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单片机原理与应用

单片机原理与应用. 四川文理学院 Email ： ycfwsm@gmail.com 2014年9月10日. 第 6 章 MCS-51 单片机的交互通道 配置与接口. 主要内容： 从工程应用角度介绍了 MCS-51 单片机的交互通道配置与接口，主要包括人机界面中的 键盘 、 显示器 、 微型打印机 等。介绍了多种实用方案和设计技巧。 重点 : 系统概念的形成、各种接口设计方案和设计技巧的掌握，熟悉各种交互设备。 难点 : 在于使用动态方法进行键盘和显示的硬件及软件设计。. 人机界面. 指人与计算机系统进行信息交互的接口，包括信息的输入和输出。.

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  1. 单片机原理与应用 四川文理学院 Email：ycfwsm@gmail.com 2014年9月10日

  2. 第6章 MCS-51单片机的交互通道配置与接口 主要内容： 从工程应用角度介绍了MCS-51单片机的交互通道配置与接口，主要包括人机界面中的键盘、显示器、微型打印机等。介绍了多种实用方案和设计技巧。 重点:系统概念的形成、各种接口设计方案和设计技巧的掌握，熟悉各种交互设备。 难点:在于使用动态方法进行键盘和显示的硬件及软件设计。

  3. 人机界面 指人与计算机系统进行信息交互的接口，包括信息的输入和输出。

  4. 6.1 MCS-51单片机与键盘的接口技术 键盘：单片机系统中完成控制参数输入及修改的基本输入设备，是人工干预系统的重要手段。 键盘的分类： (1)按编码方式可分为编码键盘与非编码键盘。 (2)按键组连接方式可分为独立连接式键盘与矩阵连接式键盘。

  5. 6.1.1 概述_键盘分类 1．独立连接式键盘 每键相互独立，各自与一条I/O线相连，CPU可直接读取该I/O线的高/低电平状态。其优点是硬件、软件结构简单，判键速度快，使用方便；缺点是占I/O口线多。 适用场合：多用于设置控制键、功能键。适用于键数少的场合。

  6. 6.1.1 概述_键盘分类 独立连接式键盘连接图如右图所示。当没有键被按下时，所有的数据输入线都为高电平；当有任意一个键被按下时，与之相连的数据输入线将变为低电平；通过相应指令，可以判断是否有键按下。

  7. 6.1.1 概述_键盘分类 2. 矩阵连接式键盘 • 键按矩阵排列,各键处于矩阵行/列的结点处,CPU通过对连在行(列)的I/O线送已知电平的信号,然后读取列(行)线的状态信息。逐线扫描,得出键码。其特点是键多时占用I/O口线少,硬件资源利用合理，但判键速度慢。 • 适用场合：多用于设置数字键，适用于键数多的场合。

  8. 6.1.1 概述_键盘分类 4行4列矩阵式键盘连接图如右图所示。这种键盘适合采取动态扫描的方式进行识别。 扫描方式：低电平扫描（回送线必须被上拉为高电平）、高电平扫描（回送线需被下拉为低电平）。右图中给出了低电平扫描的电路。

  9. 6.1.1 概述_键盘分类 • 3. 薄膜开关 • 特点：不需要进行导线与开关间的焊接，结构简单、体积小、防尘、防水、防有害气体侵蚀、寿命长、可靠性高。 • 应用：与按键式键盘类似，多个薄膜开关也可按照独立式或矩阵式设计内部电路，其原理与普通键盘相同。

  10. 6.1.2 使用键盘时必须解决的问题 （1）开关状态的可靠输入。必须消除键抖动。可以采用硬件和软件两种方法，硬件方法就是在按键输入通道上添加去抖动电路；软件方法则采用延迟10～20ms （2）键盘状态的监测方法——中断方式还是查询方式 （3）键盘编码方法 （4）键盘控制程序的编制

  11. 6.1.3 键盘接口 • 功能：对键盘上所按下的键进行识别。 • 分类： （1）编码键盘：采用专用的编码/译码器件，被按下的键由该器件译码输出相应的键码/键值。其特点是增加了硬件开销，编码固定，但编程简单。适用于规模大的键盘。 （2）非编码键盘：采用软件编/译码的方式，通过扫描，对每个被按下的键判别输出相应的键码/键值。其特点是不增加硬件开销，编码灵活，但编程较复杂，占CPU时间。适用于小规模的键盘，特别是单片机系统键盘。

  12. 6.1.3 键盘接口 1．键盘接口的工作原理 对于矩阵式键盘，如下页键盘示意图，键盘的行线X0～X3通过电阻接+5V，当键盘上没有键闭合时，所有的扫描线和回送线都断开，无论扫描线处于何种状态，回送线都呈高电平。当键盘上某一键闭合时，则该键所对应的扫描线和回送线被短路，可以确定，变为低电平的回送线与扫描线相交处的键闭合。

  13. 6.1.3 键盘接口

  14. 6.1.3 键盘接口 • CPU对键盘扫描的方式：程序控制的随机方式（ CPU空闲时扫描键盘）、定时控制方式（定时扫描键盘）、中断方式。 • CPU对键盘上闭合键的键号确定方法：根据扫描线和回送线的状态计算求得，或根据行线和列线的状态查表求得。

  15. 6.1.3 键盘接口 2．键输入程序的设计方法 （1）判断键盘上是否有键闭合； （2）消除键的机械抖动； （3）确定闭合键的物理位置； （4）得到闭合键的编号； （5）确保CPU对键的一次闭合只做一次处理

  16. 6.1.3 键盘接口 3．键盘接口方式 （1）独立式键盘接口（静态方式） 特点：结构简单，每个按键接单片机的一条I/O线，通过对输入线的查询，可以识别每个按键的状态。 [例题] 在MCS-51 单片机系统中，设计一个含8个按键的独立式键盘。 解：在MCS-51中，含8个按键的独立式键盘的线路连接如下页图所示，8个按键经上拉电阻拉高后分别接到MCS-51单片机P1口的8条I/O线上（P1.0～P1.7）。

  17. 6.1.3 键盘接口 在无键按下的情况下，P1.0～P1.7线上输入均为高电平。当有键按下时，与被按键相连的I/O线将得到低电平输入，其他位按键的输入线上仍维持高电平输入。

  18. 6.1.3 键盘接口 注: P1口8条I/O线经与非门74LS30实现逻辑与非后，再经过1个非门74LS04进行信号变换，然后接至MCS-51的 引脚上，可通过中断的方式处理键盘。在中断服务程序中，先延时20 ms消除键抖动，再对各键进行查询，找到所按键，并转到相应的处理程序中去。

  19. 6.1.3 键盘接口 主程序如下： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H ; 外部中断0中断服务入口地址 LJMP INT ; 转中断服务 ORG 0100H MAIN: SETB EA ; 开总中断允许 SETB EX0 ; 开INT0中断 SETB IT0 ; 下降沿有效 ……

  20. 6.1.3 键盘接口 中断服务程序清单如下： INT: CALL D20 ; 延时去抖动 MOV P1, #0FFH ; P1口送全1值 MOV A, P1 ; 读P1口各引脚 CJNE A, #0FFH，CLOSE ; 验证是否确实有键闭合 AJMP INT0 ; 无键按下 CLOSE: JNB ACC.7, KEY 7 ; 查询7号键 JNB ACC.6, KEY 6 ; 查询6号键 JNB ACC.5, KEY5 ; 查询5号键 JNB ACC.4, KEY4 ; 查询4号键 JNB ACC.3, KEY 3 ; 查询3号键 JNB ACC.2, KEY 2 ; 查询2号键 JNB ACC.1, KEY 1 ; 查询1号键 JNB ACC.0，KEY 0 ; 查询0号键 INT0: RETI

  21. 6.1.3 键盘接口 KEY 7: …… ; 7号键处理程序 KEY 71: MOV A, P1 ; 再读P1口各引脚 JNB ACC.7, FUNC71 ; 确认键是否释放 RETI KEY 6: …… ; 其他键处理程序 …… D20: …… ; 20ms延时子程序 …… END

  22. 6.1.3 键盘接口 （2）矩阵式键盘接口——行反转法 矩阵式键盘按键识别方法有行反转法和扫描法等。行反转法需要两个双向I/O口分别接行、列线。步骤如下： （1）由行线输出全“0”，读入列线，判有无键按下。 （2）若有键按下,再将读入的列线输出,读行线的值。 （3）第一步读进的列线值与第二步读进的行线值运算，从而得到代表此键的唯一的特征值。 行反转法因输入与输出线反过来用而得名。优点是判键速度快，两次即可。

  23. 6.1.3 键盘接口 [例题]请为8051微处理器设计一个由4行4列键阵构成的键盘。 解：4×4矩阵键盘的线路连接如下页图所示。其中P2口的低4位作为输出线。P1口的低4位作为输入线，输入线通过74LS21进行逻辑相与后作为8051的一个外部中断源输入。当有键按下时就将引起中断。中断服务程序要对所按的键进行判别。

  24. 6.1.3 键盘接口

  25. 6.1.3 键盘接口 （a）查询闭合键的位置子程序KEYR KEYR子程序用以确定每组线中哪一位为0，是否有多个0。在调用前，应将读某组线的数据存入累加器A中。 KEYR子程序返回时，某组线中0的位置（0～3）保存在R3中。按键闭合引起中断后，执行中断服务程序。

  26. 6.1.3 键盘接口 KEYR子程序如下： KEYR: CJNE A, #0FEH, TESTP11 ; 测试P1.0 MOV R3, #0 ; P1.0=0，说明被按键的输入线为P1.0 LJMP FINISH ; 返回 TESTP11: CJNE A, #0FDH, TESTP12 ; 测试P1.1 MOV R3, #1 LJMP FINISH TESTP12: CJNE A, #0FBH, TESTP13 ; 测试P1.2 MOV R3, #2 LJMP FINISH TESTP13: CJNE A, #0F7H, FINISH ; 测试P1.3 MOV R3, #3 FINISH: RET

  27. 6.1.3 键盘接口 （b）中断服务程序 中断服务程序开始部分应利用软件延时消除键抖动，然后再对所按的键做出处理。 中断服务程序如下： ORG 1000H INT11: LCALL DELAY ; 延时去抖动 MOV A, P1 ; 读输入线 ANL A, #0FH ; 判断是否有键闭合 CJNE A, #0FH, TEST ; 有键闭合，转判断按键程序 RETI ; 无键闭合，返回

  28. 6.1.3 键盘接口 TEST: MOV B, A ; 暂存 LCALL KEYR ; 调用读取子程序 MOV 40H, R3 ; 暂存在40H单元 MOV P2, #0FFH ; 输出线写1 MOV P1, B ; 输入线写入数据 MOV A, P2 ; 读输出线 LCALL KEYR ; 调用读取子程序 XCH A, R3 SWAP A ORL 40H, A ; 得按键特征值 RETI

  29. 6.1.3 键盘接口 中断程序结束后，键的特征值存放在40H单元中。此键的输出线号位于40H单元的高4位，其输入线号位于低4位。此后，根据40H单元的内容去查表，得到相应键的代码，可进行显示或其他处理。

  30. 6.1.3 键盘接口 （c）去抖动的延时子程序DELAY 利用CPU的空闲方式，通过定时器T1实现延时， T1必须预先置初值，以得到需要的延迟时间。 设晶振频率为6MHz，欲延时20ms，定时时间为： （216－TC）×6/12=20×103μs， 初值： TC=25536=63C0H。

  31. 6.1.3 键盘接口 DELAY: MOV TOMD, #11H ; 方式1定时 MOV TL1, #0C0H ; 定时器1定时初值 MOV TH1, #63H SETB EA ; 开中断 SETB ET1 ; 开定时器1中断 SETB PT1 ; 定时器1为高级中断（因被键盘中断调用） SETB TR1 ; 启动定时器 ORL PCON，#1 ; 启动空闲方式，实际CPU在此处等待 CLR TR1 ;以下四条指令只有在延时后，定时器被唤醒，才能执行 CLR PT1 CLR ET1 RET END

  32. 6.1.3 键盘接口 （3）矩阵式键盘接口动态扫描法 行反转法适用于扩展键阵。而动态扫描法不仅可以扫描键阵，也可以实现显示，应用较广泛。 动态扫描法原理：采用输出“移动”信号，轮流对各行按键进行检测来实现的。设置行线为输出，列线为输入，当无按键按下时，列输入全为“1”。设计时，将某一行输出为“0”，读取列线值，若其中某一位为“0”，则表明行、列交叉点处的按键被按下，否则无按键按下；继续扫描下一行（将下一行输出为“0”），直至全扫描完为止。

  33. 6.1.3 键盘接口 [例题]用8155实现4行8列的32键键盘接口。 解：电路如下页图所示，8155的PA设定为输出口，称其为扫描线。PC3～PC0设定为输入口，称其为回送线。8155与MCS-51单片机的接口略，设PA口的端口地址为7F01H，PC口的端口地址为7F03H。

  34. 6.1.3 键盘接口 键值编码形式：回送线PC0, PC1, PC2, PC3上的键值（每条回送线上有8个键，顺序从左到右）分别为00H +（00H～07H）、08H +（00H～07H）、10H +（00H～07H）、18H +（00H～07H）。其中，（00H～07H）的具体内容由扫描线决定，存放在R4中。

  35. 6.1.3 键盘接口 （a）扫描是否有键按下子程序KEY1，回扫线的值存放在A中。 程序如下： ORG 1000H KEY1: MOV DPTR, #7F01H ; 将PA口地址送DPTR，PA口作为扫描线 MOV A, #00H ; 所有扫描线均为低电平 MOVX @DPTR, A ; PA口向列线输出00H INC DPTR INC DPTR ; 指向PC口 MOVX A, @DPTR ; 取回送线状态 CPLA ; 行线状态取反 ANL A, #0FH ; 屏蔽A的高半字节 RET ; 返回

  36. 6.1.3 键盘接口 （b）判断是否有键按下子程序KEY，如果有，识别按键的键码。其中DELAY1是延时子程序。 程序如下： KEY: ACALL KEY1 ; 检查有键闭合否 JNZ LKEY1 ; A非0说明有键按下 ACALL DELAY1 ; 执行一次延时子程序（延时6 ms） AJMP KEY LKEY1: ACALL DELAY1 ACALL DELAY1 ; 有键闭合延时2×6ms=12ms以去抖动 ACALL KEY1 ; 延时以后再检查是否有键闭合 JNZ LKEY2 ; 有键闭合，转LKEY2 ACALL DELAY1 ; 无键闭合，说明是干扰信号，不作处理 AJMP KEY ; 延时6ms后转KEY继续等待键入

  37. 6.1.3 键盘接口 LKEY2: MOV R2, #0FEH ; 扫描初值送R2，设定PA0为当前扫描线 MOV R4, #00H ; 回送初值送R4 LKEY4: MOV DPTR, #7F01H ; 指向PA口 MOV A, R2 MOVX @DPTR, A ; 扫描初值送PA口 INC DPTR INC DPTR ; 指向PC口 MOV A, @DPTR ; 取回送线状态 JB ACC.0, LONE ; ACC.0=1，第0行无键闭合，转LONE MOV A, #00H ; 装第0行行值 AJMP LKEYP ; 转计算键码 LONE: JB ACC.1, LTWO ; ACC.1=1，第1行无键闭合，转LTWO

  38. 6.1.3 键盘接口 MOV A, #08H ; 装第1行行值 AJMP LKEYP ; 转计算键码 LTWO: JB ACC.2, LTHR ; ACC.2=1，第2行无键闭合，转LTHR MOV A, #10H ; 装第2行行值 AJMP LKEYP LTHR: JB ACC.3, NEXT ; ACC.3=1，第3行无键闭合，转NEXT MOV A, #18H ; 装第3行行值 LKEYP: ADD A, R4 ; 计算键码 PUSH ACC ; 保存键码 LKEY3: ACALL DELAY1 ; 延时6ms ACALL KEY1 ; 判断键是否继续闭合，若闭合再延时 JNZ LKEY3 POP ACC ; 若键释放，则键码送A RET

  39. 6.1.3 键盘接口 NEXT: INC R4 ; 列号加1 MOV A, R2 JNB ACC.7, KND ; 第7位为0，以扫描到最高列，转KND RL A ; 循环右移一位 MOV R2, A AJMP LKEY4 ; 进行下一列扫描 KND: AJMP KEY ; 扫描完毕，开始新的一轮 DELAY1: ······ ; 延时子程序，略 END

  40. 6.1.3 键盘接口 （4）通过串行口扩展键盘接口 MCS-51系列单片机的串行口与串/并转换芯片配合（如串入并出芯片74LS164 ）可以扩展键盘。

  41. 6.1.3 键盘接口 [例题]利用MCS-51的串行口与串/并转换芯片配合，扩展2行8列的键盘接口，键号为0～15。要求给出其硬件连接和键盘查询子程序。 解：串口与串/并转换芯片配合扩展键盘的线路连接如下图所示。

  42. 6.1.3 键盘接口 其中，P1.0和P1.1作为行线。键盘的编码为： P1.0线上的8个键分别为00H+（00H～07H），P1.1线上的8个键分别为08H+（00H～07H）。扫描线（00H～07H）的具体值存放在R4中。 程序采取查询方式读取键号，并且考虑了键的抖动问题。 DLY1是延时子程序。

  43. 6.1.3 键盘接口 程序如下： ORG 1000H SERKEY: MOV SCON, #00H ; 设置串行口 MOV A, #00H ; 键盘初始化，送00H到列线上 LCALL VARTO ; 发送数据 CHK: JNB P1.0, CHK0 ; 检查是否有键按下 JNB P1.1, CHK0 ; 检查是否有键按下 AJMP CHK ; 无键按下，继续查找 CHK0: LCALL DLY1 ; 调用10ms延时子程序，去抖 JNB P1.0, CHEN ; 确实有键按下，转CHEN JNB P1.1, CHEN AJMP CHK ; 无键按下，继续查找 CHEN: MOV R2, #0FEH ; 首列扫描字送R2，查键号，最低位为0 MOV R4, #00H ; 首列偏移值送R4

  44. 6.1.3 键盘接口 CHKN: MOV A, R2 ; 发送列扫描字 LCALL VARTO JB P1.0, CH1 ; 检查P1.0有无键按下；若无，转CH1 MOV A, #0 ; 第一行首列值送A，00H+（R4） AJMP CKEY ; 转求键号 CH1: JB P1.1, NEXT ; 检查P1.1有无键按下；若无，转NEXT MOV A, #8H ; 第二行首列值送A CKEY: ADD A, R4 ; 求键号，并入栈保护 RET

  45. 6.1.3 键盘接口 NEXT: INC R4 ; 指向下一列 MOV A, R2 ; 取出原扫描字 JNB ACC.7，KEND ; 是否已检查完8列？ RL A ; 8列未完，指向下一列 MOV R2, A ; 列扫描字送R2 AJMP CHKN ; 8列未完，检查下一列 KEND: AJMP SERKEY ; 8列查完，未查到有键按下，等待 VARTO: MOV SBUF, A ; 发送A中数据 JNB TI, $ ; 发送等待 CLR TI ; 清除 RET DLY1: …… ; 延时10ms子程序（略） END ; 结束

  46. 6.2 MCS-51单片机与显示器的接口技术 显示器用于实现单片机应用系统中的数据输出和状态的反馈。单片机系统中常用的显示器有发光二极管、七段数码显示器、液晶显示器等。

  47. 6.2.1 LED显示器及其接口 发光二极管简称LED（Light Emitting Diode）。LED显示器从外观可分为 “8”字形的七段数码管、米字形数码管、点阵块、矩形平面显示器、数字笔划显示器等。 1．七段LED数码显示器 七段LED数码管显示器能够显示十进制或十六进制数字及某些简单字符。但控制简单，使用方便，在单片机系统中应用较多。其结构如下页图所示。

  48. 6.2.1 LED显示器及其接口 上图中的a～g七个笔划（段）及小数点dp均为发光二极管。数码管显示器根据公共端的连接方式，可以分为共阴极数码管（将所有发光二极管的阴极连在一起）和共阳极数码管（将所有发光二极管的阳极连在一起）。 单片机系统扩展LED数码管时多用共阳LED。共阳数码管每个段笔画是用低电平(“0”)点亮的,要求驱动功率很小；而共阴数码管段笔画是用高电平(“0”)点亮的，要求驱动功率较大。通常每个段笔画要串一个数百欧姆的降压电阻。

  49. 6.2.1 LED显示器及其接口 七段LED字形码如下表所示。

  50. 6.2.1 LED显示器及其接口 2．LED点阵模块显示器 LED点阵模块显示器是指由发光二极管排成一个m×n的点阵，每个发光二极管构成点阵中的一个点。这种显示器显示的字形逼真，能显示的字符比较多，但控制比较复杂。适用于显示汉字、图形和表格，广泛应用于公共场合的信息发布。

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