MCS-51与键盘、显示器的 接口设计

第九章MCS-51与键盘、显示器的接口设计第一节LED接口原理第二节键盘接口原理第三节典型的键盘、显示接口电路第四节可编程键盘/显示器接口——INTEL8279第一节LED接口原理常用的LED显示器有LED状态显示器（俗称发光二极管）、LED七段显示器（俗称数码管）和LED十六段显示器。发光二极管可显示两种状态，用于系统状态显示；数码管用于数字显示；LED十六段显示器用于字符显示。1.数码管简介1)数码管结构数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字09、字符AF、H、L、P、R、U、Y、符号“”及小数点“”。数码管的外形结构如下图9-1所示。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构。agdfecb109876gfGNDabedGNDcdp12345VDVD＋5V(a)(b)(c)dp图9-12)数码管工作原理共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起。通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮。根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。3)数码管字形编码要使数码管显示出相应的数字或字符，必须使段数据口输出相应的字形编码。对照图，字型码各位定义为：数据线D0与a字段对应，D1与b字段对应……，依此类推。如使用共阳极数码管，数据为0表示对应字段亮，数据为1表示对应字段暗；如使用共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮。如要显示“0”，共阳极数码管的字型编码应为：11000000B（即C0H）；共阴极数码管的字型编码应为：00111111B（即3FH）。依此类推。2．静态显示接口静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）或接正电源（共阳极）。每个数码管的8个字段分别与一个8位I/O口地址相连，I/O口只要有段码输出，相应字符即显示出来，并保持不变，直到I/O口输出新的段码。采用静态显示方式，较小的电流即可获得较高的亮度，且占用CPU时间少，编程简单，显示便于监测和控制，但其占用的口线多，硬件电路复杂，成本高，只适合于显示位数较少的场合。3．动态显示接口动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。通常，各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的位选线（公共阴极或阳极）由另外的I/O口线控制。动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示，必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码。依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符。虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感觉。采用动态显示方式比较节省I/O口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，CPU要依次扫描，占用CPU较多的时间。第二节键盘接口原理1.键的分类按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。2．输入原理在单片机应用系统中，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其它按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与CPU相连。CPU可以采用查询或中断方式了解有无将键输入，并检查是哪一个键按下，将该键号送入累加器ACC，然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完后再返回主程序3．按键结构与特点微机键盘通常使用机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的TTL逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如图９-２所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5～10ms。闭合稳定键按下前沿抖动后沿抖动图9-24.按键编码一组按键或键盘都要通过I/O口线查询按键的开关状态。根据键盘结构的不同，采用不同的编码。无论有无编码，以及采用什么编码，最后都要转换成为与累加器中数值相对应的键值，以实现按键功能程序的跳转。5.制键盘程序一个完善的键盘控制程序应具备以下功能：(1)检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施，消除键盘按键机械触点抖动的影响。(2)有可靠的逻辑处理办法。每次只处理一个按键，其间对任何按键的操作对系统不产生影响，且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序。(3)准确输出按键值（或键号），以满足跳转指令要求。独立式按键单片机控制系统中，往往只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。1．独立式按键结构独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。独立式按键的典型应用如图９-３所示。P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.78031VCC图9-3独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。2.立式按键的软件结构独立式按键的软件常采用查询式结构。先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。矩阵式按键单片机系统中，若使用按键较多时，通常采用矩阵式（也称行列式）键盘1.矩阵式键盘的结构及原理矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上，其结构如下图9-4所示。由图可知，一个4×4的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘，显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多I/O口。012345678910111213141500123123＋5V图9-4矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到＋5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。2．式键盘按键的识别识别按键的方法很多，其中，最常见的方法是扫描法。按键按下时，与此键相连的行线与列线导通，行线在无键按下时处在高电平。显然，如果让所有的列线也处在高电平，那么，按键按下与否不会引起行线电平的变化，，因此，必须使所有列线处在低电平。只有这样，当有键按下时，该键所在的行电平才会由高电平变为低电平。CPU根据行电平的变化，便能判定相应的行有键按下。3.盘的编码对于独立式按键键盘，因按键数量少，可根据实际需要灵活编码。对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号惟一确定，因此可分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。4.键盘的工作方式对键盘的响应取决于键盘的工作方式，键盘的工作方式应根据实际应用系统中CPU的工作状况而定，其选取的原则是既要保证CPU能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。通常，键盘的工作方式有三种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。1)编程扫描方式编程扫描方式是利用CPU完成其它工作的空余时间，调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。2)定时扫描方式定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间（例如10ms）的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断。CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。3)中断扫描方式采用上述两种键盘扫描方式时，无论是否按键，CPU都要定时扫描键盘，而单片机应用系统工作时，并非经常需要键盘输入，因此，CPU经常处于空扫描状态。为提高CPU工作效率，可采用中断扫描工作方式。其工作过程如下：当无键按下时，CPU处理自己的工作，当有键按下时，产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。第三节典型的键盘、显示接口电路在单片机应用系统中，键盘和显示器往往需同时使用，为节省I/O口线，可将键盘和显示电路做在一起，构成实用的键盘、显示电路。图9-5是用8155并行扩展I/O口构成的典型的键盘、显示接口电路。键盘、显示器共用一个接口电路的设计方法除上述方案外，还可采用专用的键盘、显示器接口的芯片——8279。0123456789101112131415161718192021222324252627282930318路驱动器8路驱动器+5V+5Vabcdefgdp8155CEIO/MALERDWRD0D7+5V8031P2.7P2.0ALEP0RDWR8RESETPB7PB6PB5PB4PB3PB2PB1PB0PC0PC1PC2PC3PA7PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0…5.1k100×8图9-5第四节可编程键盘/显示器接口——INTEL8279INTEL8279是一种可编程键盘/显示器接口芯片，它含有键盘输入和显示器输出两种功能。键盘输入时，它提供自动扫描，能与按键或传感器组成的矩阵相连，接收输入信息，它能自动消除开关抖动并能对多键同时按下提供保护。显示输出时，它有一个16×8位显示RAM，其内容通过自动扫描，可由8或16位LED数码管显示。8279的引脚和功能8279的内部结构框图如图9-6所示。8279IRQD0~D7RDWRCSA0RESETCLKRL0~RL7SHIFTCNTL/STBSL0~SL3OUTA0OUTA3OUTB0OUTB3BD4448RL2RL3CLKIRQRL4RL5RL6RL7RESETRDWRD0D1D2A0CSBDOUTA3OUTA2OUTA1OUTA0OUTB38279D3D4D5D6D7GNDOUTB2OUTB1OUTB0SL0SL1SL2SL3SHIFTCNTL/STBRL0RL1VCCCPU接口键盘数据数据显示12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940(b)图9-6D0～D7：数据总线，双向三态总线。CLK：系统时钟输入端。RESET：系统复位输入端，高电平有效。复位状态为：16个字符显示；编码扫描键盘：双键锁定；程序时钟编程为31。CS：片选输入端，低电平有效。A0：数据选择输入端。A0=1时，CPU写入数据为命令字，读出状态字为状态字；A0=0时，CPU读、写均为数据。WR、RE：读、写信号输入端，低电平有效。IRQ：中断请求输出端，高电平有效。A0：数据选择输入端。A0=1时，CPU写入数据为命令字，读出状态字为状态字；A0=0时，CPU读、写均为数据。WR、RE：读、写信号输入端，低电平有效。IRQ：中断请求输出端，高电平有效。SL0～S