第九章MCS-以及鍵盤顯示器接口

第九章MCS-以及鍵盤顯示器接口第9章

MCS-51單片機的人機交互通道（顯示、鍵盤）配置與接口主要內(nèi)容：從工程應(yīng)用角度介紹了MCS-51單片機的交互通道配置與接口，主要包括人機界面中的鍵盤、顯示器等。介紹了多種實用方案和設(shè)計技巧。重點在于系統(tǒng)概念的形成、各種接口設(shè)計方案和設(shè)計技巧的掌握，熟悉各種交互設(shè)備。難點在于使用動態(tài)方法進行鍵盤和顯示的硬件及軟件設(shè)計。

人機界面:是指人與計算機系統(tǒng)進行信息交互的接口，包括信息的輸入和輸出。

9.1MCS-51單片機與鍵盤的接口技術(shù)鍵盤：單片機系統(tǒng)中完成控制參數(shù)輸入及修改的基本輸入設(shè)備，是人工干預(yù)系統(tǒng)的重要手段。鍵盤的分類：按編碼方式可分為編碼鍵盤與非編碼鍵盤。按鍵組連接方式可分為獨立連接式鍵盤與矩陣連接式鍵盤。

9.1.1概述

鍵盤輸入的主要對象：各種按鍵或開關(guān)。

1．獨立連接式鍵盤

每鍵相互獨立，各自與一條I/O線相連，CPU可直接讀取該I/O線的高/低電平狀態(tài)。其優(yōu)點是硬件、軟件結(jié)構(gòu)簡單，判鍵速度快，使用方便；缺點是占I/O口線多。適用場合：多用于設(shè)置控制鍵、功能鍵。適用于鍵數(shù)較少的場合。

獨立連接式鍵盤連接圖如右圖所示。當(dāng)沒有鍵被按下時，所有的數(shù)據(jù)輸入線都為高電平；當(dāng)有任意一個鍵被按下時，與之相連的數(shù)據(jù)輸入線將變?yōu)榈碗娖?；通過相應(yīng)指令，可以判斷是否有鍵按下。2.矩陣連接式鍵盤

鍵按矩陣排列,各鍵處于矩陣行/列的結(jié)點處,CPU通過對連在行(列)的I/O線送已知電平的信號,然后讀取列(行)線的狀態(tài)信息。逐線掃描,得出鍵碼。其特點是鍵多時占用I/O口線少,硬件資源利用合理，但判鍵速度慢。適用場合：多用于設(shè)置數(shù)字鍵，適用于鍵數(shù)多的場合。

4行4列矩陣式鍵盤連接圖如右圖所示。這種鍵盤適合采取動態(tài)掃描的方式進行識別。掃描方式：低電平掃描（回送線必須被上拉為高電平）、高電平掃描（回送線需被下拉為低電平）。右圖中給出了低電平掃描的電路。3.薄膜開關(guān)特點：不需要進行導(dǎo)線與開關(guān)間的焊接，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、防塵、防水、防有害氣體侵蝕、壽命長、可靠性高。應(yīng)用：與按鍵式鍵盤類似，多個薄膜開關(guān)也可按照獨立式或矩陣式設(shè)計內(nèi)部電路，其原理與普通鍵盤相同。

（1）開關(guān)狀態(tài)的可靠輸入。必須消除鍵抖動?？梢圆捎糜布蛙浖煞N方法，硬件方法就是在按鍵輸入通道上添加去抖動電路；軟件方法則采用延遲10～20ms

（2）鍵盤狀態(tài)的監(jiān)測方法——中斷方式還是查詢方式。

（3）鍵盤編碼方法。

（4）鍵盤控制程序的編制。。

9.1.3鍵盤接口

功能：對鍵盤上所按下的鍵進行識別。分類：

（1）編碼鍵盤：采用專用的編碼/譯碼器件，被按下的鍵由該器件譯碼輸出相應(yīng)的鍵碼/鍵值。其特點是增加了硬件開銷，編碼固定，但編程簡單。適用于規(guī)模大的鍵盤。9.1.2使用鍵盤時必須解決的問題

（2）非編碼鍵盤：采用軟件編/譯碼的方式，通過掃描，對每個被按下的鍵判別輸出相應(yīng)的鍵碼/鍵值。其特點是不增加硬件開銷，編碼靈活，但編程較復(fù)雜，占CPU時間。適用于小規(guī)模的鍵盤，特別是單片機系統(tǒng)。鍵盤。

1．鍵盤接口的工作原理

對于矩陣式鍵盤，如上頁圖所示，鍵盤的行線X0～X3通過電阻接+5V，當(dāng)鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的掃描線和回送線都斷開，無論掃描線處于何種狀態(tài)，回送線都呈高電平。當(dāng)鍵盤上某一鍵閉合時，則該鍵所對應(yīng)的掃描線和回送線被短路，可以確定，變?yōu)榈碗娖降幕厮途€與掃描線相交處的鍵閉合。

CPU對鍵盤掃描的方式：程序控制的隨機方式（CPU空閑時掃描鍵盤）、定時控制方式（定時掃描鍵盤）、中斷方式。

CPU對鍵盤上閉合鍵的鍵號確定方法：根據(jù)掃描線和回送線的狀態(tài)計算求得，或根據(jù)行線和列線的狀態(tài)查表求得。

2．鍵輸入程序的設(shè)計方法

（1）判斷鍵盤上是否有鍵閉合；（2）消除鍵的機械抖動；（3）確定閉合鍵的物理位置；（4）得到閉合鍵的編號；（5）確保CPU對鍵的一次閉合只做一次處理3．鍵盤接口方式（1）獨立式鍵盤接口（靜態(tài)方式）特點：結(jié)構(gòu)簡單，每個按鍵接單片機的一條I/O線，通過對輸入線的查詢，可以識別每個按鍵的狀態(tài)。[例題]

在MCS-51單片機系統(tǒng)中，設(shè)計一個含8個按鍵的獨立式鍵盤。解：在MCS-51中，含8個按鍵的獨立式鍵盤的線路連接如下頁圖所示，8個按鍵經(jīng)上拉電阻拉高后分別接到MCS-51單片機P1口的8條I/O線上（P1.0～P1.7）。

在無鍵按下的情況下，P1.0～P1.7線上輸入均為高電平。當(dāng)有鍵按下時，與被按鍵相連的I/O線將得到低電平輸入，其他位按鍵的輸入線上仍維持高電平輸入。

P1口8條I/O線經(jīng)與非門74LS30實現(xiàn)邏輯與非后，再經(jīng)過1個非門74LS04進行信號變換，然后接至MCS-51的INT0引腳上，可通過中斷的方式處理鍵盤。在中斷服務(wù)程序中，先延時20ms消除鍵抖動，再對各鍵進行查詢，找到所按鍵，并轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理程序中去。

主程序如下：

ORG 0000H LJMPMAIN ORG 0003H ;外部中斷0中斷服務(wù)入口地址

LJMP INT ;轉(zhuǎn)中斷服務(wù)

ORG 0100H MAIN: SETB EA ;開總中斷允許

SETB EX0 ;開INT0中斷

SETB IT0 ;下降沿有效

……中斷服務(wù)程序清單如下：

INT: LCALLD20ms ;延時去抖動

MOV P1,#0FFH ;P1口送全1值

MOV A,P1 ;讀P1口各引腳

CJNE A,#0FFH，CLOSE ;驗證是否確實有鍵閉合

AJMP OUT ;無鍵按下

CLOSE:JNB ACC.7,KEY7 ;查詢7號鍵

JNB ACC.6,KEY6 ;查詢6號鍵

JNB ACC.5,KEY5 ;查詢5號鍵

JNB ACC.4,KEY4 ;查詢4號鍵

JNB ACC.3,KEY3 ;查詢3號鍵

JNB ACC.2,KEY2 ;查詢2號鍵

JNB ACC.1,KEY1 ;查詢1號鍵

JNB ACC.0，KEY0 ;查詢0號鍵

OUT: LJMPINTRETKEY7: …… ;7號鍵處理程序

KEY71: MOV A,P1 ;再讀P1口各引腳

JNBACC.7,KEY71 ;確認(rèn)鍵是否釋放

LJMPINTRETKEY6: …… ;其他鍵處理程序

…… KEY0：……..……..INTRET:RETID20ms: 略…… ;20ms延時子程序

…… END

（2）矩陣式鍵盤接口——行反轉(zhuǎn)法

矩陣式鍵盤按鍵識別方法有行反轉(zhuǎn)法和掃描法等。行反轉(zhuǎn)法需要兩個雙向I/O口分別接行、列線。步驟如下：（1）由行線輸出全“1”，讀入列線，判有無鍵按下。（2）若有鍵按下,再將讀入的列線值輸出,讀入行線的值。（3）第一步讀進的列線值與第二步讀進的行線值運算，從而得到代表此鍵的唯一的特征值。行反轉(zhuǎn)法因輸入與輸出線反過來用而得名。優(yōu)點是判鍵速度快，兩次即可。[例題]請為8051微處理器設(shè)計一個由4行4列鍵陣構(gòu)成的鍵盤。解：4×4矩陣鍵盤的線路連接如下頁圖所示。其中P2口的低4位作為輸出線。P1口的低4位作為輸入線，輸入線通過74LS21進行邏輯相與后作為8051的一個外部中斷源輸入。當(dāng)有鍵按下時就將引起中斷。中斷服務(wù)程序要對所按的鍵進行判別。（1）查詢閉合鍵的位置子程序KEYR

KEYR子程序用以確定每組線中哪一位為0，是否有多個0。在調(diào)用前，應(yīng)將讀某組線的數(shù)據(jù)存入累加器A中。KEYR子程序返回時，某組線中0的位置（0～3）保存在R3中。按鍵閉合引起中斷后，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。KEYR子程序如下：

KEYR: CJNE A,#0EH,TESTP11 ;測試P1.0 MOV R3,#0 ;P1.0=0，說明被按鍵的輸入線為P1.0 LJMP FINISH ;返回

TESTP11: CJNE A,#0DH,TESTP12 ;測試P1.1 MOV R3,#1 LJMP FINISHTESTP12: CJNE A,#0BH,TESTP13 ;測試P1.2 MOV R3,#2 LJMP FINISHTESTP13: CJNE A,#07H,FINISH ;測試P1.3 MOV R3,#3FINISH: RET

（2）中斷服務(wù)程序

中斷服務(wù)程序開始部分應(yīng)利用軟件延時消除鍵抖動，然后再對所按的鍵做出處理。中斷服務(wù)程序如下：

ORG1000H INT11:LCALLDELAY;延時去抖動

MOV A,P1 ;讀輸入線

ANL A,#0FH;判斷是否有鍵閉合

CJNE A,#0FH,TEST ;有鍵閉合，轉(zhuǎn)判斷按鍵程序

LJMPINTRET ;無鍵閉合，返回

TEST:MOV B,A ;暫存

LCALLKEYR;調(diào)用讀取子程序，得到按下的行號

MOV40H,R3 ;行號暫存在40H單元

MOVP2,#0FFH ;輸出線寫1 MOVP1,B ;輸入線寫入數(shù)據(jù)

MOVA,P2 ;讀輸出線

LCALLKEYR ;調(diào)用讀取子程序，得按下的列號

XCH A,R3;列號交換到A中 SWAPA；列號交換到A的高4位 ORL40H,A ;得按鍵特征值高4位是列號，低4位是行號

INTRET:RETI （3）去抖動的延時子程序DELAY

利用CPU的空閑方式，通過定時器T1實現(xiàn)延時，T1必須預(yù)先置初值，以得到需要的延遲時間。設(shè)晶振頻率為6MHz，欲延時20ms，定時時間為：（216－TC）×12/6=20×103μs，初值：TC=55536=D8F0H。程序如下：

DELAY: MOV TOMD,#11H ;方式1定時

MOV TL1,#0F0H ;定時器1定時初值

MOV TH1,#0D8H SETB ET1 ;開定時器1中斷

SETB PT1 ;定時器1為高級中斷（因被鍵盤中斷調(diào)用）

SETB EA ;開中斷SETB TR1 ;啟動定時器ORL PCON，#1 ;啟動空閑方式，實際CPU在此處等待

CLR TR1;以下四條指令只有在延時后，定時器喚醒，才能執(zhí)行

CLR PT1 CLR ET1 RET END

行反轉(zhuǎn)法適用于擴展鍵陣。而動態(tài)掃描法不僅可以掃描鍵陣，也可以實現(xiàn)顯示，應(yīng)用較廣泛。動態(tài)掃描法原理：采用輸出“移動”信號，輪流對各行按鍵進行檢測來實現(xiàn)的。設(shè)置行線為輸出，列線為輸入，當(dāng)無按鍵按下時，列輸入全為“1”。設(shè)計時，將某一行輸出為“0”，讀取列線值，若其中某一位為“0”，則表明行、列交叉點處的按鍵被按下，否則無按鍵按下；繼續(xù)掃描下一行（將下一行輸出為“0”），直至全掃描完為止。

[例題]

用8155實現(xiàn)4行8列的32鍵鍵盤接口。解：電路如下頁圖所示，8155的PA設(shè)定為輸出口，稱其為掃描線。PC3～PC0設(shè)定為輸入口，稱其為回送線。8155與MCS-51單片機的接口略，設(shè)PA口的端口地址為7F00H，PC口的端口地址為7F02H。

（3）矩陣式鍵盤接口動態(tài)掃描法鍵值編碼形式：回送線PC0,PC1,PC2,PC3上的鍵值（每條回送線上有8個鍵，順序從左到右）分別為00H+（00H～07H）、08H+（00H～07H）、10H+（00H～07H）、18H+（00H～07H）。其中，（00H～07H）的具體內(nèi)容由掃描線決定，存放在R4中。（1）掃描是否有鍵按下子程序KEY1，回掃線的值存放在A中。程序如下：

ORG1000HKEY1:MOVDPTR,#7F00H;將PA口地址送DPTR，PA口作為掃描線

MOVA,#00H ;所有掃描線均為低電平

MOVX@DPTR,A ;PA口向列線輸出00H INCDPTR INCDPTR ;指向PC口

MOVXA,@DPTR ;取回送線狀態(tài)

CPLA ;行線狀態(tài)取反

ANLA,#0FH ;屏蔽A的高半字節(jié)

RET ;返回（2）判斷是否有鍵按下子程序KEY，如果有，識別按鍵的鍵碼。其中DELAY1是延時子程序。程序如下：

KEY:ACALLKEY1 ;檢查有鍵閉合否

JNZLKEY1 ;A非0說明有鍵按下

ACALLDELAY1 ;執(zhí)行一次延時子程序（延時6ms）

AJMPKEY LKEY1:ACALLDELAY1 ACALLDELAY1 ;有鍵閉合延時2×6ms=12ms以去抖動

ACALLKEY1 ;延時以后再檢查是否有鍵閉合

JNZLKEY2 ;有鍵閉合，轉(zhuǎn)LKEY2 ACALLDELAY1 ;無鍵閉合，說明是干擾信號，不作處理

AJMPKEY ;延時6ms后轉(zhuǎn)KEY繼續(xù)等待鍵入

LKEY2:MOVR2,#0FEH ;掃描初值送R2，設(shè)定PA0為當(dāng)前掃描線

MOVR4,#00H ;回送初值送R4LKEY4:MOVDPTR,#7F00H ;指向PA口

MOVA,R2 MOVX@DPTR,A ;掃描初值送PA口

INCDPTR INCDPTR ;指向PC口

MOVA,@DPTR ;取回送線狀態(tài)

JBACC.0,LONE ;ACC.0=1，第0行無鍵閉合，轉(zhuǎn)LONE MOVA,#00H ;裝第0行行值

AJMPLKEYP ;轉(zhuǎn)計算鍵碼

LONE:JBACC.1,LTWO ;ACC.1=1，第1行無鍵閉合，轉(zhuǎn)LTWO

MOVA,#08H ;裝第1行行值

AJMPLKEYP ;轉(zhuǎn)計算鍵碼

LTWO:JBACC.2,LTHR ;ACC.2=1，第2行無鍵閉合，轉(zhuǎn)LTHR MOVA,#10H ;裝第2行行值

AJMPLKEYP LTHR:JBACC.3,NEXT ;ACC.3=1，第3行無鍵閉合，轉(zhuǎn)NEXT MOVA,#18H ;裝第3行行值

LKEYP:ADDA,R4 ;計算鍵碼

PUSHACC ;保存鍵碼

LKEY3:ACALLDELAY1 ;延時6ms ACALLKEY1 ;判斷鍵是否繼續(xù)閉合，若閉合再延時

JNZLKEY3 POPACC ;若鍵釋放，則鍵碼送A RET NEXT:INCR4 ;列號加1 MOVA,R2 JNBACC.7,KND ;第7位為0，已掃描到最高列，轉(zhuǎn)KND RLA ;循環(huán)右移一位

MOVR2,A AJMPLKEY4 ;進行下一列掃描

KND:AJMPKEY ;掃描完畢，開始新的一輪

DELAY1: ······ ;延時子程序，略

END

其中，P1.0和P1.1作為行線。鍵盤的編碼為：P1.0線上的8個鍵分別為00H+（00H～07H），P1.1線上的8個鍵分別為08H+（00H～07H）。掃描線（00H～07H）的具體值存放在R4中。程序采取查詢方式讀取鍵號，并且考慮了鍵的抖動問題。DLY1是延時子程序。

程序如下：

ORG1000H SERKEY:MOVSCON,#00H ;設(shè)置串行口

MOVA,#00H ;鍵盤初始化，送00H到列線上

LCALLVARTO ;發(fā)送數(shù)據(jù)

CHK:JNBP1.0,CHK0 ;檢查是否有鍵按下

JNBP1.1,CHK0 ;檢查是否有鍵按下

AJMPCHK ;無鍵按下，繼續(xù)查找

CHK0:LCALLDLY1 ;調(diào)用10ms延時子程序，去抖

JNBP1.0,CHEN ;確實有鍵按下，轉(zhuǎn)CHEN JNBP1.1,CHEN AJMPCHK