4×4矩阵式键盘识别显示电路的设计.pdf

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1、学学院：物理与电子工程学院院：物理与电子工程学院专专业：自动化业：自动化班班级：级：1313 级级 7 7 班班学学号：号：1300622073013006220730姓姓名：梁检满名：梁检满指导教师：马世榜指导教师：马世榜日日期：期：20132013 年年 1212 月月 3131 日日单片机大作业目录目录目录1 引言 . 12 设计方案 . 22.1 4*4 矩阵式键盘概述 . 22.2 设计要求 . 22.3 设计思想 . 23 硬件电路设计 . 33.1 单片机控制系统原理 . 332 单片机主机系统电路 . 33.2.1 时钟电路 . 73.2.2 复位电路 . 73.2.3 单片机

2、最小系统 . 73.3 译码显示电路 . 84 软件设计 . 114.1 软件流程图 . 114.2 源程序 . 115 总电路原理图 . 18参考文献 . 19I单片机大作业引言1 1 引言引言电子信息行业将是人类社会的高科技行业之一，是设施现代化的基础，也是人类通往科技巅峰的直通车。电子行业的发展很重要，而计算机技术是现代科技发展的重要组成部分。矩阵式键盘控制系统可以提高效率，是进行按键操作管理的有效方法，它可以提高系统准确性，有利于资源的节约，降低对操作者本身的要求。并能正确、实时、高效地显示按键信息，以提高工作效率和资源利用率。矩阵式键盘是当今使用最为广泛的键盘模式， 该系统以N个端口

3、连接控制N*N个按键，并通过单片机，显示在 LED 数码管上。单片机控制键盘显示系统，可以对不同的按键进行实时显示， 其核心是单片机、 键盘矩阵电路和数码管显示电路。4*4 矩阵式键盘以 AT89C51 单片机为核心，主要由矩阵式键盘电路、显示电路等组成，软件选用 C 语言编程。单片机将检测到的按键信号转换成数字量，显示于LED 显示器上。该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，广泛应用于各种场合。1单片机大作业设计方案2 2 设计方案设计方案2.1 4*42.1 4*4 矩阵式键盘概述矩阵式键盘概述矩阵式键盘又称行列键盘， 它是用 N 条 I/O 线作为行线， N 条 I/O 线作为列线组成的键

4、盘。在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。这样既降低了成本，又提高了精确度，省下了很多的 I/O 端口为他用，相反，独立式按键虽编程简单，但占用 I/O 口资源较多，不适合在按键较多的场合应用。并且在实际应用中经常要用到输入数字、字母、符号等操作功能，如电子密码锁、电话机键盘、计算器按键等，至少都需要 12 到 16 个按键，在这种情况下如果用独立式按键的话，显然太浪费 I/O 端口资源，为了解决这一问题，就使用矩阵式键盘。最常见的键盘布局如图 2-1 所示。 一般由 16 个按键组成， 在单片机中正好可以用一个 P 口实现16 个按键功能，这也是在单片机系统中最常用的形式。 能实时在 LE

5、D 数码管上显示按键信息。显示按键信息，F FE ED DB BA A9 97 76 65 53 32 21 1图2-1 键盘布局2.22.2 设计要求设计要求单片机的 P1 口的 P1.0P1.7 连接 44 矩阵键盘，P0 口控制一只数码管，当 44 矩阵键盘中的某一按键按下时，数码管上显示对应的键号。例如， 1 号键按下时，数码管显示“1” ， 14 号键按下时，数码管显示“E”等等。2.32.3 设计思想设计思想程序中将 AT89C51 单片机的引脚置高电平，单片机通过读取 IO 引脚的电平，在根据读取的数据去查找数组中相应的按键值， 然后在送到数码管也就是 P0 口去显示.( AT8

6、9C51 单片机通过 IO 口来读取键盘的电平，再通过程序来查找对应的数值，在送到数码管去显示)。需要设备如下AT89C51 单片机：处理设备LED 数码管 :输出设备4X4 矩阵键盘：输入设备2单片机大作业硬件电路设计3 3 硬件电路设计硬件电路设计3.13.1 单片机控制系统原理单片机控制系统原理图 3-1 单片机控制系统原理框图3 32 2 单片机主机系统电路单片机主机系统电路AT89C51 单片机是 51 系列单片机的一个成员，是 8051 单片机的简化版。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、 高性能COMS八位微处理器， 与IntelMCS-51 系列单片机的指令和输出管

7、脚相兼容。 由于将多功能八位 CPU 和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051 构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM 和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。AT89C51AT89C51AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器（ FPEROM Flash Programmable andErasable Read Only Memory ）的低电压、高性能CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读

8、存储器可以反复擦除1000 次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C2051 是它的一种精简版本。 AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示3单片机大作业硬件电路设计图 3-2 外形及引脚排列主要特性：与 MCS-51 兼容4K 字节可编程 FLASH 存储器寿命： 1000 写/擦循环数据保留时间： 10 年全静态工作： 0Hz-24MHz三级程序存储器锁定1

9、288 位内部 RAM32 可编程 I/O 线两个 16 位定时器 /计数器5 个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路管脚说明：管脚说明：VCCVCC：供电电压。GNDGND：接地。P0P0 口口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当P0 口的管脚第一次写1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。4单片机大作业硬件电路设计P1P1 口口：P1 口是一

10、个内部提供上拉电阻的8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。P2P2 口口：P2 口为一个内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或16 位地址外部数据存储器进行存取

11、时， P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势， 当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3P3 口口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD （串行输入口）P3.1 TXD （串行输

12、出口）P3.2 /INT0 （外部中断 0）P3.3 /INT1 （外部中断 1）P3.4 T0 （记时器 0 外部输入）P3.5 T1 （记时器 1 外部输入）P3.6 /WR （外部数据存储器写选通）P3.7 /RD （外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RSTRST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROGALE/PROG ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端5单片机大作业硬件电路设计以不变的频率周期输出正

13、脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE 禁止，置位无效。/PSEN/PSEN ：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时， 这两次有效的 /PSEN信号将不出现。/EA/VPP/EA/VPP ： 当/EA 保持低电平时，则在此期

14、间外部程序存储器 （0000H-FFFFH ） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ VPP）。XTAL1XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性振荡器特性 : : XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此

15、对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。图 3-3单片机主机系统图6单片机大作业硬件电路设计3.2.13.2.1 时钟电路时钟电路时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到:内部振荡和外部振荡。MCS-51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器， 引脚 XTALl 和 XTAL2 分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式， 如图 3-3 所示在其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英

16、晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图 3-3 中外接晶体以及电容 C2 和 C3 构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值为 30pF 左右，晶振频率选 11.0592MHz 。3.2.23.2.2 复位电路复位电路为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须利用复位电路，复位后可使 CPU 及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要 RST 引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平， 即可引起系统复位， 但如果 RST 引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。 复位后系统将

17、输入/输出(1/0)端口寄存器置为 FFH，堆栈指针 SP 置为 07H, SBUF 内置为不定值，其余的寄存器全部清 0，内部 RAM 的状态不受复位的影响， 在系统上电时 RAM 的内容是不定的。 复位操作有两种情况，即上电复位和手动(开关)复位。本系统采用上电复位方式。图 3-2 中 R1 和 Cl 组成上电复位电路，其值 R 取为 1K, C 取为 10pF。3.2.33.2.3 单片机最小系统单片机最小系统其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作。如图 3-2 所示，单片机最小系统主要由 AT89S51 单片机、外部振荡电路、复位电路和+5V 电源组成。在外部振荡电路中，单片机的 X

18、TAL1 和 XTAL2 管脚分别接至由 12MHZ 晶振和两个30PF 电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟脉冲。在复位电路中，单片机 RESET 管脚一方面经 20 F 的电容接至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关 s 接电源。其主要功能是把 PC 初始化为 0000H，是单片机从 0000H单元开始执行程序，除了进入系统的初始化之外，当由于程序出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动。因此，复位电路是单片机系统中不可缺少的一部分。7单片机大作业硬件电路设计图 3-4 单片机最小系统3.33.3 矩阵式键盘电路矩阵式键盘电路 AT89C51

19、 单片机的并行口 P1 接 44 矩阵键盘， 以 P1.0P1.3 作输入线， 以 P1.4P1.7 作输出线； P1 口输出按键信息， 在数码管上显示每个按键的 “0F” 序号。实际电路图连接如图 3-4 所示。图3-5矩阵式键盘电路3.43.4 显示电路显示电路译码电路中常用的显示器有 LED（数码管）和 LCD（液晶显示器） 。这两种显示器都具有线路简单、耗电少、成本低、寿命长等优点。本系统输出结果选用 2 个 LED 显示。数码管有共阴共阳之分，本系统采用 8段共阴型 LED，其原理图如图 3-6 所示。数码管内部有 8 个发光二极管，公共端由 8 个发光二极管的阴极并接而成，正常显示

20、时公共端接低电平(GND)，各发光二极管是否点亮取决于 a-dp 各引脚上是否是高电平。8单片机大作业硬件电路设计 LED 数码管的外形结构如图 3-6，外部有10 个引脚，其中 3, 8 脚为公共端也称位选端，其余 8 个引脚称为段选端，当要使某一位数码管显示某一数字(0-9中的一个)必须在这个数码管的段选端加上与数字显示数字对应的 8 位段选码(也称字形码)，在位选端加上低电平即可。由于系统要显示的内容比较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。LED 有共阴极和共阳极两种。如图 3-1 所示。二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+

21、5V 的电压。一位显示器由 8 个发光二极管组成，其中 7 个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）ag，另一个小数点为 dp 发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。图3-6 LED 数码管结构符号和引脚共阳极共阴极9单片机大作业硬件电路设计图 3-7显示电路当无按键闭合时，P1.0-P1.3与 P1.4-P1.7之间开路。当有键闭合时，与闭合键相连的两条 I/O 口线之间短路。判断有无按键按下的方法是：第一步，置列线 P1.4-P1.7为输入状态，从行线 P1.0-P1.3输出低电平，读入列线数据，若某一列线为低电平，则该列线上有键闭合。第二步，行

22、线轮流输出低电平，从列线 P1.4-P1.7读入数据，若有某一列为低电平，则对应行线上有键按下。综合一二两步的结果，可确定按键编号。但是键闭合一次只能进行一次键功能操作，因此须等到按键释放后，再进行键功能操作，否则按一次键，有可能会连续多次进行同样的键操作。由于本显示电路功能简单，为使编程简单，采用直接输出模式，即把 P0.0P0.7端口用 8 芯排线连接到数码显示模块区域中的 ah 端口上， 要求： P0.0 对应着 a，P0.1 对应着 b，P0.7 对应着 h。字型字型012345678共阳极段共阳极段C0HF9HA4HB0H99H92H82HF8H80H表 3-2 LED 显示段码共阴

23、极段共阴极段字型字型3FH906HA5BHB4FHC66HD6DHE7DHF07H空白7FHP共阳极段共阳极段90H88H83HC6HA1H86H84HFFH8CH共阴极段共阴极段6FH77H7CH39H5EH79H71H00H73H10单片机大作业软件设计4 4 软件设计软件设计4.14.1 软件流程图软件流程图图 4-1软件设计流程图4.24.2 源程序源程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intucharcodetable=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,

24、0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x77,0 x7c,011单片机大作业软件设计x39,0 x5e,0 x79,0 x71;/定义显示段码uchar num,temp;void delay(uchar k)/定义延时函数 uchar i,j; for(i=k;i0;i-) for(j=110;j0;j-);void disp(char num1)/定义显示函数 P0=tablenum1;/将段码值送入 P0 口显示char keyscan()/定义键盘检测函数 P1=0 xfe;/给 P1 口送检测信号 11111110，即先检测第一列有无按键被按下（key1key4） temp=P1;

25、/将检测信号赋给变量 temp temp=temp&0 xf0;/与 11110000 相“与”去除低四位检测部分 while(temp!=0 xf0)/判断是否有按键被按下， 即 key1-key4 有任意按键被按下temp 便不等于 0 xff delay(5);/按键防抖动延时（时间要求不严格） while(temp!=0 xf0)/延时之后再次判断 temp=P1;/进入函数说明有按键被按下， 再将 p1 值赋给 temp 进行判断是哪位被按下 switch(temp)/利用 switch 函数判断 temp 值 case 0 xee:/若 P0 等于 0 xee，即 11101110

26、，则由判断为 0 的位被按下即第四位（最低位） ，则应赋值 num 为 0； num=0;12单片机大作业软件设计 break; case 0 xde:/11011110 同理判断其为第三位被按下（该行第二位）num=1 num=1; break; case 0 xbe:/同上则 num=2 num=2; break; case 0 x7e:/同上 num=3 num=3; break; while(temp!=0 xf0)/判断按键是否松开，循环判断直至按键松开 temp=P1; temp=temp&0 xf0; P1=0 xfd;/给 P1 口再次送检测信号 11111101， 来检测第二

27、列有无按键被按下（key5key8） ，以下几步同上 temp=P1; temp=temp&0 xf0; while(temp!=0 xf0) delay(5); while(temp!=0 xf0) temp=P1; switch(temp)13单片机大作业软件设计 case 0 xed: num=4; break; case 0 xdd: num=5; break; case 0 xbd: num=6; break; case 0 x7d: num=7; break; while(temp!=0 xf0) temp=P1; temp=temp&0 xf0; P1=0 xfb;/给 P1 口

28、再次送检测信号 11111011， 来检测第三列有无按键被按下（key9key12） ，以下几步同上 temp=P1; temp=temp&0 xf0; while(temp!=0 xf0) delay(5); while(temp!=0 xf0) 14单片机大作业软件设计 temp=P1; switch(temp) case 0 xeb: num=8; break; case 0 xdb: num=9; break; case 0 xbb: num=10; break; case 0 x7b: num=11; break; while(temp!=0 xf0) temp=P1; temp=t

29、emp&0 xf0; P1=0 xf7;/给 P1 口再次送检测信号 11110111， 来检测第四列有无按键被按下（key13key16） ，以下几步同上 temp=P1; temp=temp&0 xf0; while(temp!=0 xf0) delay(5);15单片机大作业软件设计 while(temp!=0 xf0) temp=P1; switch(temp) case 0 xe7: num=12; break; case 0 xd7: num=13; break; case 0 xb7: num=14; break; case 0 x77: num=15; break; while

30、(temp!=0 xf0) temp=P1; temp=temp&0 xf0; return num;/子函数最后返回 num 值void main() P0=0 x00;/清屏16单片机大作业软件设计 delay(5);/延时 while(1)/主循环 disp(keyscan();/检测并显示 17单片机大作业总电路原理图5 5 总电路原理图总电路原理图18单片机大作业参考文献参考文献参考文献1 电子工业出版社 . 单片机设计与应用M.2 谢自美.电子线路设计实验测试.：华中科技大学出版社，20083 陈小忠.单片机实用接口技术子程序.人民邮电出版社，20054 阎石.数字电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，20035 廖常初.现场总线概述J.电工技术，200119