重要，但最主要的還是科技問題

5、。國家設施的現(xiàn)代化的根本出路在于全面提高科技水平，現(xiàn)代的社會經營模式由傳統(tǒng)模式向現(xiàn)代化、高科技模式轉變，由粗放型向集約型方向轉變，必須要求科技有一個大的發(fā)展，進行一次新的技術革命。矩陣式鍵盤提高效率進行按鍵操作管理有效方法，它可以提高系統(tǒng)準確性，有利于資源的節(jié)約，降低對操作者本身素質的要求。是它能準確、實時、高效地顯示按鍵信息，以提高工作效率和資源利用率。 隨著計算機技術和電子科技的迅猛發(fā)展，計算機和電子產品的價格日益降低，可靠性日益提高。本文旨在設計一套能對按鍵信息進行自動實時顯示的系統(tǒng)。1.2 本設計任務1.3 本設計主要研究單片機控制的鍵盤識別顯示系統(tǒng)，分別對按鍵信息和顯示電路以與軟、硬

6、件各個部分進行研究。任務要求:1. 4*4矩陣式鍵盤與單片機的連接方法2. 用軟件法消除按鍵抖動3. 用兩位數(shù)碼管將按鍵值顯示出來第2節(jié) 系統(tǒng)主要硬件電路設計2.1 單片機控制系統(tǒng)原理圖2-1 單片機控制系統(tǒng)原理框圖 22 單片機主機系統(tǒng)電路AT89C51單片機是51系列單片機的一個成員，是8051單片機的簡化版。部自帶2K字節(jié)可編程FLASH存儲器的低電壓、高性能COMS八位微處理器，與Intel MCS-51系列單片機的指令和輸出管腳相兼容。由于將多功能八位CPU和閃速存儲器結合在單個芯片中，因此，AT89C2051構成的單片機系統(tǒng)是具有結構最簡單、造價最低廉、效率最高的微控制系統(tǒng)，省去了

7、外部的RAM、ROM和接口器件，減少了硬件開銷，節(jié)省了成本，提高了系統(tǒng)的性價比。AT89C51簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C

8、51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形與引腳排列如圖所示 主要特性：·與MCS-51 兼容 ·4K字節(jié)可編程FLASH存儲器 ·壽命：1000寫/擦循環(huán) ·數(shù)據(jù)保留時間：10年 ·全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz ·三級程序存儲器鎖定 ·128×8位部RAM ·32可編程I/O線 ·兩個16位定時器/計數(shù)器 ·5個中斷源 ·可編程串行通道 ·低功耗的閑置和掉電模式 

9、3;片振蕩器和時鐘電路 管腳說明：VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個部提供上拉電阻的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，被部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第

10、八位地址接收。 P2口：P2口為一個部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后

11、，它們被部上拉為高電平，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，如下表所示： 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（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期

12、的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，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，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， 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：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/

13、PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間部程序存儲器。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與部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 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振蕩器。石晶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。

14、有余輸入至部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 圖2-2 單片機主機系統(tǒng)圖2.2.1時鐘電路時鐘信號用來提供單片機片各種微操作的時間基準，時鐘信號通常用兩種電路形式得到:部振蕩和外部振蕩。MCS-51單片機部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用部方式時，電路簡單，所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實際使用中常采用這種方式，如圖 2-2所示在其外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或瓷諧振器就構成了部振蕩方式，片高增益反向放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或瓷諧振器一起可構成一

15、個自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。圖2-2中外接晶體以與電容C2和C3構成并聯(lián)諧振電路，它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其值為30pF左右，晶振頻率選11.0592MHz 。2.2.2復位電路 為了初始化單片機部的某些特殊功能寄存器，必須利用復位電路，復位后可使CPU與系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始正常工作。單片機的復位是靠外電路來實現(xiàn)的，在正常運行情況下，只要RST引腳上出現(xiàn)兩個機器周期時間以上的高電平，即可引起系統(tǒng)復位，但如果RST引腳上持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。復位后系統(tǒng)將輸入/輸出(1/0)端口寄存器置為FFH，堆棧指針SP置為07H, SBUF置為不定

16、值，其余的寄存器全部清0，部RAM的狀態(tài)不受復位的影響，在系統(tǒng)上電時RAM的容是不定的。復位操作有兩種情況，即上電復位和手動(開關)復位。本系統(tǒng)采用上電復位方式。圖2-2中R1和Cl組成上電復位電路，其值R取為1K, C取為10pF。2.2.3 矩陣式鍵盤電路 AT89C51單片機的并行口P1接4×4矩陣鍵盤，以P1.0P1.3作輸入線，以P1.4P1.7作輸出線；P1口輸出按鍵信息，在數(shù)碼管上顯示每個按鍵的“0F”序號。實際電路圖連接如圖2-4所示。圖2-3 矩陣式鍵盤電路2.3驅動部分74LS48引腳圖與功能表 74LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅動器，常用在各種數(shù)字電

17、路和單片機系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中。<74ls48引腳圖>74ls48引腳功能表七段譯碼驅動器功能表十進數(shù)或功能輸入BI/RBO輸出備注 LTRBID C B A abcdefg0HH0 0 0 0H111111011Hx0 0 0 1H01100002Hx0 0 1 0H11011013Hx0 0 1 1H11110014Hx0 1 0 0H01100115Hx0 1 0 1H10110116Hx0 1 1 0H00111117Hx0 1 1 1H11100008Hx1 0 0 0H11111119Hx1 0 0 1H111001110Hx1 0 1 0H000110111Hx1 0 1

18、 1H001100112Hx1 1 0 0H010001113Hx1 1 0 1H100101114Hx1 1 1 0H000111115Hx1 1 1 1H0000000BIxxx x x xL00000002RBIHL0 0 0 0L00000003LTLxx x x xH111111142.4譯碼顯示電路譯碼電路中常用的顯示器有LED（數(shù)碼管）和LCD（液晶顯示器）。這兩種顯示器都具有線路簡單、耗電少、成本低、壽命長等優(yōu)點。本系統(tǒng)輸出結果選用2個LED顯示。數(shù)碼管有共陰共陽之分，本系統(tǒng)采用8段共陰型LED，其原理圖如圖2-5所示。數(shù)碼管部有8個發(fā)光二極管，公共端由8個發(fā)光二極管的陰極并接

19、而成，正常顯示時公共端接低電平(GND)，各發(fā)光二極管是否點亮取決于a-dp各引腳上是否是高電平。 LED數(shù)碼管的外形結構如圖2-4，外部有10個引腳，其中3, 8腳為公共端也稱位選端，其余8個引腳稱為段選端，當要使某一位數(shù)碼管顯示某一數(shù)字(0-9中的一個)必須在這個數(shù)碼管的段選端加上與數(shù)字顯示數(shù)字對應的8位段選碼(也稱字形碼)，在位選端加上低電平即可。由于系統(tǒng)要顯示的容比較簡單，顯示量不多，所以選用數(shù)碼管既方便又經濟。LED有共陰極和共陽極兩種。如圖3-1所示。二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，而共陽極則將發(fā)光二極管的陽極連接在一起，接入+5V的電壓。一位顯示器由8個發(fā)光二極管組成

20、，其中7個發(fā)光二極管構成字型“8”的各個筆劃（段）ag，另一個小數(shù)點為dp發(fā)光二極管。當在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓時，該段筆劃即亮；不加電壓則暗。符號和引腳 共陽極 共陰極圖2-4 LED數(shù)碼管結構圖2-5 譯碼顯示電路當無按鍵閉合時，P1.0-P1.3與P1.4-P1.7之間開路。當有鍵閉合時，與閉合鍵相連的兩條I/O口線之間短路。判斷有無按鍵按下的方法是：第一步，置列線P1.4-P1.7為輸入狀態(tài)，從行線P1.0-P1.3輸出低電平，讀入列線數(shù)據(jù)，若某一列線為低電平，則該列線上有鍵閉合。第二步，行線輪流輸出低電平，從列線P1.4-P1.7讀入數(shù)據(jù)，若有某一列為低電平，則對應行線上有

21、鍵按下。綜合一二兩步的結果，可確定按鍵編號。但是鍵閉合一次只能進行一次鍵功能操作，因此須等到按鍵釋放后，再進行鍵功能操作，否則按一次鍵，有可能會連續(xù)多次進行同樣的鍵操作。由于本顯示電路功能簡單，為使編程簡單，采用直接輸出模式，即把P0.0P0.7端口用8芯排線連接到數(shù)碼顯示模塊區(qū)域中的ah端口上，要求：P0.0對應著a，P0.1對應著b，P0.7對應著h。表2-1 LED顯示段碼字型共陽極段共陰極段字型共陽極段共陰極段0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3B0H4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7

22、DHF84H71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H(本設計所用數(shù)碼管均為共陰極) 7SEG-AN-GRN第3節(jié) 系統(tǒng)的軟件設計3.1 軟件流程圖開始鍵盤值初始化讀列線是否有鍵按下 N延時去抖動 Y讀列是否有按鍵按下 N根據(jù)當前狀態(tài)識別按鍵 Y 顯示鍵值圖3-1 軟件設計流程圖32 系統(tǒng)程序設計 (所用設計語言為C51語言)#include "reg51.h"#include "intrins.h"/* 定義數(shù)組*/ unsigned char code Table =0x00,0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0

23、x06,0x07,0x08,0x09,0x10,0x11,0x12,0x13,0x14,0x15; /015; unsigned int num; unsigned char temp; void delay(unsigned char a) unsigned char b; for(;a>0;a-) for(b=200;b>0;b-);void main() while(1) P1=0x7f; temp=P1; temp&=0x0f; if(temp!=0x0f) delay(50); if(temp!=0x0f) switch(temp) case 0x07: num=

24、0; break; case 0x0b: num=1; break; case 0x0d: num=2; break; case 0x0e: num=3; break; P1=0xbf; temp=P1; temp&=0x0f; if(temp!=0x0f) delay(50); if(temp!=0x0f) switch(temp) case 0x07: num=4; break; case 0x0b: num=5; break; case 0x0d: num=6; break; case 0x0e: num=7; break; P1=0xdf; temp=P1; temp&

25、=0x0f; if(temp!=0x0f) delay(50); if(temp!=0x0f) switch(temp) case 0x07: num=8; break; case 0x0b: num=9; break; case 0x0d: num=10; break; case 0x0e: num=11; break; P1=0xef; temp=P1; temp&=0x0f; if(temp!=0x0f) delay(50); if(temp!=0x0f) switch(temp) case 0x07: num=12; break; case 0x0b: num=13; brea

26、k; case 0x0d: num=14; break; case 0x0e: num=15; break; P0=Tablenum; 結 束 語 通過此次的單片機課程設計，我不僅加深了對單片機理論的理解，深刻懂得了要不斷地時間才能掌握知識，而且還學會了如何去加強鍛煉創(chuàng)新精神，從而不斷地戰(zhàn)勝自己，超越自己。創(chuàng)新，是要我們將理論很好地聯(lián)系實際，并不斷地去開動自己的腦子，從為先到并做到別人沒想到沒做到的事，不斷地超越別人，超越自己；同時，更重要的是，在這一設計過程中，我懂得了堅持不懈，不輕易言棄是每個理工科學子應具備的良好素質。設計過程，也好比是我們的成長的歷程，常有一些不如意的事情發(fā)生，這就對我

27、們提出了挑戰(zhàn)。只要自己堅持，堅持，再堅持，再苦再累也值得。 機遇青睞有準備的人。這個設計過程中，我遇到過許多的考驗，給整個設計帶來的困擾，但最后還是堅持了下來.回頭想想這個設計的過程，我明白了，原來結果并不是那么得重要，我們更應該注重的是過程。 系統(tǒng)以單片機AT89C51為核心部件，單片機系統(tǒng)完成對按鍵信號識別、檢測、處理、顯示等功能，用Proteus軟件繪制電路原理圖，利用C語言編制程序。這個系統(tǒng)設計能讓我們更好地去認識和使用單片機，矩陣式鍵盤，節(jié)約I/O口資源，引腳分配，實時顯示，芯片應用，編程實踐，還有諸如此類的優(yōu)點。參考文獻1 電子工業(yè) . 單片機設計與應用M.2自美.電子線路設計實驗

28、測試.：華中科技大學，20083小忠.單片機實用接口技術子程序.人民郵電，20054閻石.數(shù)字電子技術基礎（第三版）. ：高等教育，20035廖常初.現(xiàn)場總線概述J.電工技術，2001仿真圖#include<reg52.h>#define uchar unsigned char uchar code table=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99, 0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90, 0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E;uchar temp,num;void display(uchar);void delay(uchar a) uchar b; for(;a>0;a-) for(b=200;b>0;b-);void main() while(1) P2=0x7f; temp=P2; temp&=0x0f; if(temp!=0x0f) d