MCS-51与键盘显示器的接口.ppt

单片机原理与应用,主讲:郑宇,第9章 MCS-51单片机的人机交互通道（显示、键盘）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、显示器等。介绍了多种实用方案和设计技巧。重点在于系统概念的形成、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:是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。9.1 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：按编码方式可分为编码键盘与非编码键盘。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。9.1.1 概述 键盘输入的主要对象：各种按键或开关。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。适用于键数较少的场合。,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。,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。,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。,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。,（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1020ms（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。9.1.3 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。,9.1.2 使用键盘时必须解决的问题,（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。1键盘接口的工作原理 对于矩阵式键盘，如上页图所示，键盘的行线X0X3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。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。,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（P1.0P1.7）。,在无键按下的情况下，P1.0P1.7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。,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INT0 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。,主程序如下：ORG 0000HLJMP MAINORG 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;下降沿有效中断服务程序清单如下：INT:LCALL D20ms;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 OUT;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 OUT:LJMP INTRET KEY 7:;7号键处理程序 KEY71:MOV A,P1;再读P1口各引脚 JNB ACC.7,KEY71;确认键是否释放 LJMP INTRET KEY6:;其他键处理程序 KEY0：.INTRET:RETI D20ms:略;20ms延时子程序 END,（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“1”，读入列线，判有无键按下。（2）若有键按下,再将读入的列线值输出,读入行线的值。（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。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：44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。,（1）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（03）保存在R3中。按键闭合引起中断后，执行中断服务程序。,KEYR子程序如下：KEYR:CJNE A,#0EH,TESTP11;测试P1.0MOV R3,#0;P1.0=0，说明被按键的输入线为P1.0LJMP FINISH;返回 TESTP11:CJNE A,#0DH,TESTP12;测试P1.1MOV R3,#1LJMP FINISH TESTP12:CJNE A,#0BH,TESTP13;测试P1.2MOV R3,#2LJMP FINISH TESTP13:CJNE A,#07H,FINISH;测试P1.3MOV R3,#3 FINISH:RET,（2）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 LJMP INTRET;无键闭合，返回,TEST:MOV B,A;暂存LCALL KEYR;调用读取子程序，得到按下的行号MOV 40H,R3;行号暂存在40H单元MOV P2,#0FFH;输出线写1MOV 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，得按下的列号XCH A,R3;列号交换到A中SWAP A；列号交换到A的高4位ORL 40H,A;得按键特征值 高4位是列号，低4位是行号 INTRET:RETI,（3）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：（216TC）12/6=20103s，初值：TC=55536=D8F0H。程序如下：DELAY:MOV TOMD,#11H;方式1定时MOV TL1,#0F0H;定时器1定时初值MOV TH1,#0D8HSETB 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 EA;开中断 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，定时器唤醒，才能执行CLR PT1CLR ET1RETEND,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。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。PC3PC0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7F00H，PC口的端口地址为7F02H。,（3）矩阵式键盘接口动态扫描法,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+（00H07H）、08H+（00H07H）、10H+（00H07H）、18H+（00H07H）。其中，（00H07H）的具体内容由扫描线决定，存放在R4中。,（1）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,#7F00H;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 CPL A;行线状态取反 ANL A,#0FH;屏蔽A的高半字节 RET;返回（2）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26ms=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 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,#7F00H;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,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 NEXT:INC R4;列号加1 MOV A,R2 JNB ACC.7,KND;第7位为0，已扫描到最高列，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,（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。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015。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。,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+（00H07H），P1.1线上的8个键分别为08H+（00H07H）。扫描线（00H07H）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。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,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 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:（略）;延时10ms子程序 END;结束,