按键与显示电路的设计与实现要点

电子产品设计制作

与故障诊断

学习情境4：按键与显示电路的设计与实现

《电子产品设计制作与故障诊断》课程建设组

2010年2月

第一版

学习情境4：按键与显示电路的设计与实现

4.1学习目标

通过本次学习情境要求学会：

(1)掌握单片机外围显示和按键电路的设计和制作；

(2)掌握按键和显示电路的C51程序的编写和调试。

4.2工作任务

4.2.1任务名称

在独立电路板上设计制作单片机的按键和显示电路，满足：

(1)在万用板上制作单片机的按键和显示电路，使该电路具有和单片机最小系统的接

口，电路的结构简单，成本低廉；

(2)编写基本控制程序，下载调试，使该电路实现基本的按键输入和字符显示功能。

4.2.2任务背景

按键和显示是各种电子设备最基本的人机交互界面，良好的按键和显示界面是电子产品美观易用的基础。本次工作任务是为一小型温度测控系统设计制作按键和显示电路。4.2.3任务要求

(1)学习单片机按键和显示电路的原理和电路设计方法，合理选择按键和显示电路的控

制芯片和电路结构；

(2)完成全电路理论设计、绘制电路图，自制电路板、焊接调试；

(3)撰写设计报告、调试总结报告及使用说明书。

4.2.4.工作任务所需要的设备、工具和材料：具有232串行口的计算机、单片机最小系统板、双踪示波器、万用表（模拟或数字）、电烙铁、导线，自制电路板的各种工具一套及元器件若干。

4.3任务知识点

4.3.1七段LED显示器

LED显示器是由发光二极管按照一定的排列规律组成的显示器件，这种显示器有共阳极和共阴极两种组成形式，常用的七段LED显示器的内部结构和外引脚排列见图4-1。

在共阴极七段LED结构中，所有发光二极管的阴极接在一起形成公共极COM，使用时COM接低电平，当某段发光二极管的阳极接高电平时，则该段二极管发光显示字符。共阳极七段LED是把所有的发光二极管的阳极接在一起形成公共端COM，使用时COM端接高电平，当某段发光二极管的阴极接低电平时，则该段二极管发光进行显示。

表4-1给出了七段LED的显示字型码。表中的字型码未包扩小数点位Dp，段线的排列格式按g,f,e,d,c,b,a即g段为显示段码的最高位，a段为显示段码的最低位，当然段线也

可按照其他方式进行排列。从表中可看出共阴极结构与共阳极结构的显示段码互为反码。

a）共阴极结构 b）共阳极结构 c）外引脚图

图4-1 LED结构及引脚排列图

表4-1七段LED字型码

问题：单片机控制电路中，应如何选择LED显示器的结构？

4.3.2LED显示器的显示方式

在实际应用系统中，N片七段LED构成N位七段码显示器。LED的公共端COM叫做显示器的位选线，a～g称为段选线，这样N位LED显示器有N根位选线，N 8根段选线（包括小数点位）。位选线控制LED的每一位是否显示，段选线控制每一位的显示字符。根据位选线与段选线的接法，LED有两种显示方式：静态显示方式和动态显示方式。

（1）静态显示方式

在静态显示方式，所有的位选线COM连接到一起接低电平（共阴极）或接高电平（共阳极），每一位LED的段选线连接到一个8位显示输出口上，这样N位显示器共需要8 N根显示输出线，显示时位与位之间是相互独立的，彼此不产生影响。图4-2为静态N位LED 显示器原理图。

图4-2 N位LED静态显示原理图

由于位选线接在一起，因此控制每一显示位的段选码即可控制每一位的显示字符，保持段选码不变，则显示的字符也不变，当需要改变显示内容时只需改变显示位的段码。这种显示方式具有显示亮度高，显示稳定，控制方便等优点，但当显示的位数较多时，占用的I/O口线较多。

（2）动态显示方式

图4-3为N位动态显示硬件连接图。

图4-3 N位动态LED显示原理图

与静态显示方式不同，动态显示方式是把段选线的对应位连接到一起，接到一个8位输出I/O口线上，每一位的位选线接到一根独立的I/O口线上，这样N位显示器共需要8+N 根I/O口线（8根段选线，N根位选线）。显示时段选码由同一8位I/O口输出，具体哪一位显示由位选码决定。由于段选码并联接在一起，因此同一时刻只能有一位LED显示字符，其他位不显示，即只能有一位位选线有效。为了能显示N位字符，必需N位LED数码管等间隔时间轮流发光显示，只要显示间隔时间比较短，利用人眼视觉暂留的特点可造成N位同时显示的效果。

动态显示与静态显示相比有需要I/O口线少、功耗小等优点，但控制程序较复杂，显示亮度低。

问题：根据显示电路的要求，应如何选用数码管的显示控制方式？

4.3.3LED显示器与单片机接口

LED显示电路与单片机的接口分静态显示接口电路和动态显示接口电路两类，每一类中又可分为软件译码和硬件译码两种控制方式。由于静态显示电路和静态显示控制程序比较简单，因此静态显示电路在此不作介绍。软件译码方法是指将要显示的字符通过程序的方法译成七段LED显示字型码，通过I/O口直接输出LED的段选码；硬件译码是指将要显示的字符直接输出给硬件译码电路，通过硬件译码电路再把BCD码或十六进制码转换成七段LED显示字型码。

（1）软件译码显示接口

图4-4为通过8255A并行可编程扩展接口构成的8位LED显示电路。其中8255A的PA 口用于段选码的输出，PB口用于位选码的输出，采用软件译码动态显示方式。

图4-4 软件译码动态显示电路

在该硬件电路中，反相器为位驱动器，LED的段限流电阻未画出。

按图所示电路进行连接时所用8255A的各端口地址为：

PA口地址：7FFCH

PB口地址：7FFDH

控制口地址：7FFFH

PA、PB口均设定为输出工作方式，其控制字为10000000B。控制程序如下：

DISP: MOV DPTR,#7FFFH ；选择8255A的控制口

MOV A,#80H ；PA、PB口控制字为80H

MOVX @DPTR,A ；8255A初始化

MOV R0,#TAB1 ；指向显示字符表

MOV R7,#08H ；显示位数送R7

MOV B,#01H ；显示初始位位选线COM1有效

LOOP： MOV DPTR,#7FFDH ；指向B口

MOV A,B

MOVX @DPTR,A ；输出位选线

RL A

MOV B,A

MOV A,@R0 ；取显示字符

INC R0 ；指向下一个显示字符

MOV DPTR,#TAB2 ；指向七段LED显示字型表

MOVC A,@A+DPTR ；取显示七段字型码

MOV DPTR,#7FFCH ；指向A口

MOVX @DPTR,A ；输出段显码

LCALL DELAY ；调延时子程序

DJNZ R7,LOOP ；8位未显示完继续

···

上述程序为一次显示8位字符程序，若要不断显示可重复上述程序。

（2）硬件译码电路

硬件译码是采用硬件译码电路的方法完成显示字符到显示七段码的转换。硬件集成译码电路类型较多，有BCD-7段译码器、BCD-7段译码驱动器、BCD-7段锁存译码驱动器、十六进制-7段锁存译码驱动器等。表4-2给出了常用的硬件译码集成电路及其性能。