單片機課程設計 模擬鍵盤輸入及顯示系統(tǒng)設計

1、課 程 設 計 說 明 書課程名稱：單片機應用基礎 設計題目：模擬鍵盤輸入及顯示系統(tǒng)設計專 業(yè) ：機械設計制造及其自動化指導教師 ： 設 計 者 ： 學 號 ： 目 錄第一章 課程設計的目的和要求 11.1課程設計的目的和要求 11.2課程設計預備知識 11.3課題設計的任務 2第二章 總體設計介紹對系統(tǒng)設計的總體認識及解決方案，并對采取的方案進行論證第三章 硬件設計介紹本系統(tǒng)所選用的各種芯片的功能、引腳、相應的命令控制字格式等，畫出系統(tǒng)工作原理圖及實現(xiàn)方法第四章 軟件設計介紹本系統(tǒng)的主要功能模塊程序的框圖，以及總體程序框圖和設計思路第五章 系統(tǒng)調試介紹系統(tǒng)調試過程以及出現(xiàn)的問題、解決方法第六

2、章 結束語簡述課程設計的收獲、體會以及對本教學環(huán)節(jié)的意見和建議參考文獻第一章、 課程設計目的和要求1.1 課程設計目的和要求單片機應用基礎課程設計是學好本門課程的又一重要實踐性教學環(huán)節(jié)，課程設計的目的就是配合本課程的教學和平時實驗，以達到鞏固消化課程的內容，進一步加強綜合應用能力及單片機應用系統(tǒng)開發(fā)和設計能力的訓練，啟發(fā)創(chuàng)新思維，使之具有獨立單片機產品和科研的基本技能，是以培養(yǎng)學生綜合運用所學知識的過程，是知識轉化為能力和能力轉化為工程素質的重要階段。1.2課程設計預備知識總的來說，設計者要具備Mcs-51單片機的有關硬件及軟件知識，匯編語言編程或者C語言編程的有關知識，IO接口的有關知識，W

3、AVE6000集成調試軟件的應用，能利用PROTEUS軟件繪制系統(tǒng)工作原理，一定的設計經驗等等。本次設計所要掌握的一些基本知識如下：（1）鍵盤工作原理鍵盤是由若干按鍵組成的開關矩陣，是嵌入式控制系統(tǒng)的一種輸入部件。鍵盤分兩種：一種是獨立式按鍵，另一種是矩陣式按鍵。如圖所示。獨立式按鍵用的比較少，可以直接與單片機的P1口某一位進行連接，通過判斷這一位的狀態(tài)知道是否有鍵輸入。在應用中通常需要數量較多的按鍵，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如P1口）就可以構成4*4=16個按鍵

4、，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，在需要的鍵數比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。 獨立式鍵盤和4*4矩陣式鍵盤矩陣式結構的鍵盤顯然比直接法要復雜一些，識別也要復雜一些，上圖中，行線通過電阻接正電源，并將列線所接的單片機的I/O口作為輸出端，而行線所接的I/O口則作為輸入。這樣，當按鍵沒有按下時，所有的輸出端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。（2）LED顯示接口及原理LED是發(fā)光二極

5、管的英文縮寫，LED顯示器是由發(fā)光二極管構成的，它在單片機中的應用非常普遍。通常所說的LED顯示器由7個發(fā)光二極管組成，其排列形狀如圖所示。此外，顯示器中還有一個圓點型發(fā)光二極管以dp表示，用于小數點表示。通過七個發(fā)光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數字、字母以及其它符號。LED顯示中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法:共陽極接法：把發(fā)光二極管的陽極連在一起構成公共陽極。使用時公共陽極接+5V。這樣陰極端輸入低電平的段發(fā)光二極管就導通點亮，而輸入高電平的則不亮。共陰極接法：把發(fā)光二極管的陰極連在一起構成公共陰極。使用時公共陰極接地。這樣陽極端輸入高電平的段發(fā)光二極管就導通點亮，而輸入低電平的則不亮

6、?？刂茢荡a管驅動級的控制電路有靜態(tài)式和動態(tài)式兩類：靜態(tài)驅動：它是指每個數碼管都要用一個譯碼器譯碼驅動。動態(tài)驅動：它是所的數碼管使用一個專門的譯碼驅動器，使各位數碼管逐個輪流顯示，它的掃描速度極快，因此顯示效果與靜態(tài)驅動相同。采用動態(tài)數碼管顯示，可以大幅度地降低硬件成本和電源的功耗，因為某一時刻只有一個數碼管工作，就是所謂的分時顯示，顯示所需要的硬件電路可分時復用。 共陰極 共陽極 符號與引腳 如表1為共陽極與共陰極的代碼表表1 十六進制數字形代碼表字型共陽極代碼共陰極代碼字型共陽極代碼共陰極代碼0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3B0H4FHC

7、C6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF8EH71H7F8H07H滅FFH00H880H7FH(3) 鍵盤輸入與LED顯示設計中通過鍵盤輸入到單片機中，由程序控制找到輸入點，計算鍵碼，調用顯示模塊，把輸入的數值通過LED顯示器顯示出來。(1) 判斷鍵盤中有無鍵按下： 將全部行線P1.0到P1.3置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與4根行線相交叉的4個按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。 (2) 判斷閉合鍵所在的位置： 在確認有鍵按下后，即可進入確定具體閉合鍵的過程。其方法

8、是：將行線置為低電平，即在置行線為低電平時，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。檢測的方法是P1.4-P1.7輸出全“1”，讀取P1.0-P1.3的狀態(tài)，若P1.0-P1.3為全“0”，則無鍵閉合，否則有鍵閉合。 (3) 去除鍵抖動：當檢測到有鍵按下后，延時一段時間再做下一步的檢測判斷。 (4) 識別：當確定鍵按下時，通過軟件計算鍵碼找到相對位置的數據調用顯示模塊把數字或字母顯示出來或者實現(xiàn)其他功能。1.3課題設計的任務根據給定的任務要求選擇合適的單片機和其他電子元器件，進行系統(tǒng)硬件電路設計

9、和軟件編程，根據系統(tǒng)制作并調試系統(tǒng)電路板，使之實現(xiàn)任務要求。有關參數選擇要求符合國家標準。具體設計內容如下：1. 模擬鍵盤輸入及顯示模塊。2. 設計系統(tǒng)工作原理圖，利用PROTEUS軟件繪制系統(tǒng)工作原理圖；3. 系統(tǒng)控制程序設計、調試及實現(xiàn)：（1）根據要求，寫出完整的程序流程圖；（2）將設計程序輸入、匯編，排除語法錯誤，生成*.OBJ文件；（3）按所設計的原理圖，在實驗平臺上連線，檢查無誤；（4）將目標文件傳送到實驗系統(tǒng)，執(zhí)行并運行調試該程序，最終實現(xiàn)控制要求4. 寫出設計說明書，說明書格式見附錄，3000字左右第二章、模擬鍵盤輸入及顯示模塊的總體設計1、明確任務根據課題的要求確定所要設計的任

10、務，分析后確定設計一個4x4矩陣鍵盤的識別和7段數碼管動態(tài)顯示綜合的系統(tǒng)，控制4個7段數碼管動態(tài)掃描顯示4x4矩陣鍵盤上按下的按鍵所對應的值，第一次按下后，每按下一次鍵數碼管上的數字左移一位；另外設一個功能鍵，當按下此功能鍵后數碼管上將顯示設計者的學號，先顯示2009一段時間，然后顯示6230一段時間，之后將顯示屏清零，等待下一次的輸入。2、 硬件和軟件功能的劃分系統(tǒng)的硬件配置和軟件設計是緊密地聯(lián)系在一起的，且硬件和軟件具有一定的互換性，硬件完成一些功能，可以提高工作速度，但降低了系統(tǒng)的柔性。若用軟件替代某些硬件功能，可增加系統(tǒng)的柔性，但降低系統(tǒng)的工作速度。因此，總體設計時，應綜合考慮，合理劃

11、分硬件和軟件的功能。經過分析后，確定4x4矩陣鍵盤用于單片機系統(tǒng)的輸入，4個數碼管用于顯示按鍵所對應的值及顯示設計者的學號，而單片機則用于邏輯控制和程序的執(zhí)行，程序則是為實現(xiàn)所設計的功能而編寫。經過論證，該方案能夠實現(xiàn)課程設計所要求的任務及預期的目標。第三章、模擬鍵盤輸入及顯示模塊的硬件設計1、系統(tǒng)擴展實驗仿真系統(tǒng)的CPU是8031，因此，必須首先組成最小系統(tǒng)，即由8031、地址鎖存器和程序存儲器組成。2、功能接口所謂接口是CPU與外界的連接部件，以實現(xiàn)CPU與外部設備的最佳耦合和匹配。包括鍵盤、顯示、A/D轉換、D/A轉換和打印機等。根據課題要求選用外設，并選用合適的外圍接口芯片。3、 系統(tǒng)

12、的組成及統(tǒng)一編址I/O端口是CPU與I/O設備直接通信的地址。單片機系統(tǒng)對I/O端口是采用端口地址與存儲器地址統(tǒng)一編址的方式，即存儲器映射方式。而編址技術又分線選法和譯碼法。設計者在設計硬件時，應自行編址。4、 80C51單片機引腳圖及引腳功能介紹單片機的40個引腳大致可分為4類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。80C51單片機引腳圖如下：4. 電源: VCC - 芯片電源，接+5V； VSS - 接地端；4. 時鐘:XTAL1、XTAL2 - 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。4. 控制線:控制線共有4根， ALE/PROG:地址鎖存允許/片內EPROM編程脈沖 ALE功能：用來鎖存P0口送出的

13、低8位地址 PROG功能：片內有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 PSEN:外ROM讀選通信號。 RST/VPD:復位/備用電源。 RST（Reset）功能：復位信號輸入端。 VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。 EA/Vpp:內外ROM選擇/片內EPROM編程電源。 EA功能：內外ROM選擇端。 Vpp功能：片內有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。4. I/O線80C51共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。另外，P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。5、 鍵盤設計如下：

14、80C51單片機的并行口P2接4×4矩陣鍵盤，以P1.0P1.3接鍵盤列線，以P1.4P1.7作行線；實際電路圖連接如下圖所示。6、 4位7段碼數碼管的連接P0口輸出按鍵信息，即段碼，與數碼管的a、b、c、d、e、f、g、dp相連，并接上+5v電源和上拉電阻；P1口低四位作為位控，與數碼管的1、2、3、4口相連，在數碼管上顯示每個按鍵的“0E”鍵值。7、 最后設計的系統(tǒng)工作原理圖如下：第四章、軟件設計一個優(yōu)秀的的系統(tǒng)的軟件應具有下列特點：軟件結構清晰、簡捷、流程合理。各功能程序實現(xiàn)模塊化、子程序化。這樣，既便于調試、鏈接，又方便移植、修改。程序存儲區(qū)、數據存儲區(qū)分配合理。運行狀態(tài)實現(xiàn)

15、標志化管理。各個功能程序運行狀態(tài)、運行結果以及運行要求都設置狀態(tài)標志（一般用位尋址區(qū)的位）以便查詢，程序的轉移、運行、控制都可以通過狀態(tài)標志條件來控制。實現(xiàn)全面軟件抗干擾設計。（由于條件有限，課程設計中不考慮。）軟件設計一般步驟如下：1、 系統(tǒng)定義系統(tǒng)定義是在軟件設計前，把軟件承擔的任務明確出來。合理定義和分配存儲空間、定義標志位。資源分配的主要工作是RAM資源的分配。片外RAM的容量要比片內RAM大，通常用來存放批量大的數據，如采樣數據系列。主要考慮片內RAM的分配。系統(tǒng)上電復位時，自動定義0區(qū)為工作寄存器，1區(qū)為堆棧，并向2區(qū)、3區(qū)延伸。如果系統(tǒng)前臺程序要用1區(qū)、2區(qū)作為工作寄存器，就應將

16、堆?？臻g重新規(guī)劃，常將堆棧安放在片內RAM的高端，如60H7FH。在工作寄存器的8個單元中，R0和R1具有指針功能，是編程的重要角色，應充分發(fā)揮其作用，盡量避免用來做其他事情。20H2FH這16個字節(jié)具有位尋址功能，用來存放各種軟件標志、邏輯變量、位輸入信息、位輸出信息副本、狀態(tài)變量、邏輯運算的中間結果等。當這些項目全部安排好后，保留一兩個字節(jié)備用，剩下的單元才可改作其他用途。30H7FH為一般通用寄存器，只能存入整字節(jié)信息。通常用來存放各種參數、指針、中間結果，或用作數據緩沖區(qū)。RAM資源規(guī)劃好后，應列出一張RAM資源的詳細分配清單，作為編程依據。為了增加可讀性，便于修改，一般對分配的存儲單

17、元取名。如保存當前時間的時、分、秒取HOUR、MINI、SEC，編程時用變量名，編譯時只需在前面加HOUR EQU 24H即可（20H為分配給小時的存儲單元的地址）。2、 軟件結構設計軟件設計有兩種方法：一種是自上而下，逐步細化；另一種是自下而上，先設計出每一個具體的模塊（子程序），然后再慢慢擴大，最后組成一個系統(tǒng)。本次軟件設計采用兩種方法結合的方法，主程序采用自上而下的方法，將它分成若干個功能相對獨立的較小的程序模塊。然后再采用自下而上的方法，設計一個模塊，調試一個模塊，加入主程序調試；再進行下一個模塊設計和調試。設計思路如下：先運行主程序，首先是一些變量的定義及初始化，然后定義四字節(jié)的顯示

18、存儲區(qū)并將其初始化，接著執(zhí)行鍵盤子程序，鍵盤子程序的第一步是執(zhí)行鍵盤查詢程序，此程序為系統(tǒng)的待機狀態(tài)，即為系統(tǒng)不斷循環(huán)執(zhí)行鍵盤檢查程序，來檢查是否有鍵按下，在每一次的鍵盤檢查時，都要執(zhí)行一次顯示子程序，以保證數碼管處于亮的狀態(tài)，如果有鍵按下，則計算鍵碼并將鍵碼存到顯示存儲區(qū)中，之后返回到鍵盤子程序。3、 繪制程序流程框圖3.1主程序的流程框圖如下開 始各變量及顯示緩沖區(qū)初始化數碼管顯示鍵盤檢查，是否有鍵按下？NO執(zhí)行顯示學號程序讀入鍵值YES是否等于15？YESNO緩存單元依次右移一位，最后一位存入此次鍵值3.2鍵盤檢查子程序流程框圖開 始初始化地址參數載入行掃描指針列掃描信號移位讀入行信號計

19、算鍵值查得鍵碼表該列有值輸入？等待按鍵釋放4列掃描完了？返 回3.3、編寫程序在確保程序框圖的正確性的前提下，才能編寫程序。在編程時必須注意以下幾點：一定要嚴格根據框圖編程。一定要寫注釋。通過編譯后，只表明語法沒錯，并不表明邏輯正確，一定要用不同的數據對模塊進行測試。完全符合預定結果，方可確認通過。將該模塊加到主控模塊進行測試，如果與預定結果不符，必須查找原因，進行修改、調試。必須注意隨時保存調試通過的副本。以便當新程序出現(xiàn)故障時，隨時可返回前面的正確點重新開始。4、 編寫設計說明書設計說明書的格式見附錄。由于設計時間緊迫，要求學生盡量不要在完成全部設計后再編寫設計說明書。而應在設計過程中逐步

20、完成。一開始不可能設計出滿意的主程序框圖。因此，總體設計部分在完成全部設計任務后再寫。而硬件部分和軟件部分可以在設計過程同步完成。第五章、系統(tǒng)調試和仿真 編寫程序后，將程序載入WAVE6000集成調試軟件進行調試，結果正常；利用PROTEUS軟件繪制系統(tǒng)工作原理后，將程序載入，然后進行模擬仿真，系統(tǒng)一起運行正常：按下鍵后系統(tǒng)能夠正常顯示，輸入多位數值檢測能夠實現(xiàn)移位；而且當按下16號鍵時，系統(tǒng)顯示學號正常，這證明此次設計結果達到了預期結果。第六章、結束語課程設計是培養(yǎng)學生運用綜合運用所學知識，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題，鍛煉實際能力的重要環(huán)節(jié)，是對我們實際工作能力的具體訓練和考察過程。隨著科學技術發(fā)展的日新月異，單片機已經成為當今計算機應用中空前活躍的領域，在生活中無處在。作為機電專業(yè)的學生來說，單片機