4×4_矩陣鍵盤計算器設計

1、西 華 大 學課程設計說明書題目44 矩陣鍵盤計算器設計系(部)電氣信息學院專業(yè)(班級)自動化3班姓名學號指導教師胡紅平起止日期2012.6.10-2012.6.30計算機接口及應用課程設計任務書系(部)：電氣信息學院 專業(yè)：09自動化指導教師： 日期：2012-6-20課題名稱44 矩陣鍵盤計算器設計設計內容及要求1課題內容：以單片機為核心，完成1.1 44 矩陣鍵盤的按鍵掃描；1.2 利用數(shù)碼管顯示255內的減法運算的值。2要求：2.1 完成該系統(tǒng)的硬件和軟件的設計，在Proteus軟件上仿真通過；2.2 外圍硬件的電路原理圖設計組與組間不得完全一樣。否則將嚴重影響評分成績。設計工作量1、

2、匯編或C51語言程序設計；2、軟件設計在Keil C調試、仿真，硬件設計在Proteus7.6版本上進行調試、仿真；3、提交課程設計說明書，包括設計原理、軟件設計、程序分析（程序重要部分要求加注釋）、仿真和調試過程分析、參考文獻、設計總結等，具體要求見課程設計說明書模板。進度安排起止日期（或時間量）設計內容（或預期目標）備注第1天課題、安排介紹、分組；課題介紹之后，收集、查閱資料方案論證、設計項目確定、系統(tǒng)整體設計。第2天第4天硬件設計：利用Proteus7.6平臺結合軟硬件設計調試、仿真；軟件設計：利用Keil C平臺，編程、調試、仿真；第5天第6天驗收作品、答辯第7天撰寫課程設計說明書教研

3、室意見年 月 日系（部）主管領導意見年 月 日西華大學課程設計鑒定表姓名學號專業(yè)班級設計題目指導教師指導教師意見：評定指標序號評定內容評定等級優(yōu)秀良好及格不及格1系統(tǒng)框圖設計2電路原理圖3程序流程圖4程序設計評定等級： 教師簽名： 日期：答辯小組意見：評定等級：答辯小組長簽名：日期：教研室意見：教研室主任簽名： 日期： 系（部）意見：系主任簽名：日期：說明課程設計成績分“優(yōu)秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四類； 西華大學課程設計說明書 摘 要近幾年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機的應用正在不斷深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測技術日益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統(tǒng)中，單片機往往作為一個核心

4、部件來使用，僅單片機方面的知識是不夠的，還應根據(jù)具體硬件結合，加以完善。本任務是個簡易得三位數(shù)的減法運算，用44 矩陣鍵盤及計算器設計，利用數(shù)碼管實現(xiàn)255內的減法運算。程序都是根據(jù)教材內和網絡中的程序參考編寫而成，在功能上還并不完善，限制也較多。本任務重在設計構思與團隊合作，使得我們用專業(yè)知識，專業(yè)技能分析和解決問題全面系統(tǒng)的鍛煉。關鍵詞：單片機，AT89C51，矩陣鍵盤，數(shù)碼管 ABSTRACTIn recent years, along with the rapid development of science and technology, the application of SCM

5、 is unceasingly thorough, it causes the traditional control test technology increasingly updates. In real-time detection and automatic control of single-chip microcomputer application system, often as a core component to use, only microcontroller aspects of knowledge is not enough, should according

6、to specific hardware combined, and perfects. This task is a simple three digits, subtract with 4 * 4 matrix keyboard and a calculator design, use digital tube realization within the 255 subtract. Program is according to the teaching material and within the network reference and compiled program, on

7、the function is not perfect, restrictions also more. This task focuses on design conception and team cooperation, make us with professional knowledge, professional skills to analyze and solve problems of full system exercise. Keywords: Single-chip，AT89C51， Matrix keyboard ，digital tube 目 錄摘 要IABSTRA

8、CTII第1章 課題概述11.1 課題概述1 1.2 課題要求2第2章 系統(tǒng)設計32.1 設計思路32.2 框圖設計32.3 知識點32.4 硬件設計42.4.1 電路原理圖42.4.2 元件選擇42.4.3 PCB制版及效果92.5 軟件設計102.5.1 程序流程圖102.6 系統(tǒng)仿真及調試112.6.1 硬件調試112.6.2 軟件調試112.6.3 軟硬件調試11結 論12參考文獻14附 錄15III第1章 課題概述1.1 課題概述隨著當今時代的電子領域的發(fā)展，尤其是自動化的控制領域，傳統(tǒng)的分立元件或數(shù)字邏輯電路構成的控制系統(tǒng)正被智能化的單片機所取代。主要是因為單片機具有體積小、功能強

9、、成本低、能耗低、應用面積廣等優(yōu)點?？梢哉f，智能控制系統(tǒng)的核心就是單片機。單片機的應用已經貫穿到了我們生活各個方面。本設計是基于51系列單片機的進行的計算模式的設計，可以完成矩陣鍵盤輸入，并進行減的8位無符號數(shù)字的運算，在輸入的同時數(shù)據(jù)要同步動態(tài)顯示在LED顯示器上。單片機總體功能的簡介：（1） 智能產品：單片機與傳統(tǒng)的機械產品相結合，使傳統(tǒng)的機械產品結構簡單，控制智能化，使機電成為一個有機的整體，減少人工的體力腦力活。目前，利用單片機構成的智能產品已廣泛應用于家用電器、辦公設備及各種工廠的機床。（2） 智能儀器：各種傳感器、變送器、控制儀已普遍的采用單片機應用系統(tǒng)。它集測量、處理、控制等功能

10、于一體，具有各種智能化功能，如儲存、數(shù)據(jù)處理、查找等功能；（3） 測控技術：用單片機構成的各種工業(yè)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強的優(yōu)點；（4） 智能接口：在計算機系統(tǒng)中，除通用的外部設備外，還有許多外部通信、采集、多路分配管理、驅動控制等接口都是利用單片機與主機并行加工處理，大大的減少接口的通信密度，極大的提高了接口控制管理水平。1.2 課題要求 根據(jù)題目44 矩陣鍵盤計算器設計，設計需滿足以下要求：1、分別識別16個鍵盤值；2、設定前10個為0到9，后面鍵值分別是A、B、C、D，最后一個鍵值為確認鍵；3、利用數(shù)碼管實現(xiàn)255內的減法運算。4、對44 矩陣鍵盤先進行全掃

11、描，再進行行掃描。5、在LED數(shù)碼管里面動態(tài)顯示掃描的內容。第2章 系統(tǒng)設計2.1 設計思路設計主要是利用AT89C51進行數(shù)據(jù)處理，利用44矩陣鍵盤的按鍵掃描，利用LED數(shù)碼管的動態(tài)顯示。該設計首先是運用矩陣鍵盤的按鍵掃描，然后把掃描得到的鍵值進行譯碼，其次把譯碼所得的數(shù)值進行處理，最后將處理后的值進行動態(tài)顯示。矩陣鍵盤和數(shù)碼管分別接在P1和P0,這樣大大的節(jié)約了單片機的I/O端口。2.2 框圖設計 圖2.1系統(tǒng)結構框圖對44 矩陣鍵盤的按鍵進行全掃描和行掃描，把掃描的結果進行處理，處理后的結果放到LED數(shù)碼管了里面進行動態(tài)顯示。2.3 知識點本設計主要是運用到了單片機原理及接口技術里面所學

12、的一些單片機的知識，有時鐘電路及89C51 CPU時序、LED動態(tài)顯示原理、匯編語言程序設計知識。2.4 硬件設計2.4.1 電路原理圖利用proteus仿真電路，電路圖2.2，晶振接在XTAL1、XTAL2口上，復位電路接在REST口上，矩陣鍵盤的四列接在P1口的低四位，矩陣鍵盤的四行接在P1口的高四位，LED數(shù)碼管的段選碼接口于P0口相連，LED數(shù)碼管的位選碼接口于P2.5-P2.7相連。764325811-89C51單片機芯片 2-開關 3-電源 4-接地 5電容6-晶振 7-數(shù)碼管 8-電阻圖2.2 proteus仿真電路圖 表編號為：章數(shù).表序號不要讓表頭、說明與表分成2頁2.4.2

13、 元件選擇1、元件清單表2.1電路元件清單序號名 稱型 號數(shù) 量用 途1單片機芯片89C511片用于系統(tǒng)的中控2電阻1008個控制電壓3電容30pf3微調4晶振12MHz1穩(wěn)定振蕩5數(shù)碼管7SEG-MPX4-CA1顯示2、關鍵元件a.AT89C51AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATME

14、L高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖片見下圖：圖2.3 AT89C51（1）主要特性：與MCS-51兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內振蕩器和時鐘電路

15、 （2）管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接

16、收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”

17、后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：口管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE

18、/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問

19、外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。（3）振蕩器特性： XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接

20、。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。b.矩陣鍵盤首先判別鍵盤中有無鍵按下，由單片機I/O口向鍵盤送全掃描字，然后按讀入列線狀態(tài)；來判斷。方法是：向行線輸出全掃描字00H，把全部行線置為低電平，然后將列線的電平狀態(tài)讀入累加器A中。如果有按鍵按下，總會有一根列線電平悲拉置低電平，從而使列輸入不全為1.判斷鍵盤中哪一個按鍵悲按下是通過將行線逐行置低電平后，檢查列輸入狀態(tài)實現(xiàn)的。方法是：依次給行線送低電平，然后檢查所有列線狀態(tài)，稱行掃描。如果全為1，則所按下的鍵不在此行；如果不全為1，則所按下的鍵必在此行，而且是在與零

21、電平列線相交的那個鍵。表編號為：章數(shù).表序號不要讓表頭、說明與表分成2頁2.4.3 PCB制版及效果圖2.4 PCB制圖圖2.5 3D模型圖圖2.3是利用proteus里面自帶的軟件繪制的PCB制版，圖2.4是它的3D模仿出來的立體效果。2.5 軟件設計2.5.1 程序流程圖圖2.6初始化后，程序開始進入主程序，1、進行按鍵判斷，如果有鍵按下，繼續(xù)往下執(zhí)行，否則重新掃描；2、如果有鍵按下，延時5MS；3、再次按鍵判斷，如果有鍵按下，繼續(xù)往下執(zhí)行，否則重新掃描；4、如果有鍵按下，確定按鍵位置；5、再次進行按鍵判斷，如果有鍵按下，繼續(xù)往下執(zhí)行，否則，表示出錯，重新掃面；6、如果有鍵按下，對按鍵譯碼

22、；7、判斷是否按鍵釋放，如果釋放，繼續(xù)往下執(zhí)行，否則等待；8、對送來的譯碼值進行數(shù)據(jù)處理；9、把處理的數(shù)據(jù)，放到LED數(shù)碼管中動態(tài)顯示。2.6 系統(tǒng)仿真及調試系統(tǒng)的調試主要通過proteus軟件進行仿真。單片機應用系統(tǒng)的調試包括硬件和軟件兩部分，但是他們并不能完全分開。一般方法是排除明顯的硬件故障，在進行綜合調試，排除可能的軟（硬）件故障。2.6.1 硬件調試硬件調試分為靜態(tài)調試和動態(tài)調試，對于硬件調試而言，只要認真焊接，硬件一般不會出現(xiàn)什么問題的。靜態(tài)調試一般采用的工具是萬用表，它是用戶系統(tǒng)未工作時的一種硬件檢測。動態(tài)調試是在用戶系統(tǒng)工作的情況下發(fā)現(xiàn)和排查錯誤的一種硬件檢測。調試步驟為：首先

23、把電路分為若干模塊，調試過程中與該模塊無關的元件可以不加考慮，這樣可把故障限定在一定的范圍內，故障清除后，把各個模塊合在一起進行聯(lián)調，即可完成整個硬件調試工作。2.6.2 軟件調試軟件調試是通過對程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯誤與邏輯錯誤并加以排除糾正的過程。2.6.3 軟硬件調試軟硬件調試是指把調試無誤的軟件程序灌進單片機芯片內部，接通電源后，檢查硬件工作是否有預期的效果，如果沒有則需要檢測軟件是否在現(xiàn)實功能上有欠缺。若有錯誤，通過寫軟件來調試，直至達到預期效果，則設計圓滿成功。本課程設計調試結果如下圖所示圖2.7 效果圖結 論很快一周多的時間又過去了，一個星期的課程設計對于我們初學者來說并不簡單，畢竟我們對單片機這門課程花的時間很少，上課的時間和上機的時間僅僅那么多，所以我們對這門課程的知識只了解了一個大概。對于這一個星期的成就我感到很欣慰，能夠自己編出一個程序運用到實踐當中。剛開始我們都不知道如何動筆，看到那么多的課題，心中在暗暗