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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