单片机应用和原理课件 AT89S51与输入 输出外部设备的接口 演示文稿

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10.2 键盘接口原理 键盘具有向单片机输入数据、命令等功能，是人与单片机 对话的主要手段。下面介绍键盘的工作原理和键盘的工作方 式。 10.2.1 键盘输入应解决的问题 1．键盘的任务 任务有三项： (1) 判别是否有键按下？若有，进入下一步工作。 (2)识别哪一个键被按下，并求出相应的键值。 (3)根据键值，找到相应键值的处理程序入口。
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表10-1只列出了部分段码，读者可以根据实际情况选用， 或重新定义。除 “8”字型的LED数码管外，市面上还有 “±1”型、“米”字型和“点阵”型LED显示器，如图 10-2。本章以“8”字型的数码管为例。
图10-2 其他各种字型的LED显示器
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10.1.2 LED数码管工作原理
图10-3为显示4位字符的数码管的结构原理图。N位位 选线和8 N条段码线。段码线控制显示字型，而位选线 控制着该显示位的LED数码管的亮或暗。
KEY1： MOV C，P1.1；读P1.1的按键状态 JC KEY2 ；P1.1为高，该键未按下，跳KEY2， ；判下一个键 LJMP PKEY1 ；P1.1的键按下，跳PKEY1处理
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KEY2： MOV C，P1.2 JC KEY3
LJMP PKEY2 KEY3： MOV C，P1.3
…… …… KEY7： MOV C，P1.7 JC RETURN
LJMP PKEY7 RETURN： RET
；读P1.2的按键状态 ；P1.2为高，该键未按下，跳 ；KEY3，判下一个键 ；P1.2的键按下，跳PKEY2处理 ；读P1.3的按键状态
；读P1.7的按键状态 ；P1.7为高，该键未按下，跳 ；RETURN处 ；P1.7的键按下，跳PKEY7处理 ；子程序返回
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图10-8 独立式键盘接口电路
对于图10-8的键盘，图中上拉电阻保证按键释放时，输入 检测线上有稳定的高电平。
当某一按键按下时，对应检测线就变成低电平，与其它按 键相连的检测线仍为高电平，只需读入I/O输入线的状态， 判别哪一条I/O输入线为低电平，很容易识别哪个键被按下。
优点：电路简单，各条检测线独立，识别按下按键的软件 编写简单。适用于键盘按键数目较少的场合，不适用于键盘 按键数目较多的场合，因为将占用较多I/O口线。
① 扫描法。第1步，识别键盘有无键按下；第2步，如有 键被按下，识别出具体的键位。
以图10-9所示的键3按下为例，说明识别过程。
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第1步，识别键盘有无键按下。先把所有列线均置0，然后 检查各行线电平是否都为高，如果不全为高，说明有键按下， 否则无键被按下。
例如，当键3按下时，第1行线为低，还不能确定是键3被按 下，因为如果同一行的键2、1或0之一被按下，行线也为低电 平。只能得出第1行有键被按下的结论。
第2步，识别出哪个按键被按下。采用逐列扫描法，在某一 时刻只让一列线处于低电平，其余列线处于高电平。
当第1列为低电平，其余各列为高电平时，因为是键3被按 下，第1行的行线仍处于高电平；
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当第2列为低电平，其余各列为高电平时，第1行的行线仍处 于高电平；
直到让第4列为低电平，其余各列为高电平时，此时第1行的 行线电平变为低电平，据此，可判断第1行第4列交叉点处 的按键，即键3被按下。
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图10-5 4位8段LED动态显示电路
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虽然这些字符是在不同时刻出现，而在同一时刻，只有一 位显示，其他各位熄灭，由于余辉和人眼的“视觉暂留”作 用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成“多位同时亮” 的假象，达到同时显示的效果。
LED不同位显示的时间间隔（扫描间隔）应根据实际情况 而定。显示位数多，将占大量的单片机时间，因此动态显示 的实质是以牺牲单片机时间来换取I/O端口的减少。
综上所述，扫描法思想：先把某一列置为低电平，其余各列 置为高电平，检查各行线电平的变化，如果某行线电平为 低电平，则可确定此行此列交叉点处的按键被按下。
② 线反转法。扫描法要逐列扫描查询，有时则要多次扫 描。而线反转法则很简练，无论被按键是处于第一列或最后 一列，均只需经过两步便能获得此按键所在的行列值，下面 以图10-10的矩阵式键盘为例，介绍线反转法的具体步骤。 让行线编程为输入线，列线编程为输出线，并使输出线输 出为全低电平，则行线中电平由高变低的所在行为按键所在 行； 再把行线编程为输出线，列线编程为输入线，并使输出线 输出为全低电平，则列线中电平由高变低所在列为按键所在 列。
图10-6所示为8位LED动态显示2009.10.10的过程。图106（a）所示为显示过程，某一时刻，只有一位LED被选通显 示，其余位则是熄灭的；图10-6（b）所示为实际的显示结 果，人眼看到的是8位稳定的同时显示的字符。
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图10-6 8位LED动态显示过程和结果
动态显示优点：硬件电路简单，数码管越多，优势越明显。 缺点：显示亮度不如静态显示的亮度高。如果“扫描”速率 较低，会出现闪烁现象。
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图10-9 矩阵式键盘接口
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矩阵中无键按下时，行线为高电平；当有键按下时，行线 电平状态将由与此行线相连的列线的电平决定。列线电平如 为低，则行线电平为低；列线电平如果为高，则行线电平也 为高，这是识别按键是否按下的关键所在。
由于矩阵式键盘中行、列线为多键共用，各按键彼此将相 互发生影响，所以必须将行、列线信号配合，才能确定闭合 键位置。下面讨论矩阵式键盘按键的识别方法。
第10章 AT89S51单片机与输入/输 出
外设的接口
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内容概要 大多数的单片机应用系统，都要配置输入外设和输出外设。 常用的输入外设有键盘、BCD码拨盘等；常用的输出外设有 数码管、LCD显示器、打印机等。 本章介绍AT89S51与各种输入外设、输出外设的接口设 计以及软件编程。
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10.1 LED数码管的显示原理 LED（Light Emitting Diode）发光二极管缩写。LED数码
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识别某一键是否按下的子程序：
KEYIN： MOV P1，0FFH；P1口写入1，设置P1口为输入状态
MOV A，P1
；读入8个按键的状态
CJNE A，#0FFH，QUDOU；有键按下，跳去抖动
LJMP RETURN
；无键按下，返回
QUDOU：MOV R3，A
；8个按键的状态送R3保存
LCALL DELAY10
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图10-4为4位LED数码管静态显示器电路，各位可独立显 示，静态显示方式接口编程容易，但是占用口线较多。对图 10-4电路，若用I/O口线接口，要占用4个8位I/O口。显示位 数较多，所需的电流比较大，对电源要求也就随之增高，这 时一般都采用动态显示方式。
2．LED动态显示方式 无论在任何时刻只有一个LED数码管处于显示状态，即单 片机采用“扫描”方式控制各个数码管轮流显示。
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图10-1 8段LED数码管结构及外形
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为了使数码管显示不同的符号或数字，要把某些段发光二 极管点亮，就要为LED数码管提供段码（字型码）。
LED数码管共计8段。正好是一个字节。习惯上是以“a” 段对应段码字节的最低位。各段与字节中各位对应关系如表 10-1所示。
按上述格式，显示各种字符的8段LED数码管的段码如表 10-2所示。
3．按键的识别 键的闭合与否，行线输出电压上就是呈现高电平或低电平。 高电平，表示键断开，低电平则表示键闭合，通过对行线电 平的高低状态的检测，可确认按键按下以及按键释放与否。 为了确保对一次按键动作只确认一次按键有效，必须消除抖 动期t1和t3的影响。
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4．如何消除按键的抖动 去抖动方法两种： 一种软件延时，思想：在检测到有键按下时，该键所对应 的行线为低电平，执行延时10ms子程序后，确认该行线电 平是否仍为低电平，如果仍为低电平，则确认该行确实有键 按下。当按键松开时，行线的低电平变为高电平，执行延时 10ms子程序后，检测该行线为高电平，说明按键确实已经 松开。采取本措施，可消除两个抖动期t1和t3的影响。 另一种是采用专用的键盘/显示器接口芯片，这类芯片中 都有自动去抖动的硬件电路。
；调用延时子程序，软件去键抖动
MOV A，P1
；再一次读入8个按键的状态
CJNE A，R3，RETURN；两次键值比较，不同， ；是抖动引起，转RETURN
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KEY0： MOV C，P1.0；有键按下，读P1.0的按键状态 JC KEY1 ；P1.0为高，该键未按下，跳KEY1， ；判下一个键 LJMP PKEY0 ；P1.0的键按下，跳PKEY0处理
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图10-4 4位LED静态显示电路
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在多位LED显示时，为简化硬件电路，将各显示位的段 码线的相应段并联在一起，由一个8位I/O口控制，而各位的 共阳极或共阴极分别由相应的I/O线控制，形成各位的分时选 通。
图10-5所示为一个4位8段LED动态显示电路。其中段码 线占用一个8位I/O口，而位选线占用一个4位I/O口。须采用 动态的“扫描”显示方式。即在某一时刻，只让某一位的位 选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同 时，段码线上输出相应位要有显示的字符的段码。
图10-3 4位LED数码管的结构原理图
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数码管有静态显示和动态显示两种显示方式。 1．静态显示方式 无论多少位LED数码管，同时处于显示状态。 静态显示方式，各位共阴极（或共阳极）连接在一起并接 地（或接+5V）；每位的段码线（a～dp）分别与一个8位的 I/O口锁存器输出相连。如果送往各个LED数码管所显示字符 的段码一经确定，则相应I/O口锁存器锁存的段码输出将维 持不变，直到送入另一个字符的段码为止。正因为如此，静 态显示方式的显示无闪烁，亮度都较高，软件控制较容易。
管是由发光二极管构成的。
10.1.1 LED数码管的结构 常见的LED数码管为“8”字型，共8段。每一段对应一
个发光二极管。有共阳极和共阴极两种，如图10-1。共阴极 发光二极管的阴极连在一起，通常公共阴极接地。当阳极为 高电平时，发光二极管点亮。
同样，共阳极LED数码管的发光二极管的阳极连接在一起， 公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时， 发光二极管被点亮，相应的段被显示。
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10.2.2 键盘的工作原理 键盘可分为两类：非编码键盘和编码键盘。 非编码键盘是利用按键直接与单片机相连接而成，这种键盘 通常用在按键数量较少的场合。使用这种键盘，系统功能通常 比较简单，需要处理的任务较少，但是可降低成本、简化电路 设计。按键的信息通过软件来获取。 1．非编码键盘 常见的为两种结构：独立式键盘和矩阵式键盘。 （1）独立式键盘 特点是：一键一线，各键相互独立，每个键各接一条I/O口 线，通过检测I/O输入线的电平状态，可容易地判断哪个按键 被按下。如图10-8。
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软件延时10ms子程序编写，参见第4章。 8个按键的键处理程序PKEY0~ PKEY7，根据按键的功能 要求编写。注意，在进入键处理程序后，需先等待按键释放， 再执行键处理功能。在键处理程序完成后，一定要跳向 RETURN标号处返回。 （2）矩阵式键盘 矩阵式（行列式）键盘用于按键数目较多的场合，由行线 和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。如图10-9所示， 一个44的行、列结构可构成一个16键键盘。在键数目较多 场合，要节省较多I/O口线。
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2．键盘输入的特点 常见：触摸式键盘、薄膜键盘和按键式键盘。 常用按键式键盘，实质就是一个开关。如图10-7（a）所 示，按键开关的两端分别连接在行线和列线上，通过键盘开 关机械触点的断开、闭合，其行线电压输出波形如图10-7 （b）所示。
图10-7 键盘开关及其行线波形 17
图10-7（b）的t1和t3分别为键的闭合和断开过程中的抖动 期（呈现一串负脉冲），抖动时间长短与开关的机械特性有 关，一般为5～10ms，t2为稳定的闭合期，其时间由按键动 作确定，一般为十分之几秒到几秒，t0、t4为断开期。
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两步即确定按键所在的行和列，从而识别出所按的键。
图10-10 采用线反转法的矩阵式键盘
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假设键3被按下。 第一步，P1.0～P1.3输出全为“0”，然后，读入P1.4～ P1.7线的状态，结果P1.4=0，而P1.5～P1.7均为1，因此， 第1行出现电平的变化，说明第1行有键按下； 第二步，让P1.4～P1.7输出全为“0”，然后，读入 P1.0～P1.3位，结果P1.0=0，而P1.1～P1.3均为1，因此第 4列出现电平的变化，说明第4列有键按下。 综上所述，即第1行、第4列按键被按下，此按键即键3按 下。线反转法简单适用，但要按键去抖动处理。