MCS51与键盘显示器的接口设计.pptx

第一节 LED接口原理 常用的LED显示器有LED状态显示器（俗称发光二极管）、LED七段显示器（俗称数码管）和LED十六段显示器。发光二极管可显示两种状态，用于系统状态显示；数码管用于数字显示；LED十六段显示器用于字符显示。1.数码管简介数码管简介 1)数码管结构 数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字0 9、字符A F、H、L、P、R、U、Y、符号“”及小数点“”。数码管的外形结构如下图9-1所示。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构。图图9-12)数码管工作原理 共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起。通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮。根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。3)数码管字形编码 要使数码管显示出相应的数字或字符，必须使段数据口输出相应的字形编码。对照图，字型码各位定义为：数据线D0与a字段对应，D1与b字段对应，依此类推。如使用共阳极数码管，数据为0表示对应字段亮，数据为1表示对应字段暗；如使用共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮。如要显示“0”，共阳极数码管的字型编码应为：11000000B（即C0H）；共阴极数码管的字型编码应为：00111111B（即3FH）。依此类推。2静态显示接口静态显示接口 静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）或接正电源（共阳极）。每个数码管的8个字段分别与一个8位I/O口地址相连，I/O口只要有段码输出，相应字符即显示出来，并保持不变，直到I/O口输出新的段码。采用静态显示方式，较小的电流即可获得较高的亮度，且占用CPU时间少，编程简单，显示便于监测和控制，但其占用的口线多，硬件电路复杂，成本高，只适合于显示位数较少的场合。3动态显示接口动态显示接口动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。通常，各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的位选线（公共阴极或阳极）由另外的I/O口线控制。动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示，必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码。依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符。虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感觉。采用动态显示方式比较节省I/O口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，CPU要依次扫描，占用CPU较多的时间。第二节 键盘接口原理1.键的分类键的分类 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。2输入原理输入原理 在单片机应用系统中，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其它按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。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，将该键号送入累加器ACC，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3按键结构与特点按键结构与特点 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-所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为510 ms。图图9-24.按键编码按键编码 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。5.制键盘程序制键盘程序 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-所示。图图9-3 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。2.立式按键的软件结构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。先独立式按键的软件常采用查询式结构。先逐位查询每根逐位查询每根I/OI/O口线的输入状态，如某一根口线的输入状态，如某一根I/OI/O口线输入为低电平，则可确认该口线输入为低电平，则可确认该I/OI/O口线所口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。能处理程序。矩阵式按键矩阵式按键单片机系统中，若使用按键较多时，通常采用矩阵式（也称行列式）键盘1.矩阵式键盘的结构及原理矩阵式键盘的结构及原理 矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上，其结构如下图9-4所示。由图可知，一个由图可知，一个4444的行、列结构可以构成的行、列结构可以构成一个含有一个含有1616个按键的键盘，显然，在按键数量个按键的键盘，显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多省很多I/OI/O口。口。图图9-4 矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开矩阵式键盘中，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关的两端，行线通过上拉电阻接到5V5V上。当无上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，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相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键关键。然而，矩阵键盘中的行线、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。闭合键的位置。2式键盘按键的识别式键盘按键的识别 识别按键的方法很多，其中，最常见的方法是扫描法。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。3.3.盘的编码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。对于矩阵式键盘，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。4.键盘的工作方式键盘的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)1)编程扫描方式编程扫描方式 编程扫描方式是利用编程扫描方式是利用CPUCPU完成其它工作的空余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。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，在执行键功能程序时，CPUCPU不再响应键输入要求，不再响应键输入要求，直到直到CPUCPU重新扫描键盘为止。重新扫描键盘为止。2)2)定时扫描方式定时扫描方式 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（例次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间（例如如10 ms10 ms）的定时，当定时时间到就产生定时器溢）的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断。出中断。CPUCPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有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。键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。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。第三节 典型的键盘、显示接口电路 在单片机应用系统中，键盘和显示器往往需同时使用，为节省I/O口线，可将键盘和显示电路做在一起，构成实用的键盘、显示电路。图9-5是用8155并行扩展I/O口构成的典型的键盘、显示接口电路。键盘、显示器共用一个接口电路的设计方法除上述方案外，还可采用专用的键盘、显示器接口的芯片8279。图图9-5第四节 可编程键盘/显示器 接口INTEL 8279 INTEL 8279是一种可编程键盘/显示器接口芯片，它含有键盘输入和显示器输出两种功能。键盘输入时，它提供自动扫描，能与按键或传感器组成的矩阵相连，接收输入信息，它能自动消除开关抖动并能对多键同时按下提供保护。显示输出时，它有一个168位显示RAM，其内容通过自动扫描，可由8或16 位LED数码管显示。82798279的引脚和功能的引脚和功能的引脚和功能的引脚和功能82798279的内部结构框图如图的内部结构框图如图9-69-6所示。所示。图图9-6 D0D7：数据总线，双向三态总线。CLK：系统时钟输入端。RESET：系统复位输入端，高电平有效。复位状态为：16个字符显示；编码扫描键盘：双键锁定；程序时钟编程为31。CS：片选输入端，低电平有效。A0：数据选择输入端。A0=1时，CPU写入数据为命令字，读 出状态字为状态字；A0=0时，CPU读、写均为数据。WRWR、RERE：读、写信号输入端，低电平有效。：读、写信号输入端，低电平有效。IRQIRQ：中断请求输出端，高电平有效。：中断请求输出端，高电平有效。A0A0：数据选择输入端。：数据选择输入端。A0=1A0=1时，时，CPUCPU写入数据写入数据为命令字，读出状态字为状态字；为命令字，读出状态字为状态字；A0=0A0=0时，时，CPUCPU读、写均为数据。读、写均为数据。WRWR、RERE：读、写信号输入端，低电平有效。：读、写信号输入端，低电平有效。IRQIRQ：中断请求输出端，高电平有效。：中断请求输出端，高电平有效。SL0SL0SL3SL3：扫描输出端，用于扫描键盘和显示：扫描输出端，用于扫描键盘和显示器。可编程设定为编码（器。可编程设定为编码（4 4中选中选1 1）或译码输出）或译码输出（1616选选1 1）。）。RL0RL0RL7RL7：回复线，它们是键盘或传感器的列：回复线，它们是键盘或传感器的列信号输入端。信号输入端。SHIFT SHIFT：移位信号输入端，高电平有效。它是：移位信号输入端，高电平有效。它是82798279键盘数据的次高位（键盘数据的次高位（D6D6），通常用作键盘上、下档），通常用作键盘上、下档功能键。在传感器和选通方式中，功能键。在传感器和选通方式中，SHIFTSHIFT无效。无效。CNTL/STBCNTL/STB：控制：控制/选通输入端，高电平有效。在键选通输入端，高电平有效。在键盘工作方式时，它是键盘数据的最高位，通常用作盘工作方式时，它是键盘数据的最高位，通常用作控制键。在选通输入方式时，它的上升沿可把来自控制键。在选通输入方式时，它的上升沿可把来自RL0RL0 RL7RL7的数据存入的数据存入FIFO/FIFO/传感器传感器RAMRAM中。在传感中。在传感器方式时，它无效。器方式时，它无效。OUTA0OUTA0OUTA3OUTA3：A A组显示信号输出端。组显示信号输出端。OUTB0OUTB0OUTB3OUTB3：B B组显示信号输出端。组显示信号输出端。BDBD：显示熄灭输出端，低电平有效。它在数字切换：显示熄灭输出端，低电平有效。它在数字切换显示或使用熄灭命令时关显示。显示或使用熄灭命令时关显示。8279的工作方式的工作方式 8279工作方式的确定是通过CPU对8279送入命令字实现的。当数据选择端A0置“1”时，CPU对8279写入的数据为命令字，读出的数据为状态字。在叙述命令字、状态字前，先说明8279的几种工作方式。1 1）键盘的工作方式）键盘的工作方式 通过对键盘通过对键盘/显示方式命令字的设置，可置为显示方式命令字的设置，可置为双键互锁方式和双键互锁方式和N N键巡回方式。键巡回方式。双键互锁双键互锁 双键锁定是为两键同时按下提供的保护方法。双键锁定是为两键同时按下提供的保护方法。若有两键或多个键同时按下，则无论这些键是以若有两键或多个键同时按下，则无论这些键是以什么次序按下的，它只识别最后一个释放的键，什么次序按下的，它只识别最后一个释放的键，并把该键值送入并把该键值送入FIFO/FIFO/传感器传感器RAMRAM中。中。N N键巡回键巡回 N N键键巡巡回回是是为为N N个个键键同同时时按按下下时时提提供供的的保保护护方方法法。若若有有多多个个键键同同时时按按下下时时，键键盘盘扫扫描描能能按按按按键键先后顺序依次将键值送入先后顺序依次将键值送入FIFO/FIFO/传感器传感器RAMRAM中。中。2)显示器工作方式 通过对键盘/显示方式命令字和写显示RAM命令字的设置，显示数据写入显示缓冲器时可置为左端送入和右端送入两种方式。左端送入为依次填入方式，右端送入为移位方式。8279的命令格式和命令字的命令格式和命令字 8279共有8条命令字和一条状态字，分别控制其工作方式和工作状态。