单片机键盘及显示

本章要点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、开关等；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1单片机控制发光二极管、LED数码管2基于单片机的开关、键盘接口原理及应用第7章显示、开关/键盘7.1发光二极管的显示单片机可以通过并行端口P0～P3驱动发光二极管P0口与P1、P2、P3口相比，P0口每位可驱动8个LSTTL输入，而P1～P3口每一位的驱动能力，只有P0口的一半。7.1发光二极管的显示当P0口的某位为高电平时，可提供400µA的拉电流；当P0口某位为低电平（0.45V）时，可提供3.2mA的灌电流；而P1～P3口内部有30kΩ左右的上拉电阻，如果高电平输出，则从P1、P2和P3口输出的拉电流Id仅为几百µA，驱动能力较弱，亮度较差；如果端口引脚为低电平，能使灌电流Id从单片机的外部流入内部，则将大大增加流过的灌电流值；所以，AT89S52单片机任何一个端口要想获得较大的驱动能力，要采用低电平输出。如果一定要高电平驱动，可在单片机与发光二极管之间加驱动电路，如74LS04、74LS244等。7.1发光二极管的显示（a）不恰当的连接：高电平驱动（b）恰当的连接：低电平驱动7.1发光二极管的显示思考：如何将发光二极管与单片机P1口连接起来？7.2开关状态检测检测开关处于闭合状态还是打开状态，只需把开关一端接到I/O端口的引脚上，另一端接地，然后通过检测I/O端口引脚的电平来实现。【例7-2】如图7-3所示，利用单片机、1个开关k和1个发光二极管LED，构成一个简单的检测开关k是否闭合的系统。7.2开关状态检测参考程序常见显示器7.3LED数码管显示液晶显示器液晶显示屏LED显示屏LED数码管7.3.1LED数码管显示原理LED数码管在单片机系统中应用非常广泛。LED（LightEmittingDiode）是发光二极管缩写。LED数码管是由发光二极管构成的。7.3.1LED数码管的结构常见的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。有共阳极和共阴极两种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+5V+5V0V0V0V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数码管提供控制字，该控制字称为段码（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。各段与字节中各位对应关系如表所示。段码(字型码)段码表D7D6D5D4D3D2D1D0dpgfedcba0001111113f100000110062010110115b3010011114f以共阴极数码管为例思考:试写出H、L的段码?7.3.1LED数码管的结构【例7-3】用单片机控制一个8段LED数码管，如图7-5所示。要求数码管反复循环显示单个数字：0～9。参考程序7.3.2LED数码管的显示方式图为显示4位字符的LED数码管的结构原理图。4位位选线和84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。LED数码管有两种显示方式：静态显示和动态显示。1．LED静态显示方式无论多少位LED数码管，同时处于显示状态。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（a～dp）分别与一个8位的I/O口锁存器输出相连。静态显示的特点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；占用口线多。当前LED使用静态显示比较常见（配合使用74LS164）1．LED静态显示方式2．LED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。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，分时选通。4位8段LED动态显示电路段码线占用一个8位I/O口，位选线占用一个4位I/O口。采用动态的“扫描”显示方式。即在某一时刻，只让某一位的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显示字符的段码。动态显示原理在某一时刻，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。动态显示的特点优点是硬件电路简单，显示器越多，优势越明显。缺点是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。7.3.3LED数码管静态显示设计【例7-4】用AT89S52设计一个2位LED数码管显示的“秒表”，显示时间为00～99秒，每秒自动加1。原理电路如图7-8所示。电路采用单片机的P2口、P3口分别控制两个LED数码管作为“秒表”的时间显示。显示数字的段码采用查表方法。“秒”计时产生采用软件延时的方法。7.3.3LED数码管静态显示设计7.6键盘接口设计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。7.6.1键盘接口设计应解决的问题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，找到相应键值的处理程序入口。最常用的是按键式键盘，其本质上就是一个开关。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所示。2.键盘输入的特点29t1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5～10ms。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。304．消除按键抖动的两种方法一种软件延时，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，方法同上。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/显示器接口芯片，这类芯片中都有自动去抖动的硬件电路。有键按下延时10ms有键按下YYNN确认有键按下7.6.2独立式键盘的设计在单片机中，常见的键盘有两种结构：独立式键盘和矩阵式键盘。对于独立式键盘：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。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。独立式按键特点优点：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。缺点：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。独立式键盘的查询方式示例【例7-8】对图7-21所示独立式键盘，用查询方式实现键盘扫描，根据按下不同按键，对其进行处理。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。如图所示，一个44的矩阵键盘可以构成一个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。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，这是识别按键是否按下的关键所在。7.6.3矩阵式键盘的设计矩阵按键识别法：扫描法第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。39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，此时第1行的行线电平变为低电平，据此，可判断第1行第4列交叉点处的按键，即键3被按下。矩阵按键识别法：线反转法扫描法要逐列扫描查询，有时则要多次扫描。而线反转法则很简练，无论被按键是处于第一列或最后一列，均只需经过两步便能获得此按键所在的行列值，其具体步骤为：•让行线编程为输入线，列线编程为输出线，并使输出线输出为全低电平，则行线中电平由高变低的所在行为按键所在行。•再把行线编程为输出线，列线编程为输入线，并使输出线输出为全低电平，则列线中电平由高变低所在列为按键所在列。•两步即可确定按键所在的行和列，从而识别出所按的键。假设键3被按下。第一步，P1.0～P1.3输出全为“0”，然后，读入P1.4～P1.7线的状态，结果P1.4=0，而P1.5～P1.7均为1，因此，第1行出现电平的变化，说明第1行有键按下；41第二步，让P1.4～P1.7输出全为“0”，然后，读入P1.0～P1.3位，结果P1.0=0，而P1.1～P1.3均为1，因此第4列出现电平的变化，说明第4列有键按下。综上所述，即第1行、第4列按键被按下，此按键即键3按下。线反转法简单适用，但不要忘记按键去抖动处理。矩阵按键识别法：线反转法7.6.4键盘的工作方式单片机在忙于其他各项工作任务时，如何兼顾键盘的输入，这取决于键盘的工作方式。工作方式选取原则是，既要保证及时响应按键操作，又不过多占用单片机工作时间。键盘工作方式有3种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。1．编程扫描方式也称查询方式，利用单片机空闲时，调用键盘扫描子程序，反复扫描键盘。如果单片机的查询的频率过高，虽能及时响应键盘的输入，但也会影响其他任务的进行。查询的频率过低，可能会键盘输入漏判。所以要根据单片机系统的繁忙程度和键盘的操作频率，来调整键盘扫描的频率。2．定时扫描方式每隔一定的时间对键盘扫描一次。在这种方式中，通常利用单片机内的定时器产生的定时中断，进入中断子程序来对键盘进行扫描，在有键按下时识别出该键，并执行相应键的处理程序。为了不漏判有效的按键，定时中断的周期一般应小于100ms。3中断扫描方式键盘按键按下，发出中断请求信号，单片机响应中断，执行键盘扫描程序中断服务子程序。如无键按下，单片机将不理睬键盘。此种方式的优点是，只有按键按下时，才进行处理，所以其实时性强，工作效率高。本章小结1.掌握LED数码管硬件原理；2.能写出共阴、共阳数码管在具体电路中的段码；3.掌握静态显示方式与动态显示原理；4.掌握静态显示的电路和程序设计;5.理解键盘的工作原理；6.掌握独立式键盘的硬件与软件设计；7.理解矩阵式键盘的按键识别方法：扫描法和线反转法。