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1、第四讲 键盘及其接口技术,本章要点 1按键的抖动干扰及其解决方法。 2独立式键盘的结构原理及其接口电路。 3矩阵式键盘的结构原理及其行扫描法。 4编码器及其编码键盘接口电路。,引言,在计算机控制系统中，除了与生产过程进行信息传递的过程输入输出设备以外，还有与操作人员进行信息交换的常规输入设备和输出设备。键盘是一种最常用的输入设备,它是一组按键的集合，从功能上可分为数字键和功能键两种，作用是输入数据与命令，查询和控制系统的工作状态，实现简单的人机对话。 键盘接口电路可分为编码键盘和非编码键盘两种类型。编码键盘采用硬件编码电路来实现键的编码，每按下一个键，键盘便能自动产生按键代码。编码键盘主要有B
2、CD码键盘、ASCII码键盘等类型。非编码键盘仅提供按键的通或断状态, 按键代码的产生与识别由软件完成。,引言,编码键盘的特点是使用方便，键盘码产生速度快，占用CPU时间少，但对按键的检测与消除抖动干扰是靠硬件电路来完成的，因而硬件电路复杂、成本高。而非编码键盘硬件电路简单，成本低，但占用CPU的时间较长。,4.1.1 键盘的抖动干扰,由于机械触点的弹性振动，按键在按下时不会马上稳定地接通而在弹起时也不能一下子完全地断开，因而在按键闭合和断开的瞬间均会出现一连串的抖动，这称为按键的抖动干扰，其产生的波形如图5-1所示，当按键按下时会产生前沿抖动，当按键弹起时会产生后沿抖动。这是所有机械触点式按
3、键在状态输出时的共性问题，抖动的时间长短取决于按键的机械特性与操作状态，一般为10100ms，此为键处理设计时要考虑的一个重要参数。,链接动画,4.1.2 抖动干扰的消除,按键的抖动会造成按一次键产生的开关状态被CPU误读几次。为了使CPU能正确地读取按键状态，必须在按键闭合或断开时，消除产生的前沿或后沿抖动，去抖动的方法有硬件方法和软件方法两种。,图5-2 滤波延时消抖电路,链接动画,2软件方法 软件方法是指编制一段时间大于100ms的延时程序，在第一次检测到有键按下时，执行这段延时子程序使键的前沿抖动消失后再检测该键状态，如果该键仍保持闭合状态电平，则确认为该键已稳定按下，否则无键按下，从
4、而消除了抖动的影响。同理，在检测到按键释放后，也同样要延迟一段时间，以消除后沿抖动，然后转入对该按键的处理。,4.2 非编码独立式键盘,主要知识点: 5. 2.1 查询法接口电路 5. 2.2 中断法接口电路,4. 2.1 查询法接口电路,现以3个按键为例，图5-3即为独立式键盘查询法接口电路。按键S0、S1、S2分别通过上拉电阻与CPU的数据线D0、D1、D2相连，当按键Si闭合时，数据线直接接地，因而CPU读入Di=0；当按键Si断开时，数据线通过上拉电阻接到正电源，因而CPU读入Di=1。 该接口电路实现的功能为：查询检测是否有键按下，如有键闭合，则消除抖动，再判断键号，然后转入相应的键
5、处理。其程序流程如图5-4所示。 采用查询法时，必须保证CPU每隔一定时间主动地去扫描按键一次，该扫描时间间隔应小于两次按键的时间间隔，否则会有按键不响应的情形。显然这种方式占用CPU时间比较多。,图5-3 独立式键盘结构原理,图5-4独立式键盘查询法程序流程图,链接动画,4.2.2中断法接口电路,仍以3个按键为例，图5-5是一个炉温控制系统的功能键分配图，S0、S1、S2分别代表自动/手动切换、炉温参数显示和炉温参数打印功能。这是在上述查询法接口电路的基础上，再把按键S0、S1、S2的数据输出线经过与非门和反相器后与8255A的选通输入信号PC4相连，8255A的PC3发出中断请求信号经中断
6、控制器8259A与CPU的中断请求引脚相连，这是一种典型的中断法键盘接口电路。,工作过程如下：当CPU对8255A初始化（8255A的A口工作于方式1 输入）后，CPU即执行主程序。当按下S0键即表示要进入自动控制状态，此时与之相连的I/O口线呈现为低电平的同时，与非门输出为高电平，经反相器变为低电平，使8255A端口A的选通输入信号PC4 有效，则PA0PA2引脚接收并存入3个按键的“0”或“1”状态，当恢复成高电平后，经TSIT时间，8255A的PC3发出INTRa中断请求信号，经中断控制器8259A向CPU申请中断，CPU响应中断后，即转到中断服务程序中。中断服务程序依次查询按键的通断状
7、态，当查询到是自动/手动（即S0=0）时，则转到自动/手动控制子程序的入口地址，从而使系统进入自动控制状态。如果没有键按下，则相应的I/O口线均为高电平，也不会产生中断信号，CPU继续运行主程序。,图5-5独立式键盘中断法接口电路,键盘中断服务子程序，与查询方式相似，在保护现场后，首先调用100mS延时子程序去除抖动，然后依次查键号，并转入键功能处理程序，最后恢复现场、中断返回。显然，查询顺序代表了按键的排队优先级。 采用中断法时，CPU对按键而言是被动方式，在无键按下时不占用CPU时间，因而CPU有更多的时间执行其他程序。 上述分析说明：独立式键盘接口电路简单灵活，软件结构简单，但每个按键必
8、须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，需要占用较多的I/O口线。比如64个按键，需要有64根线，不仅连线复杂，查询按键的时间也较长。故这种键盘电路只适合于按键数量比较少的小型控制系统或智能控制仪表中。,4.3 非编码矩阵式键盘,主要知识点: 5.3.1 矩阵式键盘的结构组成 5.3.2 矩阵式键盘的程序设计,4.3.1 矩阵式键盘的结构组成,矩阵式键盘又叫行列式键盘，是用I/O口线组成的行、列矩阵结构，在每根行线与列线的交叉处，二线不直接相通而是通过一个按键跨接接通。采用这种矩阵结构只需M根行输出线和N根列输入线，就可连接MN个按键。通过键盘扫描程序的行输出与列输入就可确认按键的状态，再通过
9、键盘处理程序便可识别键值。 键盘与CPU的接口可采用并行端口8255A、锁存器或缓冲器一类。图5-6给出了一种88非编码矩阵式键盘的接口电路。行输出电路由行扫描锁存器74LS273、 反相器与行线X0X7连接组成，列输入电路由三态缓冲器74LS244与列线Y0Y7以及上拉电阻组成。X、Y线的每一个交叉处跨接一个键，其键值分别是十进制数的01，02，64。该键盘的接口地址为PORT1。,图5-6 矩阵式键盘接口电路,当键盘中无任何键按下时，所有的行线和列线被断开且相互独立，输入线Y0Y7列都为高电平；当有任意一键按下时，则该键所在的行线与列线接通，因此，该列线的电平取决于该键所在的行线。基于此，
10、产生了“行扫描法”与“线反转法”两种识别方法。 行扫描法又称逐行零扫描查询法，即逐行输出行扫描信号“0”，使各行依次为低电平，然后分别读入列数据，检查此（低电平）行中是否有键按下。如果读得某列线为低电平，则表示此（低电平）行线与此列线的交叉处有键按下，再对该键进行译码计算出键值，然后转入该键的功能子程序入口地址；如果没有任何一根列线为低电平，则说明此(低电平)行没有键按下。接着进行下一行的“0”行扫描与列读入，直到8行全部查完为止，若无键按下则返回。 有时为了快速判断键盘中是否有键按下，也可先将全部行线同时置为低电平，然后检测列线的电平状态，若所有列线均为高电平，则说明键盘中无键按下，立即返回
11、；若要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被控下，然后再如上那样进行逐行扫描。,图 5-7 矩阵式键盘扫描及键处理程序流程图,对于键盘处理程序来说，求得键值并不是目的。如果该按键是数字键，就应把该键值直接送到显示缓冲区进行键值的数字显示；如果该按键是功能键，则应找到该键子程序的入口地址，转而去执行该键的功能命令。,4.4 编码键盘,主要知识点: 5.4.1 二进制编码器 5.4.2 编码键盘接口电路,图5-8 二进制编码键盘接口电路,本章小结,键盘是计算机与操作人员进行信息交换的一种常用输入设备。 键盘接口电路可分为非编码键盘和编码键盘两种类型。非编码键盘仅提供按键的通或断状态, 按键代码的产生
12、与识别是由软件完成的，当按键数量少时，一般采用独立式键盘结构；当按键数量较多时，常采用矩阵式键盘结构。而编码键盘是采用硬件编码电路来实现键的编码，每按下一个键，键盘电路便能自动产生按键代码，编码键盘主要有BCD码键盘、ASCII码键盘等类型。,本章小结,非编码键盘的硬件电路简单，成本低，但占用CPU的时间较长。编码键盘与之相反，硬件电路复杂、成本高，但使用方便，键盘码产生速度快，占用CPU时间少。对按键抖动干扰的消除，非编码键盘一般是靠软件而编码键盘一般是靠硬件电路来实现。 在一般的小型单片机测控系统中主要使用非编码键盘。,思考题,1简述键盘的两种类型及其特点。 2简述何为键盘的抖动干扰及其消
13、除的两种方法。 3分析说明矩阵式键盘电路的逐行零扫描法的工作过程。,第5讲 显示器及其接口技术,学习目标,1.掌握LED数码管显示器的工作原理、显示方式及其接口电路。,2.理解LCD液晶显示器的结构原理、驱动方式及其接口电路。,3.了解图形显示画面的几种形式与功能作用。,引言,在计算机控制中，显示装置是一个重要组成部分，主要用来显示生产过程的工艺状况与运行结果，以便于现场工作人员的正确操作。常用的显示器件有显示记录仪、发光二极管显示器LED、液晶显示器LCD、大屏幕显示器和图形显示器终端CRT。,显示记录仪-是以模拟方式连续显示和记录过程参数的动态变化，但其价格都很贵，在目前的计算机控制系统中
14、已很少采用。 LED数码管-由于具有结构简单、体积小、功耗低、配置灵活、显示清晰、可靠性高等优点，目前已被微型计算机控制系统及智能化仪表广泛采用。 LCD-则以其功耗极低的特点，占据了从电子表到计算器，从袖珍仪表到便携式微型计算机等应用场合。 CRT终端-CRT终端以其图文并茂的直观生动画面，可以显示生产过程中的各种画面及报表，如生产流程图、显示报警图、趋势曲线图、状态和回路查询图等,在很多微型计算机控制系统中，特别在DDC，SCC以及DCS控制系统中，大都采用CRT操作台进行监视和控制。,5.1 LED数码管显示器,引言 5.1.1 LED 显示器的工作原理 5.1.2 LED显示器的显示方
15、式 5.1.3 LED显示器接口电路,6.1.1 LED 显示器工作原理,LED（发光二极管Light Emitting Diode的英文缩写）是利用PN结把电能转换成光能的固体发光器件，根据制造材料的不同可以发出红、黄、绿、白等不同色彩的可见光来。LED的伏安特性类似于普通二极管，正向压降约为2伏左右，工作电流一般在10 -20 mA之间较为合适。,LED显示器有多种结构形式，单段的圆形或方形LED常用来显示设备的运行状态，8段LED可以显示各种数字和字符，所以也称为LED数码管，其外形如图7-2所示。8段LED在控制系统中应用最为广泛，其接口电路也具有普遍借鉴性。因此，我们介绍8段LED数
16、码管显示器。,8段LED显示器的结构与工作原理如图7-3所示。,链接动画,8段LED通过不同段点亮时的组合，可以显示09、AF等十六进制数。显然，将单片机的数据输出口与LED各段引脚相连，控制输出的数据就可以使LED显示不同的字符。通常把控制LED数码管发光显示字符的8位字节数据称为段选码或者字符译码，如图7-4所示。,链接动画,5.1.2 LED显示器显示方式,在计算机控制系统中，常利用n个LED显示器构成n位显示。通常把点亮LED某一段的控制称为段选，而把点亮LED某一位的控制称为位选或片选。根据LED显示器的段选线、位选线与控制端口的连接方式不同，LED显示器有静态显示与动态显示两种方式，下面以4个共阴极LED的组合为例进行说明。,1、静态显示 2、动态显示,1静态显示方式,4个LED组合的静态显示电路如图6-3所示,图6-3 LED静态显示方式,链接动画,2动态显示方式,LED动态显示电路如图6-4所示,图6-4 LED动态显示方式,链接动画,5
