2022年单片机原理与接口技术.ppt

10章 单片机接口技术,单片机原理与接口技术 第10章,10.1 键盘的工作原理,10.1.1,按键的分类,按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。,1012按键结构与特点,微机键盘通常使用机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的TTL逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。,机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如图10.1所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5,10 ms。,图10.1 按键触点的机械抖动,在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错，即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施。这一点可从硬件、软件两方面予以考虑。在键数较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖。,在硬件上可采用在键输出端加R-S触发器(双稳态触发器)或单稳态触发器构成去抖动电路。图10.2是一种由R-S触发器构成的去抖动电路，当触发器一旦翻转，触点抖动不会对其产生任何影响。,图10.2 硬件去抖电路图,电路工作过程如下：按键未按下时，a=0，b=1，输出Q=1。按键按下时，因按键的机械弹性作用的影响，使按键产生抖动。当开关没有稳定到达b端时，因与非门2输出为0反馈到与非门1的输入端，封锁了与非门1，双稳态电路的状态不会改变，输出保持为1，输出Q不会产生抖动的波形。,当开关稳定到达b端时，因a=1，b=0，使Q=0，双稳态电路状态发生翻转。当释放按键时，在开关未稳定到达a端时，因Q=0，封锁了与非门2，双稳态电路的状态不变，输出Q保持不变，消除了后沿的抖动波形。当开关稳定到达a端时，因a=0，b=0，使Q=1，双稳态电路状态发生翻转，输出Q重新返回原状态。由此可见，键盘输出经双稳态电路之后，输出已变为规范的矩形方波。,当相应的数据位为1时，该段点亮，否则不亮。,与左移指令类似，但所做移动为自左向右(从第8位向第1位)移动，移动后，最左边一位为空。,当无需用到全部8个数码管显示的时候，将不用的位设为消隐,P2=0;TMOD=0 x01;,与循环左移指令类似，但移动方向相反。,为位地址，具体分配如表10.,因此，可采用依次排列键号的方式对按排进行编码。,#include reg51.,unsigned char sign=0 x01,i,index=0;,独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。,当释放按键时，在开关未稳定到达a端时，因Q=0，封锁了与非门2，双稳态电路的状态不变，输出Q保持不变，消除了后沿的抖动波形。,由于中断返回后要经过10 ms后才会再次中断，相当于延时了10 ms，因此，程序无须再延时。,按键按下时，因按键的机械弹性作用的影响，使按键产生抖动。,2是一种由R-S触发器构成的去抖动电路，当触发器一旦翻转，触点抖动不会对其产生任何影响。,当相应的数据位为1时，该段点亮，否则不亮。,软件上采取的措施是：在检测到有按键按下时，执行一个10 ms左右（具体时间应视所使用的按键进行调整）的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态。同理，在检测到该键释放后，也应采用相同的步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。,按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。,全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路。这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵，其它工作均由软件完成。由于其经济实用，较多地应用于单片机系统中。下面将重点介绍非编码键盘接口。,按键编码,一组按键或键盘都要通过I/O口线查询按键的开关状态。根据键盘结构的不同，采用不同的编码。无论有无编码，以及采用什么编码，最后都要转换成为与累加器中数值相对应的键值，以实现按键功能程序的跳转。,对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与CPU相连。CPU可以采用查询或中断方式了解有无将键输入，并检查是哪一个键按下，然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完后再返回主程序。,编制键盘程序,一个完善的键盘控制程序应具备以下功能：,(1)检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施，消除键盘按键机械触点抖动的影响。,(2)有可靠的逻辑处理办法。每次只处理一个按键，其间对任何按键的操作对系统不产生影响，且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序。,(3)准确输出按键值（或键号），以满足跳转指令要求。,独立式按键,单片机控制系统中，往往只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。,1.独立式按键结构,独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。独立式按键的典型应用如图10.3所示。,独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。,图10.3 独立式按键电路,2.,独立式按键的软件结构,独立式按键的软件常采用查询式结构。先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。图10.4中的I/O口采用P1口，请读者自行编制相应的软件。,例：独立式键盘实验,#include,unsigned char code num=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07;,void Delay_ms(unsigned char nMs)/毫秒级的延时65535ms,unsigned char n=0;,TR0=1;,while(nnMs)/利用T0做定时计数器，循环采样，直到达到定时值,TH0=0;TL0=20;,while(TH04),n+;,TR0=0;,void main(),unsigned char sign=0 x01,i,index=0;,P2=0;TMOD=0 x01;,while(1),index=-1;,if(P1!=0 xff),Delay_ms(20);,if(P1!=0 xff),for(i=0;i8;i+),index+;,if(!(P1&(signi),P2=numindex;,break;,10.3,行列式键盘,单片机系统中，若使用按键较多时，通常采用行列式键盘。,10.3.1行列式键盘的工作原理,行列式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上，其结构如图10.4所示。,由图可知，一个44的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘，显然，在按键数量较多时，行列式键盘较之独立式按键键盘要节省很多I/O口。,图10.4 行列式键盘结构,行列式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，行列式键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。,10.3.2按键的识别,识别按键的方法很多,，,其中,，,最常见的方法是扫描法。下面以图10.5中8号键的识别为例来说明扫描法识别按键的过程。,按键按下时，与此键相连的行线与列线导通，行线在无键按下时处在高电平。显然，如果让所有的列线也处在高电平，那么，按键按下与否不会引起行线电平的变化，因此，必须使所有列线处在低电平。只有这样，当有键按下时，该键所在的行电平才会由高电平变为低电平。CPU根据行电平的变化，便能判定相应的行有键按下。8号键按下时，第2行一定为低电平。然而，第2行为低电平时，能否肯定是8号键按下呢？,回答是否定的，因为9、10、11号键按下，同样会使第2行为低电平。为进一步确定具体键，不能使所有列线在同一时刻都处在低电平，可在某一时刻只让一条列线处于低电平，其余列线均处于高电平，另一时刻，让下一列处在低电平，依此循环，这种依次轮流每次选通一列的工作方式称为键盘扫描。采用键盘扫描后，再来观察8号键按下时的工作过程，当第0列处于低电平时，第2行处于低电平，而第1、2、3列处于低电平时，第2行却处在高电平，由此可判定按下的键应是第2行与第0列的交叉点，即8号键。,键盘的编码,对于独立式按键键盘，因按键数量少，可根据实际需要灵活编码。对于行列式键盘，按键的位置由行号和列号惟一确定，因此可分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。,如图10.5中的8号键，它位于第2行，第0列，因此，其键盘编码应为20H。采用上述编码对于不同行的键离散性较大，不利于散转指令对按键进行处理。因此，可采用依次排列键号的方式对按排进行编码。以图10.5中的44键盘为例，可将键号编码为：01H、02H、03H、0EH、0FH、10H等16个键号。编码相互转换可通过计算或查表的方法实现。,10.3.3.键盘工作方式,对键盘的响应取决于键盘的工作方式，键盘的工作方式应根据实际应用系统中CPU的工作状况而定，其选取的原则是既要保证CPU能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。通常，键盘的工作方式有三种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。,1)编程扫描方式,编程扫描方式是利用CPU完成其它工作的空余时间，调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。,键盘扫描程序一般应包括以下内容：,(1)判别有无键按下。,(2)键盘扫描取得闭合键的行、列值。,(3)用计算法或查表法得到键值。,(4)判断闭合键是否释放，如没释放则继续等待。,(5)将闭合键键号保存，同时转去执行该闭合键的功能。,2)定时扫描方式,定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间（例如10 ms）的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断。CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。定时扫描方式的硬件电路与编程扫描方式相同，程序流程图如图10.5所示。,图10.5 定时扫描方式程序流程图,图10.5中，标志1和标志2是在单片机内部RAM的位寻址区设置的两个标志位，标志1为去抖动标志位，标志2为识别完按键的标志位。初始化时将这两个标志位设置为0，执行中断服务程序时，首先判别有无键闭合，若无键闭合，将标志1和标志2置0后返回；,若有键闭合，先检查标志1，当标志1为0时，说明还未进行去抖动处理，此时置位标志1，并中断返回。由于中断返回后要经过10 ms后才会再次中断，相当于延时了10 ms，因此，程序无须再延时。,下次中断时，因标志1为1，CPU再检查标志2，如标志2为0说明还未进行按键的识别处理，这时，CPU先置位标志2，然后进行按键识别处理，再执行相应的按键功能子程序，最后，中断返回。如标志2已经为1，则说明此次按键已做过识别处理，只是还未释放按键。当按键释放后，在下一次中断服务程序中，标志1和标志2又重新置0，等待下一次按键。,3)中断扫描方式,采用上述两种键盘扫描方式时，无论是否按键，CPU都要定时扫描键盘，而单片机应用系统工作时，并非经常需要键盘输入，因此，CPU经常处于空扫描状态。,为提高CPU工作效率，可采用中断扫描工作方式。其工作过程如下：当无键按下时，CPU处理自己的工作，当有键按下时，产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。,P1.3是扫描输入线。图中的4输入与门用于产生按键中断，其输入端与各列线相连，再通过上拉电阻接至+5 V电源，输出端接至8051的外部中断输入端。,具体工作如下：,当键盘无键按下时，与门各输入端均为高电平，保持输出端为高电平；当有键按下时，端为低电平，向CPU申请中断，若CPU开放外部中断，则会响应中断请求，转去执行键盘扫描子程序。,图10.6 中断扫描键盘电路,行列式键盘输入实验,P1口接44键盘作为输入，P2口输出。按下0号键数码管显示0，按下1号键数码管按下时显示1，以此类推。,10.4 键盘、显示接口芯片HD7279A,HD7279A是比高公司生产的单片具有串行接口、可同时驱动位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，该芯片同时可连接多达64键的键盘矩阵，一片即可完成LED显示及键盘接口的全部功能。,HD7279A内部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式。此外，还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。,图10-7,HD7279A,引脚,排列图,表10.1 HD7279A引脚功能,图10.8 HD7279A典型应用电路,HD7279A的控制指令分为二大类：纯指令和带有数据的指令。,纯指令,1,复位”清除”指令A4H,表10.2 复位”清除”指令,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,1,0,1,0,0,1,0,0,当HD7279A收到该指令后，将所有的显示清除，所有设置的,字符消隐、闪烁等属性也被一起清除。执行该指令后，芯片,所处的状态与系统上电后所处的状态一样。,2,测试指令BFH,该指令使所有的LED全部点亮，并处于闪烁状态，主要用于测试。,表10.3 测试指令,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,1,0,1,1,1,1,1,1,4、右移指令AOH,与左移指令类似，但所做移动为自左向右(从第8位向第1位)移动，移动后，最左边一位为空。,表10.5 右移指令,5、循环左移指令A3H,与左移指令类似，不同之处在于移动后原最左边一位(第8位)的内容显示于最右位(第1位)。,6、循环右移指令A2H,与循环左移指令类似，但移动方向相反。,表10.6 循环右移指令,带有数据的指令,下载数据且按方式,0,译码，,X,无影响,表10.7 带有数据的指令,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,1,0,0,0,0,a2,a1,a0,dp,X,X,X,d3,d2,d1,d0,命令由一个字节组成，前半部分为指令，其中a2,a1,a0,为位地址，具体分配如表10.7 所示,表10.8 a2,a1,a0为位地址的显示,小数点的显示由DP位控制，DP=1时，小数点显示，DP=0时，小数点不显示。,下载数据且按方式,1,译码，,X,无影响,表10.9 下载数据且按方式1译码,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,1,1,0,0,1,a2,a1,a0,dp,X,X,X,d3,d2,d1,d0,规则(译码方式0)进行译码,表10.10 HD7279A十六进制的7段显示,d3-d0(十六进制),d3,d2,d1,d0,7段显示,00H,0,0,0,0,0,01H,0,0,0,1,1,02H,0,0,1,0,2,03H,0,0,1,1,3,04H,0,1,0,0,4,05H,0,1,0,1,5,06H,0,1,1,0,6,07H,0,1,1,1,7,08H,1,0,0,0,8,09H,1,0,0,1,9,0AH,1,0,1,0,-,0BH,1,0,1,1,E,0CH,1,1,0,0,H,0DH,1,1,0,1,L,0EH,1,1,1,0,P,0FH,1,1,1,1,空(无显示),说明,此指令与上一条指令基本相同，所不同的是译码方式，该指令的译码按下表进行:,表10.11 十六进制的7段显示,3、下载数据但不译码,表10.12 对应7段LED数码管的各段,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,1,0,0,1,0,a2,a1,a0,H,A,B,C,D,E,F,G,其中，a2，a1,a0为位地址(参见下载数据且译码指令)，A-G和H为显示数据，分别对应7段LED数码管的各段。数码管各段的定义见下图。当相应的数据位为1时，该段点亮，否则不亮。,4、闪烁控制88H,此命令控制各个数码管的闪烁属性。d1-d8分别对应,数码管1-8,0闪烁，1不闪烁。开机后，缺省的状态为,各位均不闪烁。,表10.13 闪烁控制指令,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,1,0,0,0,1,0,0,0,D8,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,4、消隐控制98H,此命令控制各个数码管的消隐属性。d1-d8分别对应数码管,1-8,1显示，0消隐。当某一位被赋予了消隐属性后，,HD7279A在扫描时将跳过该位，因此在这种情况下无论对该,位写入何值，均不会被显示，但写入的值将被保留，在将该,位重新设为显示状态后，最后一次写入的数据将被显示出来。,当无需用到全部8个数码管显示的时候，将不用的位设为消隐,属性，可以提高显示的亮度。,表10.14 消隐控制指令,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,1,0,0,1,1,0,0,0,D8,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,注意:至少应有一位保持显示状态，如果消隐控制指令中,d1-d8全部为0，该指令将不被接受，HD7279A保持原来,的消隐状态不变。,6、段关闭指令C0H,段寻址命令，作用为关闭(熄灭)数码管中的某一段，指令结构与段点亮指令相同。,表10.16 段关闭指令,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,1,1,0,0,0,0,0,0,X,X,D5,D4,D3,D2,D1,D0,7、读键盘数据指令15H,表10.17 读键盘数据指令,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,0,0,0,1,0,1,0,1,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,该指令从HD7279A读出当前的按键代码。与其它指令不同，此命令的前一个字节00010101B为微控制器传送到HD7279A的指令，而后一个字节d0-d7则为HD7279A返回的按键代码，其范围是0-3FH(无键按下时为0 xFF)。,串行接口,HD7279A采用串行方式与微处理器通讯，串行数据从DATA引脚送入芯片，并由CLK端同步。当片选信号变为低电平后，DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入HD7279A的缓冲寄存器。,HD7279A的指令结构有二种类型:,1、不带数据的纯指令，指令的宽度为8个BIT，即微处理器需发送8个CLK脉冲。,2、带有数据的指令，宽度为16个BIT，即微处理器需发送16个CLK脉冲。,1、纯指令,串行接口纯指令的时序如图10.9所示:,图10.9 串行接口纯指令的时序,2、读键盘指令,串行接口读键盘指令的时序如图10.10所示:,图10.10 串行接口读键盘指令的时序,第10章结束,