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1、第10章 AT89S51单片机与输入/输出外部设备的接口,制作人： 鲁浩然、樊丰坤、王闪闪 夏平平、徐含笑,目录 10.1 LED数码管的显示原理 10.1.1 LED数码管的结构 10.1.2 LED数码管工作原理 10.2 键盘接口原理 10.2.1 键盘输入应解决的问题 10.2.2 键盘的工作原理 10.2.3 键盘的工作方式,10.3 键盘/显示器接口设计实例 10.3.1 利用AT89S51单片机串行口实现的键盘/显示器接口 10.3.2 各种专用的键盘/显示器接口芯片简介 10.3.3 专用接口芯片CH451实现的键盘/显示器控制 10.3.4 专用接口芯片HD7279实现的键盘
2、/显示器控制,重点： LED数码管工作原理 键盘的工作原理 键盘的工作方式 键盘/显示器接口设计实例 难点： 专用接口芯片CH451实现的键盘/显示器控制 专用接口芯片HD7279实现的键盘/显示器控制,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LED数码管、LCD显示器、打印机等。 本章主要介绍AT89S51与各种输入外设、输出外设的接口设计以及软件编程。,10.1 LED数码管的显示原理 LED-Light Emitting Diode 发光二极管缩写。 多个发光二极管构成LED数码管。,10.1.1 LED数码管的
3、结构 常见的LED数码管为“8”字型的，共计8段。每一段对应一个发光二极管。分为两种：共阳极和共阴极 共阴极：如图10-1-a所示,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。 共阳极：如图10-1-b所示,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。,图10-1 8段LED数码管结构及外形,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
4、与字节中各位对应关系如表10-1所示。 按照上述格式，显示各种字符的8段LED数码管的段码如表10-2所示。,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所示。本章均以“8”字型的LED数码管为例。 图10-2 其他各种字型的LED显示器,10.1.2 LED数码管工作原理 图10-3所示为显示4位字符的LED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。,图10-3 4位LED数码管的结构原理图,LED数
5、码管有静态显示和动态显示两种显示方式。 1LED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，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或接+5V）；每位的段码线（adp）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，软件控制比较容易。,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。
6、因此在显示位数较多的情况下，所需的电流比较大，对电源的要求也就随之增高，这时一般都采用动态显示方式。 2LED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。,图10-4 4位LED静态显示电路,在多位LED显示时，为简化硬件电路，通常将所有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。必须采用动态的“扫描”显示方式。即在某一时刻，只让某一位的
7、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10-5 4位8段LED动态显示电路,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。 。,图10-6 8位LED动态显示过程和结果,图10-6所示为8位LED动态显示2009.10.10的过程。图10-6（a
8、）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,动态显示 优点: 硬件电路简单， 显示器越多， 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。,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，
9、找到相应键值的处理程序入口。,2键盘输入的特点 常见键盘：触摸式键盘、薄膜键盘和按键式键盘，最常用的是按键式键盘。 图10-7 键盘开关及其行线波形,按键实质上就是一个开关。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（b）所示的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510ms，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。 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
10、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。,4如何消除按键的抖动 按键去抖动的方法有两种： 一种软件延时（常用），本思想是：在检测到有键按下时，该键所对应的行线为低电平，执行一段延时10ms的子程序后，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，执行一段延时10ms的子程序后，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
11、示器接口芯片，这类芯片中都有自动去抖动的硬件电路。,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，这种键盘通常使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，但是可以降低成本、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,图10-8 独立式键盘接口电路,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所示。,对于图10-8的键盘，图中的上拉电
12、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，对应的检测线就变成了低电平，与其他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，因为将占用较多的I/O口线。,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
13、下，返回 QUDOU：MOV R3，A ；8个按键的状态送R3保存 LCALL DELAY10 ；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,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 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 PK
14、EY1 ；P1.1的键按下，跳PKEY1处理,KEY2： MOV C，P1.2 ；读P1.2的按键状态 JC KEY3 ；P1.2为高，该键未按下，跳 ；KEY3，判下一个键 LJMP PKEY2 ；P1.2的键按下，跳PKEY2处理 KEY3： MOV C，P1.3 ；读P1.3的按键状态 KEY7： MOV C，P1.7 ；读P1.7的按键状态 JC RETURN ；P1.7为高，该键未按下，跳 ；RETURN处 LJMP PKEY7 ；P1.7的键按下，跳PKEY7处理 RETURN： RET ；子程序返回,软件延时10ms子程序DELAY10的编写，参见第4章。对应8个按键的键处理程序
15、PKEY0 PKEY7，根据按键功能的要求来编写。注意，在进入键处理程序后，需要先等待按键释放，再执行键处理功能。另外，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（也称行列式）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、列结构可以构成一个16个按键键盘。在按键数目较多的场合，要节省较多的I/O口线。,图10-9 矩阵式键盘接口,矩阵中无按键按下时，行线为高电平；当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线的电平决定。列线的电平如果为低，则行线电平为低；列线的电平如果为高，则行线的电平也为高，
16、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。 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。 下面以图10-9所示的键3被按下为例，说明识别过程。,第1步，识别键盘有无键按下。先把所有列线均置为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1条列线处于低电平，其余所有列线处于高电平。 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；,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
