數(shù)顯鍵盤設(shè)計與制作

1、 摘 要隨著我國社會科技經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，以及電子信息技術(shù)與機械行業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，數(shù)顯鍵盤在各個領(lǐng)域得到全面地應(yīng)用。它在給我們平時生活以及科研應(yīng)用帶來方便的同時，也暴露出了很多的問題?，F(xiàn)今市場上存在很多數(shù)顯鍵盤的應(yīng)用產(chǎn)品，要么顯示不穩(wěn)定，要么鍵盤不能及時響應(yīng)，且價格較高等缺點。市場急需要一種能及時響應(yīng)，顯示穩(wěn)定且性價比可以接受的數(shù)顯鍵盤產(chǎn)品。本文從數(shù)顯鍵盤的技術(shù)簡介以及國內(nèi)外研究狀態(tài)開始，論述了鍵盤設(shè)計制作方法。然后由元器件的選擇開始，結(jié)合單片機技術(shù)，就設(shè)計數(shù)顯鍵盤所用技術(shù)進行了全面的介紹和討論，最后討論了數(shù)顯鍵盤的制作結(jié)果及分析解決問題的方法。由于好的數(shù)顯鍵盤設(shè)計方案同鍵盤設(shè)計者

2、的實際設(shè)計制作經(jīng)驗有很大關(guān)系，鑒于作者能力經(jīng)驗的不足，論文中很多論述及設(shè)計制作方案還有疏漏及不完整的地方，相信會在今后的學習工作中改進。關(guān)鍵詞： 數(shù)顯鍵盤 單片機技術(shù) 硬件設(shè)計 軟件設(shè)計 ABSTRACT Along with our country social science and technology economy of booming development, and electronic information technology and machinery industry development and the improvement of peoples living s

3、tandard, digital keyboard in various fields get comprehensive application. It gives us peacetime life bring convenience and research applications at the same time, also exposed a lot of problems. There are many on the market today, the application of digital keyboard or product showed no stable, or

4、keyboard cannot respond to, and the price higher shortcomings. Markets need a timely response, show stable and cost-effective acceptable digital keyboard products.This article from the technology introduction and keyboard display research at home and abroad, this paper discusses the state began keyb

5、oard design method. Then the components choice, combined with the single chip microcomputer, start designing digital keyboard technology used a comprehensive introduction and discussion, finally discussed the digital keyboard production results and analysis methods to solve the problems.Due to good

6、digital keyboard design scheme of actual design with the keyboard designer production experience has the very big relations, given the lack of ability experience, the author in this paper and many designmanufacture plan and omissions and incomplete place, believe in future study improve work. Key wo

7、rd: Digital keyboard Microcontroller technology Hardware design Software design 目 錄1 引言11.1 研究背影及意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢22 電路總體設(shè)計方案32.1 總體的結(jié)構(gòu)框架圖32.2 總體設(shè)計方案的確定42.3 元器件的選擇42.3.1 AT89S51單片機芯片功能42.3.2 7段數(shù)碼管83 電路設(shè)計相關(guān)技術(shù)分析123.1 單片機技術(shù)123.1.1 單片機介紹123.1.2 單片機的發(fā)展歷史143.1.3 單片機的應(yīng)用領(lǐng)域153.2 數(shù)碼顯示技術(shù)163.2.1 LED顯示原理173.2.

8、2 LED顯示器接口方法193.2.3 LED顯示器的顯示方式194 系統(tǒng)硬件設(shè)計224.1 單片機及其外圍主要電路的設(shè)計224.2 鍵盤電路設(shè)計245 系統(tǒng)軟件設(shè)計265.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計概述265.2 鍵盤控制模塊設(shè)計276 實驗結(jié)果及分析296.1 運行情況分析296.2 問題的發(fā)現(xiàn)及分析297 結(jié)論和展望307.1 結(jié)論307.2 展望30結(jié)束語31致 謝32參考文獻33附錄331 引言1.1 研究背影及意義1隨著我國社會經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，以及電子信息技術(shù)與機械行業(yè)的發(fā)展以和人們生活水平的提高。數(shù)顯鍵盤在各個領(lǐng)域得到全面地應(yīng)用。它在給我們平時生活以及科研應(yīng)用帶來方便的同時，也暴露出了很多

9、的問題?，F(xiàn)今市場上存在很多數(shù)顯鍵盤的應(yīng)用產(chǎn)品，但存在著顯示不穩(wěn)定，鍵盤不能及時響應(yīng)，且價格較高等缺點。市場急需要一種能及時響應(yīng)，顯示穩(wěn)定且性價比可以接受的數(shù)顯鍵盤產(chǎn)品。目前各種儀表中，通常運用的是LED顯示器和小型鍵盤。常見的工作方式有兩種：一是直接使用系統(tǒng)中的CPU對顯示器進行動態(tài)掃描和鍵盤檢測；二是使用專用的顯示鍵盤芯片。但是這兩種方式存在著不能及時響應(yīng)和性價比低等缺點。于是，作者設(shè)計了一種性價比更為優(yōu)越的數(shù)顯鍵盤，因此本設(shè)計具有一定的實用意義。鍵盤顯示接口，是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的基本接口電路。鍵盤即為按有序排列組成的并帶有相關(guān)輸入功能電路的一組鍵體開關(guān)，CPU通過對鍵盤輸出信號的高低

10、電平來識別信息，再通過各種譯碼方式，最后在顯示器上顯示其輸入的信息。數(shù)顯鍵盤是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的常見應(yīng)運器件，本文主要設(shè)計制作一種基于MCS-51單片機的鍵盤控制及鍵號數(shù)碼顯示電路。設(shè)計制作中運用了最基本的理論知識，且設(shè)計簡單，容易實現(xiàn)，所以這種數(shù)顯鍵盤能廣泛的應(yīng)用于各種智能化儀表中，具有一定實用意義。此外通過設(shè)計和制作數(shù)顯鍵盤，可以使作者更加熟悉單片機及接口電路的基本原理，提高自己設(shè)計制作實用電子產(chǎn)品的能力。通過設(shè)計基于MCS-51單片機鍵盤控制及鍵號數(shù)碼顯示電路，希望能降低智能化儀表的制作成本。通過該制作，同時也期望能優(yōu)化智能化儀表，保證顯示的穩(wěn)定，提高鍵盤的及時響應(yīng)特性。1.2 國內(nèi)外研

11、究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢數(shù)顯鍵盤一般包括一個鍵盤主體、顯示模塊以及用于連接的硬件電路，其控制核心是微處理器（CPU）。目前微處理器廣泛應(yīng)運于研究高精度、高性能、多功能的測量儀器，隨著單片機的出現(xiàn)，引發(fā)了儀器儀表行業(yè)的根本性變革，形成了智能化儀器這一新一代的測量儀器。它解決了很多傳統(tǒng)儀器不能或者不易解決的問題，簡化了電路，降低了成本，同時也提高儀表的穩(wěn)定性和可靠性。鍵盤是由機械打字機的操作部分衍生而來，已經(jīng)具有了一個世紀的歷史。鍵盤的布局格式形成于電子打字機的時代。近年來，隨著集成電路與大規(guī)模集成電路的發(fā)展，鍵盤已經(jīng)被廣泛用于辦公自動化設(shè)備，鍵盤操作也已從過去的只適用于少數(shù)專業(yè)人員使用發(fā)展到現(xiàn)在大多數(shù)人

12、都能使用的簡易操作方式。顯示裝置可以分為多種類型，由最初的只能顯示單純簡單數(shù)字字符發(fā)展到現(xiàn)在的，能夠顯示復(fù)雜完整的各種圖形。如今市場上更是出現(xiàn)了種類繁多的產(chǎn)品，如可伸縮式屏幕、觸控屏幕、超小的媒體播放器以及新型的戶外顯示屏等。數(shù)顯鍵盤集合二者于一體。目前國內(nèi)外生產(chǎn)研制的鍵盤，主要便于操作方便，拓展功能，進一步降低生產(chǎn)成本，便于普及等方向發(fā)展。例如使用無線鍵盤，可遠距離操縱計算機或機械，在諸如手機等產(chǎn)品中嵌入了軟鍵盤等。2 電路總體設(shè)計方案2.1 總體的結(jié)構(gòu)框架圖鍵盤的功能是實現(xiàn)人機對話及實時將控制信號輸入，由此得出的鍵盤結(jié)構(gòu)框架圖如圖2.1所示。由圖可見由矩陣結(jié)構(gòu)鍵盤將輸入控制信號輸入單片機，

13、一方面由單片機輸出顯示編碼信號，啟動顯示驅(qū)動電路，使LED顯示屏顯示相應(yīng)信息，另一方面輸出相應(yīng)控制信號，驅(qū)動被控器件，完成相應(yīng)的受控功能。本文側(cè)重于前者的研究。矩陣結(jié)構(gòu)鍵盤單片機顯示驅(qū)動2位LED顯示屏被控器件圖2.1 總體結(jié)構(gòu)框架圖2.2 總體設(shè)計方案的確定系統(tǒng)設(shè)計以MCS-51系列單片機中的ATS51作為CPU，它將數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、1/O口擴展、串行口通訊、等多種功能模塊集成于一體。鍵盤采用行列式矩陣結(jié)構(gòu)，其行列、列線接入單片機的P1口。單片機由P0口輸出顯示的BCD編碼信號，驅(qū)動LED的7段碼譯碼器CD4511，由兩位LED顯示管顯示。2.3 元器件的選擇電路設(shè)計中，使用以下各種

14、器件，現(xiàn)分述其功能如下。2.3.1 AT89S51單片機芯片功能 本設(shè)計選用AT89S51單片機芯片作為CPU，AT89S51管腳采用雙列直排結(jié)構(gòu)。其管腳排列及功能如圖2.2所示。其主要特性及功能描述如下。圖2.2 AT89S51引腳排列圖1.主要特性(1)與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容(2)4K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器(3)1000次擦寫周期(4)全靜態(tài)工作：0Hz33MHz(5) 32個可編程I/O口線(6) 2個16位定時器/計數(shù)器(7) 6個中斷源(8) 全雙工UART串行通道(9) 低功耗空閑和掉電模式(10) 掉電后中斷可喚醒(11) 看門狗定時器(12) 雙數(shù)據(jù)指針(13)

15、 靈活的ISP編程（字或字節(jié)模式）(14) 4.0-5.5V電壓工作范圍2.內(nèi)部結(jié)構(gòu)AT89S51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.3所示圖 2.3 AT89S51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由圖可見，它可以劃分為CPU、存儲器、并行口、串行口、定時/計數(shù)器和中斷邏輯幾個部分。（1）CPU由運算器和控制邏輯構(gòu)成。其中包括若干特殊功能寄存器（SFR）（2）AT89S51時鐘有兩種方式產(chǎn)生，即內(nèi)部方式和外部方式。（如圖2.4所示）（3）AT89S51在物理上有四個存儲空間：片內(nèi)/片外程序存儲大路、片內(nèi)/片外數(shù)據(jù)存儲器。片內(nèi)有256B數(shù)據(jù)存儲器RAM和4KB的程序存儲器ROM。除此之外，還可以在片外擴展RAM和ROM，并且和有64

16、KB的尋址范圍。（4）AT89S51內(nèi)部有一個可編程的、全雙工的串行接口。它串行收發(fā)存儲在特殊功能寄存器SFR的串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF中的數(shù)據(jù)。（5）AT89S51共有4個（P0、P1、P2、P3口）8位并行I/O端口，共32個引腳。P0口雙向I/O口，用于分時傳送低8位地址和8位數(shù)據(jù)信號；P1、P2、P3口均為準雙向I/O口；其中P2口還用于傳送高8位地址信號；P3口每一引腳還具有特殊功能（圖2-5），用于特殊信號的輸入輸出和控制信號，如表2.1所示。（6）AT89S51內(nèi)部有兩個16位可編程定時器/計數(shù)器T0、T1。最大計數(shù)值為216-1。工作方式和定時器或計數(shù)器的選擇由指令來確定。（7）

17、中斷系統(tǒng)允許接受5個獨立的中斷源，即兩個外部中斷，兩個定時器/計數(shù)器中斷以及一個串行口中斷。圖 2.4 AT89S51的時鐘電路表 2.1 P3口引腳的特殊功能3.外部特性（引腳功能）AT89S51的引腳功能如圖2.2所示，各腳的功能如下。AT89S51芯片有40條引腳，雙列直插式封裝引腳圖如圖2.2所示：（1）Vcc(40)：電源+5V（2）Vss(20): 接地（3）XTAL1（19）和XTAL2（18）：使用內(nèi)部振蕩電路時，用來接石英晶體和電容；使用外部時鐘時，用來輸入時鐘脈沖。（4）P0口（3932）：雙向I/O口，既可作地址/數(shù)據(jù)總線口用，也可作普通I/O口用。（5）P1口（18）：

18、準雙向通用I/O口。（6）P2口（2128）：準雙向口，既可作地址總線口輸出地址高8位，也可作普通I/O口用。（7）P3口（1017）：多用途口，既可作普通I/O口，也可按每位定義的第二功能操作。（8）ALE/PROG（30）：地址鎖存信號輸出端。在訪問片外豐儲器時，若ALE為有效高電平，則P0口輸出地址低8位，可以用ALE信號作外部地址鎖存信號。公式（21）fALE=1/6fOSC ,也可作系統(tǒng)中其它芯片的時鐘源。第二功能PROG是對EPROM編程時的編程脈沖輸入端。（9）RST/VPD（9）：復(fù)位信號輸入端。AT89S51接能電源后，在時鐘電路作用下，該腳上出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平，使

19、內(nèi)部復(fù)位。第二功能是VPD，即備用電源輸入端。當主電源Vcc發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時，VPD將為RAM提供備用電源，發(fā)保證存儲在RAM中的信號不丟失。（10）EA/Vpp(31):內(nèi)部和外部程序存儲器選擇線。EA=0時訪問外部ROM 0000HFFFFH；EA=1時，地址0000H0FFFH空間訪問內(nèi)部ROM，地址1000HFFFFH空間訪問外部ROM。（11）PSEN（29）：片外程序存儲器選通信號，低電平有效。2.3.2 7段數(shù)碼管本設(shè)計采用7段數(shù)碼管，結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。e d c h g f a b abcdefg圖 2.5 7段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖1. LED器件發(fā)光的基本原理發(fā)光二極

20、管(light emitting diode，LED)，是一種把電能變成光能的特種器件，當電流通過它的時候，便可以產(chǎn)生可視的光。發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)主要由PN結(jié)芯片，電極和光學系統(tǒng)構(gòu)成。我們知道，發(fā)光是一種能量轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。當系統(tǒng)受到外界激發(fā)后，會從穩(wěn)定的低能態(tài)躍遷到不穩(wěn)定的高能態(tài)；當系統(tǒng)由不穩(wěn)定的高能態(tài)重新回到穩(wěn)定的低能態(tài)時，能量差以光的形式輻射出來，就會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。當在PN結(jié)上加以正向電壓之后，p區(qū)的空穴注入至N區(qū)，N區(qū)的電子注入至P區(qū)，相互注入的電子與空穴相遇后即產(chǎn)生復(fù)合，這些少數(shù)載流子在結(jié)的注入和復(fù)合中產(chǎn)生輻射而發(fā)光。它是自發(fā)輻射發(fā)光，不需要較高的注入電流產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，也不需要光學諧振

21、腔，發(fā)射的是非相干光。2. LED器件的驅(qū)動方式從LED器件的發(fā)光機理可以知道，當向LED器件施加正向電壓時，流過器件的正向電流使其發(fā)光。因此LED的驅(qū)動就是要使它的PN結(jié)處于正偏置，同時為了控制它的發(fā)光強度，還要解決正向電流的調(diào)節(jié)問題。具體的驅(qū)動方式有直流驅(qū)動，恒流驅(qū)動，脈沖驅(qū)動和掃描驅(qū)動等，本課題LED器件的驅(qū)動為掃描驅(qū)動。其中脈沖驅(qū)動和掃描驅(qū)動原理如下：（1） 脈沖驅(qū)動利用人眼的視覺暫留特性，采用向LED器件重復(fù)通斷供電的方法使之點燃，就是通常所說的脈沖驅(qū)動方式。采用這種方式時應(yīng)該注意兩個問題：脈沖電流幅值的確定和重復(fù)頻率的選擇。首先，要想獲得與直流驅(qū)動方式相當?shù)陌l(fā)光強度，脈沖驅(qū)動電流的

22、平均值。就應(yīng)該與直流驅(qū)動的電流值相同。所以脈沖驅(qū)動時，脈沖電流的幅值應(yīng)該比直流驅(qū)動電流大T/t倍。其次是脈沖重復(fù)頻率的問題，通過視覺暫留特性的分析，己經(jīng)知道脈沖重復(fù)頻率必須高于24Hz，否則會產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。脈沖驅(qū)動的主要應(yīng)用有兩個方面：掃描驅(qū)動和占空比驅(qū)動。（2） 掃描驅(qū)動現(xiàn)行顯示方式多為掃描方式。掃描顯示的原理是基于人類眼睛的視覺暫留效應(yīng)：要顯示行輪流顯示，只要刷新頻率不小于24幀/秒，人們不會有閃爍的感覺。但由于每行顯示占有的時間相對的少，所以亮度難于發(fā)揮到最佳值。以每個掃描周期T掃描16行為例：首先輸出第一行點陣數(shù)據(jù)到列驅(qū)動寄存器，再發(fā)出行驅(qū)動信號，延時一段時間，關(guān)閉行驅(qū)動。完成第一行掃

23、描。然后以同樣方式掃描第二行，第三行一直到第l6行，完成一幀的顯示。掃描驅(qū)動是通過數(shù)字邏輯電路，使若干LED器件輪流導(dǎo)通，用以節(jié)省控制驅(qū)動電路。LED顯示屏是將發(fā)光燈按行或按列布置的，驅(qū)動時也就按行按列驅(qū)動。在掃描驅(qū)動方式下可以按行掃描，按列控制；也可以按列掃描，按行控制。所謂“掃描”的含義，就是指一行一行地循環(huán)接通整行的LED器件，而不問這一行的哪一列的LED器件是否應(yīng)該點亮，某一列的LED器件是否應(yīng)該點亮，由所謂的列控制電路來完成。3. 七段譯碼器CD45112CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，特點：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯

24、碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動LED顯示器。圖 2.6 CD4511管腳排列圖CD4511 是一片 CMOS BCD鎖存/7 段譯碼/驅(qū)動器，引腳排列如圖 2-6 所示。其中a b c d 為 BCD 碼輸入，a為最低位。LT為燈測試端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時使所有筆段均消隱，正常顯示時， B1端應(yīng)加高電平。另外 CD4511有拒絕偽碼的特點，當輸入數(shù)據(jù)越過十進制數(shù)9(1001)時，顯示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端，高電平時鎖存，低電平時傳輸數(shù)據(jù)。ag是

25、7 段輸出，可驅(qū)動共陰LED數(shù)碼管。另外，CD4511顯示數(shù)“6”時，a段消隱；顯示數(shù)“9”時，d段消隱，所以顯示6、9這兩個數(shù)時，字形不太美觀。圖2.7是 CD4511的一位計數(shù)顯示電路，可以克服字形不美的缺陷。若要多位計數(shù)，只需將計數(shù)器級聯(lián)，每級輸出接一只 CD4511 和 LED 數(shù)碼管即可。所謂共陰 LED 數(shù)碼管是指 7 段 LED 的陰極是連在一起的，在應(yīng)用中應(yīng)接地。限流電阻要根據(jù)電源電壓來選取，電源電壓5V時可使用300的限流電阻。各引腳功能綜述如下： BI：4腳是消隱輸入控制端，當BI=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。 LT：3腳是

26、測試輸入端，當BI=1，LT=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。 LE：鎖定控制端，當LE=0時，允許譯碼輸出。 LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。 A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。 CD4511的內(nèi)部有上拉電阻，在輸入端與數(shù)碼管筆段端接上限流電阻就可工作用CD4511實現(xiàn)LED與單片機的并行接口方法如下圖：圖 2.7 CD4511的一位計數(shù)顯示電路3 電路設(shè)計相關(guān)技術(shù)分析3.1 單片機技術(shù)3單片機是一種集

27、成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。3.1.1 單片機介紹單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復(fù)雜

28、的而對體積要求嚴格的控制設(shè)備當中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設(shè)計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。 早期的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術(shù)得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進

29、入主流市場。而傳統(tǒng)的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的32位單片機主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。當代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。 單片機比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的計算機?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片

30、機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電腦配件中都配有1-2部單片機。而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作。汽車上一般配備40多部單片機，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作！單片機的數(shù)量不僅遠超過PC機和其他計算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。 單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學習、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選

31、擇。 單片機內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價錢也是低的，一般不超過10元即可.用它來做一些控制電器一類不是很復(fù)雜的工作足矣了。我們現(xiàn)在用的全自動滾筒洗衣機、排煙罩、VCD等等的家電里面都可以看到它的身影！.它主要是作為控制部分的核心部件。 它是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的（比如家用PC）的主要區(qū)別。 單片機是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器

32、件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個不是很復(fù)雜的功能要是用美國50年代開發(fā)的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大PCB板！但是如果要是用美國70年代成功投放市場的系列單片機，結(jié)果就會有天壤之別！只因為單片機的通過你編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于單片機對成本是敏感的，所以目前占統(tǒng)治地位的軟件還是最低級匯編語言，它是除了二進制機器碼以上最低級的語言了，既然這么低級為什么還要用呢？很多高級的語言已經(jīng)達到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡單，就是單片機沒有家用計算機那樣的CPU，也沒有像硬盤那樣的海量存儲

33、設(shè)備。一個可視化高級語言編寫的小程序里面即使只有一個按鈕，也會達到幾十K的尺寸！對于家用PC的硬盤來講沒什么，可是對于單片機來講是不能接受的。 單片機在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用。一樣的道理，如果把巨型計算機上的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件拿到家用PC上來運行，家用PC的也是承受不了的。 可以說，二十世紀跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和現(xiàn)已進入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱PC機。它由主機、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計算機，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機（亦稱微控制器）。顧名思義，這種計算機的最

34、小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機械的“肚子”里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了。現(xiàn)在，這種單片機的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞“智能型”，如智能型洗衣機等。現(xiàn)在有些工廠的技術(shù)人員或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復(fù)雜，就是功能太簡單且極易被仿制。究其原因，可能就卡在產(chǎn)品未使用單片機或其它可編程邏輯器件上。3.1.2 單片機的發(fā)展歷史1、976-1978 初級8位單片機 I

35、ntel MCS-48 系列 2、978-1983 高檔8位單片機 Intel MCS-51系列： 51子系列：8031/8051/8751 52子系列：8032/8052/8752低功耗型80C31高性能型80C252廉價型89C2051/10513、983- 90年代初 16位單片機 Intel MCS-96 系列8098/8096、80C198/80C196 4、0年代初-至今 16位單片機高檔32位單片機單片機作為微型計算機的一個重要的分支，應(yīng)用面很廣，發(fā)展也很快，1971年Intel公司首次宣布4004的4位微處理器，1974年12月仙童(FairChild)公司即推出8位單片機F8

36、（需另加一塊3851芯片，還不能真正稱的上為單片機）。隨后，Mostek公司和仙童公司一起推出了與F8兼容的3870單片機系列。Intel公司在1976年9月推出了MCS-48單片機系列（包括8048/8748/8035等）；GI（GeneralInstrumentCrop）公司在1977年10月宣布了PIC1650單片機系列；在1978年Rockwell公司也推出了R6500/1系列（與6502微處理器兼容）。這些單片機都有8位CPU、若干個并行I/O口、8位定時器/計數(shù)器、容量有限的RAM和ROM，以及簡單中斷處理等功能。Motorola公司和Zilog公司的單片機問世稍晚一些，但產(chǎn)品性能

37、較高，單片機還有串行I/O、多極中斷處理等功能，片內(nèi)的RAM和ROM容量較大，有的還帶有A/D轉(zhuǎn)換接口。Motorola公司在1978年下半年宣布了與6800微處理器兼容的6801單片機（在此之前，先推出了雙片式的6802）；Zilog公司在同年10月也推出了Z8單片機系列（包括8051/8751/8031等）。到1982年Mostek公司和Intel公司先后推出了16位單片機MK68200（與68000微處理器兼容）和MCS-96系列。1987年Intel公司又推出了性能是8096的2.5倍新型單片機80296。綜上所述，可以把單片機的發(fā)展劃分為四個階段：第一階段（1974年開始）：單片機初

38、級階段。因工藝限制，單片機采用雙片的形式，而且功能比較簡單，如仙童公司的F8實際上只包括了8位CPU、64字節(jié)RAM和2個并行I/O口，因此，還需加一塊3851（由1KROM、定時/計數(shù)器和2個并行I/O口構(gòu)成）才能組成一臺完整微型計算機。第二階段（1976年開始）：低性能單片機階段。以Intel公司的MCS-48為列，采用了單片結(jié)構(gòu)。即在一塊芯片內(nèi)就含有8位CPU、并行I/O口、8位定時/計數(shù)器、RAM和ROM等，但無串行I/O口，中斷處理也比較簡單，片內(nèi)RAM和ROM容量較小，且尋址范圍有限，一般都不大于4K字節(jié)。第三階段（1978年開始）：高性能單片機階段。這一類單片機帶有串行I/O，有

39、多極中斷處理，定時/計數(shù)器為16位，片內(nèi)的RAM和ROM相對增大，且尋址范圍可達64K字節(jié)，有的片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換接口。這類單片機有Intel公司的MCS-51，Motorola公司的6801和Zilog公司Z8等。由于這類單片機應(yīng)用的領(lǐng)域較廣，目前還在不斷改進和發(fā)展著。第四階段（1982年開始）：16位單片機階段。16位單片機除了CPU位16位外，RAM和ROM容量進一步增大，實時處理的能力更強。如Intel公司的MCS-96，其集成度已為120000管子/片，主振幅12MHZ，片內(nèi)RAM為232字節(jié)，ROM為8K字節(jié)，中斷處理為8級，而且片內(nèi)帶有多通道10位A/D轉(zhuǎn)換和高速輸入/輸出部件

40、（HSIO），實時處理的能力很強。根據(jù)1989年5月的統(tǒng)計，包括單片信號處理機在內(nèi)，單片機有70幾個系列463個機種。3.1.3 單片機的應(yīng)用領(lǐng)域目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄象機、攝象機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機的學習、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng)用與智能化控制的科學家、工程師。 單片機

41、廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個范疇：1.在智能儀器儀表上的應(yīng)用單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。例如精密的測量設(shè)備（功率計，示波器，各種分析儀）。2.在工業(yè)控制中的應(yīng)用用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能

42、化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。3.在家用電器中的應(yīng)用可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯褒、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在。4.在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。5.單片機在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用單片機在醫(yī)用設(shè)備

43、中的用途亦相當廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。3.2 數(shù)碼顯示技術(shù)4單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的顯示器通常有LED顯示器、LCD顯示器及CRT顯示器三種類型。 LED（Light Emiting Diode）是發(fā)光二極管的縮寫， LED顯示器是由發(fā)光二極管構(gòu)成的，俗稱數(shù)碼管。3.2.1 LED顯示原理LED顯示器由七個發(fā)光二極管組成，稱七段LED顯示器，排列形狀如圖3.1所示。此外，顯示器中還有一個圓點發(fā)光二極管（dp），用于顯示小數(shù)點。通過七段發(fā)光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數(shù)

44、字（09），字母（af、AF）及其它符號。另外，在使用數(shù)碼管時必須增加限流電阻，以保護數(shù)碼管。圖3.1 7段LED顯示器及共陽極共陰極接法LED顯示器中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法：1、陽極接法： 各發(fā)光二極管的陽極連接在一起，接到數(shù)碼管的位控端（公共端），再接+5V；各發(fā)光二極管的陰極分別連接到數(shù)碼管的段控端（ag、dp）。兩種接法見圖3.1。2、陰極接法 ： 各發(fā)光二極管的陰極連接在一起，接到數(shù)碼管的位控端（公共端），再接地；各發(fā)光二極管的陽極分別連接到數(shù)碼管的段控端（ag、dp）。 為了顯示數(shù)字或符號，要為LED顯示器提供代碼，由于這些代碼是為顯示字形的，因此稱之為字形代碼。七段發(fā)光二極

45、管，再加上一個小數(shù)點位，共計段。因此，提供給LED顯示器的字形代碼正好為一個字節(jié)。各代碼位的對應(yīng)關(guān)系如表3.1所示。表3.1 代碼為與顯示段關(guān)系代碼位D7D6D5D4D3D2D1D0顯示段dpgfedcba用LED顯示器顯示十六進制數(shù)字形代碼如表3.2、3.3所示： 表3.2 十六進制數(shù)字形代碼顯示字符字型共 陽 極共 陰 極dpgfedcba字型碼dpGfedcba字型碼0011000000C0H001111113FH1111111001F9H0000011006H2210100100A4H010110115BH3310110000B0H010011114FH441001100199H011

46、0011066H551001001092H011011016DH661000001082H011111017DH7711111000F8H0000011107H881000000080H011111117FH991001000090H011011116FHAA1000100088H0111011177HBB1000001183H011111007CHCC11000110C6H0011100139H表3.3 十六進制數(shù)字形代碼顯示字符字型共 陽 極共 陰 極dpgfedcba字型碼dpGfedcba字型碼DD10100001A1H010111105EHEE1000011086H011110017

47、9HFF100011108EH0111000171HHH1000100189H0111011076HLL11000111C7H0011100038HPP100011008CH0111001173HRR11001110CEH0011000131HUU11000001C1H001111103EHYY1001000191H011011106EH-10111111BFH0100000040H.011111117FH1000000080H熄滅滅11111111FFH0000000000H3.2.2 LED顯示器接口方法1、硬件為主的接口方法必須使用地址譯碼器、鎖存器或I/O接口電路，還需專用的譯碼驅(qū)動器

48、，通過譯碼器把一位十六進制數(shù)（四位二進制）譯碼為相應(yīng)的字形代碼，然后由驅(qū)動器提供足夠的功率去驅(qū)動LED。 電路圖如圖3.2所示。圖3.2 LED顯示器以硬件為主的接口方法2、軟件為主的接口方法主要以軟件查表來代替硬件譯碼，也需簡單的硬件電路配合。電路圖如圖3.3所示。圖3.3 LED顯示器以軟件為主的接口方法3.2.3 LED顯示器的顯示方式1、ED靜態(tài)顯示方式 LED顯示器各位數(shù)碼管的位控線（公共端）連接在一起并接地（共陰極）或+5V（共陽極）；各位數(shù)碼管的段選線（adp）分別與一位的鎖存器輸出相連。 LED靜態(tài)顯示方式中，顯示器的各位相互獨立，而且各位的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存器輸出將維

49、持不變，直到顯示另一個字符為止，其亮度較高。缺點：占有較多I/O口線及較多鎖存器。六位LED數(shù)碼管共陽與共陰接法靜態(tài)顯示方式如圖3.4所示。圖3.4 六位LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示方式2、LED動態(tài)顯示方式 將LED顯示器各位數(shù)碼管的所有段控端（adp）相應(yīng)地并聯(lián)在一起，由一個位I/O口控制，形成段選線多路復(fù)用，而各位數(shù)碼管的共陽極或共陰極要分別由相應(yīng)的I/O口線控制，實現(xiàn)各位的分時選通。 由于各位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)，段選碼的輸出對各位數(shù)碼管的來說都是相同的。因此，同一時刻，如果各位的位選線都處于選通狀態(tài)的話，6位LED將顯示相同的字符。 若需要各位數(shù)碼管顯示出與本位相應(yīng)的顯示字符，就必須采用掃描顯示方式，即在某一時刻，只讓某一位數(shù)碼管的位選線處于選通狀態(tài)，而其它各位數(shù)碼管的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，同時，段選線上輸出相應(yīng)位要顯示字符的字型碼。這樣，在同一時刻，6位LED中只有選通的那一位數(shù)碼管顯示出字符，而其它各位數(shù)碼管則是熄滅的，如此循環(huán)下去，就可以使各位數(shù)碼管顯示出將要顯示的字符。 特點：硬件電路簡化，但由于LED導(dǎo)通時間太短，亮度不足，應(yīng)增加驅(qū)動器已提高驅(qū)動能力，而且顯示位數(shù)控制在位以內(nèi)。動態(tài)顯示六