基于单片机控制的矩阵键盘显示专业系统设计.doc

课程设计阐明书

单片机原理与接口技术

专业
建筑电气与智能化
学生姓名
葛益新
班级
BD电建101
学号

指引教师
吴冬春
完毕日期
1月 17日

目 录
一 理论某些 1
1课题规定与内容 1
2 系统方案设计 1
3 系统硬件设计 1
3.1 STC89C51特性.............................................................................................2
3.2 STC89C51内部构造框图.............................................................................2
3.3 STC89C51管脚图，实物图.........................................................................3
3.4 I/O口各种不同工作模式及配备简介......................................................3
3.5I/O线..............................................................................................................3  
3.6单片机最小系统........................................................................................... 4
3.7矩阵键盘系统设计........................................................................................5
3.8数码管显示电路............................................................................................6
3.9数码管与单片机连接电路........................................................................7
4 系统软件设计..................................................................................................................8
5.仿真图片...........................................................................................................................9
6.设计小结..........................................................................................................................10
7.参照文献..........................................................................................................................11
三 附录 ......................................................................................................................................................12

一 理论某些
理论设计课题名称：基于单片机控制矩阵键盘显示系统设计
1课题规定与内容
以51为核心STC89C51单片机为控制芯片，设计制作数码管显示电路，矩阵键盘电路，单片机最小系统电路。
通过程序控制4*4矩阵键盘，通过单片机解决之后显示在数码管上，当按下键盘上任意一种键时候，数码管上会显示相应数字。由于本系统采用是单位数码管，因此咱们这边用十六进制表达。
设计软件系统和硬件系统，画出硬件系统图和PCB图，最后制作PCB板，满足本次课程设计规定。
2 系统方案设计
本设计是由4*4矩阵键盘，晶振电路，8051单片机，复位电路，数码显示电路等构成，矩阵键盘通过软件来控制8051单片机从来变化数码显示屏上数字，其构成框图如下所示：

图1 系统框图
3 系统硬件设计
本次选用是以51为核心STC89C51单片机为主控芯片。此款单片机是STC推出新一代高速/低功耗/超强抗干扰单片机，指令代码完全兼容老式8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任选，HD版本 8051单片机MAX810专用复位电路。
3.1 STC89C51特性
1. 增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机 器周期可任意选取指令代码完全兼容老式8051
2. 工作电压：5.5V - 3.3V (5V单片机) / 3.8V - 2.0V (3V单片机)
3. 工作频率范畴：0～40MHz，相称于普通8051 0～80MHz，实际工作频率可达48MHz.
4. 顾客应用程序空间：4K / 8K / 13K / 16K / 32K / 64K字节
5. 片上集成1280字节􁡆或512字节RAM
6. 通用I/O口(35/39个)，复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉(普通8051老式I/O口)􀋗；P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
7. ISP（在系统可编程）/ IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（RxD/P3.0，TxD/P3.1）直接下载顾客程序，数秒即可完毕一片
8. 有EEPROM功能
9. 看门狗
10.内部集成MAX810专用复位电路(HD版本和90C版本才有) ，外部晶体20M如下时，可省外部复位电路。
11.共3个16位定期器/计数器，其中定期器0还可以当成2个8位定期器使用。
12.外部中断4路,下降沿中断或低电平触发中断，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒􀇄。
13. 通用异步串行口(UART)，还可用定期器软件实现各种UART
14. 工作温度范畴：-40 ~ +85℃(工业级) / 0 ~ 75℃(商业级)
15. 封装：LQFP-44,PDIP-40,PLCC-44,PQFP-44.
3.2 STC89C51内部构造框图

图2 内部构造图
3.3 STC89C51管脚图，实物图

图3 STC89C51管脚图　 图4 STC89C51实物图
3.4 I/O口各种不同工作模式及配备简介
STC89C51RC/RD+系列单片机所有I/O口均(新增P4口)有3种工作类型：
准双向口/弱上拉（原则8051输出模式）、仅为输入（高阻）或开漏输出功能。
STC89C51RC/RD+系列单片机P1/P2/P3/P4上电复位后为准双向口/弱上拉（老式8051I/O口）模式P0口上电复位后是开漏输出。P0口作为总线扩展用时不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加10K-4.7K上拉电阻。
STC89C51RC/RD+ 5V单片机P0口灌电流最大为12mA,其她I/O口灌电流最大为6mA。
STC89LE51RC/RD+3V单片机P0口灌电流最大为8mA，其她I/O口灌电流最大为4mA。
1. ALE/PROG:地址锁存容许/片内EPROM编程脉冲        
 ① ALE功能：用来锁存P0口送出低8位地址 
 ② PROG功能：片内有EPROM芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。  
2.  PSEN:外ROM读选通信号。
3.  RST/VPD:复位/备用电源。  
 ① RST（Reset）功能：复位信号输入端。② VPD功能：在Vcc掉电状况下，接备用电源。  
4. EA/Vpp:内外ROM选取/片内EPROM编程电源。          
① EA功能：内外ROM选取端。  
  ② Vpp功能：片内有EPROM芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp  
3.5 I/O线  
80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具备第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。
3.6单片机最小系统
要使单片机工作，必要提供复位电路和晶体振荡电路，即构成单片机最小应用系统，使其正常工作。采用复位办法是自动复位，单片机复位满足条件为：RST引脚上浮现10ms(T=RC)以上高电平，因此当电容值取C=10UF时，电阻R=10K才会满足规定。晶振选用12MHZ。

图5 最小系统图

⒈ 电源: 
⑴ 单片机40脚接VCC - 芯片电源，接+5V；  
⑵ 单片机20脚接地 - 接地端；
⒉ 时钟: 
XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。
3.晶振电路
晶振是为电路提供频率基准元器件，普通提成有源晶振和无源晶振两个大类，无源晶振普通信号质量和精度较差，需要精准匹配外围电路（电感、电容、电阻等），如需更换晶振时要同步更换外围电路。有源晶振不需要芯片内部振荡器，可以提供高精度频率基准，信号质量也较无源晶振要好。本设计选用有源晶振，晶振电路如图所示

图6 晶振电路

4.复位电路
为了保证系统中电路稳定可靠地工作，复位电路是必不可少一某些，复位电路第一功能是上电复位。普通单片机电路正常工作需要供电5V±5%，即4.75～5.25V。由于系统电路是时序数字电路，它需要稳定期钟信号，因而在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，系统电路开始正常工作。复位电路如图所示

图7 复位电路

3.7矩阵键盘系统设计
矩阵键盘又称行列键盘，它是四条I/O线作为行线，四条I/O线作为列线构成键盘。在行线和列线每个交叉点上设立一种按键。这样键盘上个数就为*4个。这种行列式键盘构造能有效地提高单片机系统中I/O口运用率。 
独立键盘具备编程简朴但占有I/O口资源特点，不适合在按键较多场合应用。在实际应用中经常要用到输入数字、字母等功能，如电子密码锁、电话机键盘等普通都至少有12到16个按键，在这种状况下如果用独立按键话显然太挥霍I/O口资源，为此咱们就有必要使用矩阵键盘了。
普通由16个按键构成在单片机中正好可以用一种P口实现16个按键功能，这也是在单片机系统中最惯用形式，本设计就采用这个键盘模式。

图8 矩阵键盘电路

3.8数码管显示电路
LED(Light Emiting Diode)是发光二极管缩写。LED数码管里面有8只发光二极管，与实验板P1端口所接二极管是相似。分别记作a﹑b﹑c﹑d﹑e﹑f﹑g﹑dp其中dp为小数点，每一只发光二极管均有一根电极引到外部引脚上，而此外一只引脚就连接在一起同样也引到外部引脚上，记作公共端（COM），如图5-8所示，而图5-9为实物图，其中引脚排列因不同厂商而有所不同。

图9 数码管管脚图 图10 数码管实物图
市面上惯用LED数码管有两种，分为共阳极与共阴极。共阳极：当数码管里面发 光二极管阳极接在一起作为公共引脚，在正常使用时此引脚接电源正极。当发光二极管阴极接低电平时，发光二极管被点亮，从而相应数码段显示。而输入高电平段则不能点亮。相反，共阴极：当数码管里面发光二极管阴极接在一起作为公共引脚，在正常使用时此引脚接电源负极。当发光二极管阳极接高电平时，发光二极管被点亮，从而相应数码段显示，而输入低电平段则不能点亮。

图11 共阳共阴，数码管原理图

3.9数码管与单片机连接电路

图12 数码管与单片机借口连接电路

4 系统软件设计

图13 软件系统图
、

5.仿真图片

图14 仿真图（未开始仿真）

图15 仿真图（开始仿真）

6.设计小结
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力重要环节,是对学生实际工作能力详细训练和考察过程.随着科学技术发展日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃领域， 在生活中可以说得是无处不在。因而作为21世纪大学来说掌握单片机开发技术是十分重要。回顾起本次单片机课程设计，至今我仍感触颇多，确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到诸多诸多东西，同步不但可以巩固了此前所学过知识，并且学到了诸多在课本上所没有学到过知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要，只有理论知识是远远不够，只有把所学理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才干真正为社会服务，从而提高自己实际动手能力和独立思考能力。在设计过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做，难免会遇到过各种各样问题，同步在设计过程中发现了自己局限性之处，对此前所学过知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把此前所学过知识重新温故。 这次课程设计终于顺利完毕了，在设计中遇到了诸多编程问题，最后在梁强教师辛勤指引下，终于游逆而解。同步，在教师身上我学得到诸多实用知识，在次我表达感谢！同步，对给过我协助所有同窗和各位指引教师再次表达忠心感谢。

7.参照文献
[1] 冯育长 .单片机系统设计与实例分析.[M].西安：西安电子科技大学出版社，
[2] 晁阳. 单片机MCS-51原理及应用开发教程[M].北京：清华大学出版社，.
[3] 黄惟公，邓成中，王燕. 单片机原理与应用技术[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，
[4] 张萌，和湘，姜斌. 单片机应用系统开发综合实例[M]. 北京:清华大学出版社，
[5] 张大明. 单片机控制实训指引及综合应用实例[M].北京：清华大学出版社，
[6] 张齐，朱宁西. 单片机应用系统设计技术—基于C51Proteus仿真 [M].北京：化学工业出版社，.
[7] 沈光斌，刘冬，姚志成.单片机系统实用抗干扰设计.[M].北京：人民邮电出版社，

8.附录
#include <reg51.h>
#include <intrins.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
uchar num,temp;
void DelayM(uint x)//延时子程序
{
uchar t;
while(x--)
{
for(t=0;t<120;t++);
}
}
kscan(void)//键盘扫描子程序
{
uchar i,temp,num=16;
for(i=0;i<4;i++)
{
P1=_crol_(0xfe,i)； //逐行扫描
temp=P1；//读取键值
temp=temp & 0xf0;//屏蔽低4位行值
if(temp!=0xf0)//高四位列值不全为1，阐明有键按下，延时去抖动
{
DelayM(20);
temp=P1;
temp=temp & 0xf0；
if(temp!=0xf0)
{
temp=P1;
switch(temp)//依照按键所在行与列位置拟定键号
{
case 0xee:num=0;break;
case 0xde:num=1;break;
case 0xbe:num=2;break;
case 0x7e:num=3;break;

case 0xed:num=4;break;
case 0xdd:num=5;break;
case 0xbd:num=6;break;
case 0x7d:num=7;break;

case 0xeb:num=8;break;
case 0xdb:num=9;break;
case 0xbb:num=10;break;
case 0x7b:num=11;break;

case 0xe7:num=12;break;
case 0xd7:num=13;break;
case 0xb7:num=14;break;
case 0x77:num=15;break;
default:break；
}
while((temp & 0xf0)!=0xf0) // 等待按键释放
{
temp=P1;temp=temp & 0xf0;

}
}
}
}
return num;
}
void main()
{
int num;
P2=0x00； //关闭数码管段选
while(1)
{
num=kscan();
switch(num)//依照按键号进行显示
{
case 0： P2=0x3F;break;
case 1： P2=0x06;break;
case 2： P2=0x5B;break;
case 3： P2=0x4F;break;
case 4： P2=0x66;break;
case 5： P2=0x6D;break;
case 6： P2=0x7D;break;
case 7： P2=0x07;break;
case 8： P2=0x7F;break;
case 9： P2=0x6F;break;
case 10： P2=0x77;break;
case 11： P2=0x7C;break;
case 12： P2=0x39;break;
case 13： P2=0x5E;break;
case 14： P2=0x79;break;
case 15： P2=0x71;break;
default：break;
}
}
}