毕业设计（论文）基于单片机的数显键盘设计与制作

毕业设计（论文）毕业设计（论文）I摘摘 要要随着我国社会科技经济的蓬勃发展，以及电子信息技术与机械行业的发展和人们生活水平的提高，数显键盘在各个领域得到全面地应用。它在给我们平时生活以及科研应用带来方便的同时，也暴露出了很多的问题。现今市场上存在很多数显键盘的应用产品，要么显示不稳定，要么键盘不能及时响应，且价格较高等缺点。市场急需要一种能及时响应，显示稳定且性价比可以接受的数显键盘产品。本文从数显键盘的技术简介以及国内外研究状态开始，论述了键盘设计制作方法。然后由元器件的选择开始，结合单片机技术，就设计数显键盘所用技术进行了全面的介绍和讨论，最后讨论了数显键盘的制作结果及分析解决问题的方法。由于好的数显键盘设计方案同键盘设计者的实际设计制作经验有很大关系，鉴于作者能力经验的不足，论文中很多论述及设计制作方案还有疏漏及不完整的地方，相信会在今后的学习工作中改进。关键词：关键词： 数显键盘 单片机技术 硬件设计 软件设计 毕业设计（论文）毕业设计（论文）IIABSTRACT 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 standard, 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 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 keyboard 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 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 word: Digital keyboard Microcontroller technology Hardware design Software design 毕业设计（论文）毕业设计（论文）III目目 录录1 1 引引言言.11.1 研究背影及意义.11.2 国内外研究现状及发展趋势.22 2 电路总体设计方案电路总体设计方案.32.1 总体的结构框架图.32.2 总体设计方案的确定.42.3 元器件的选择.42.3.1 AT89S51 单片机芯片功能 .42.3.2 7 段数码管 .83 3 电路设计相关技术分析电路设计相关技术分析.123.1 单片机技术.123.1.1 单片机介绍 .123.1.2 单片机的发展历史.143.1.3 单片机的应用领域.153.2 数码显示技术.163.2.1 LED 显示原理 .173.2.2 LED 显示器接口方法 .193.2.3 LED 显示器的显示方式 .194 4 系统硬件设计系统硬件设计.224.1 单片机及其外围主要电路的设计.224.2 键盘电路设计.245 5 系统软件设计系统软件设计.265.1 系统软件设计概述.265.2 键盘控制模块设计.276 6 实验结果及分析实验结果及分析.296.1 运行情况分析.296.2 问题的发现及分析.29毕业设计（论文）毕业设计（论文）IV7 7 结论和展望结论和展望.307.1 结论.307.2 展望.30结束语结束语.31致致 谢谢.32参考文献参考文献.33附录附录毕业设计（论文）毕业设计（论文）11 1 引言引言1.1 研究背影及意义研究背影及意义1随着我国社会经济的蓬勃发展，以及电子信息技术与机械行业的发展以和人们生活水平的提高。数显键盘在各个领域得到全面地应用。它在给我们平时生活以及科研应用带来方便的同时，也暴露出了很多的问题。现今市场上存在很多数显键盘的应用产品，但存在着显示不稳定，键盘不能及时响应，且价格较高等缺点。市场急需要一种能及时响应，显示稳定且性价比可以接受的数显键盘产品。目前各种仪表中，通常运用的是 LED 显示器和小型键盘。常见的工作方式有两种：一是直接使用系统中的 CPU 对显示器进行动态扫描和键盘检测；二是使用专用的显示键盘芯片。但是这两种方式存在着不能及时响应和性价比低等缺点。于是，作者设计了一种性价比更为优越的数显键盘，因此本设计具有一定的实用意义。键盘显示接口，是单片机应用系统中最常用的基本接口电路。键盘即为按有序排列组成的并带有相关输入功能电路的一组键体开关，CPU 通过对键盘输出信号的高低电平来识别信息，再通过各种译码方式，最后在显示器上显示其输入的信息。数显键盘是单片机应用系统中的常见应运器件，本文主要设计制作一种基于 MCS-51 单片机的键盘控制及键号数码显示电路。设计制作中运用了最基本的理论知识，且设计简单，容易实现，所以这种数显键盘能广泛的应用于各种智能化仪表中，具有一定实用意义。此外通过设计和制作数显键盘，可以使作者更加熟悉单片机及接口电路的基本原理，提高自己设计制作实用电子产品的能力。通过设计基于 MCS-51 单片机键盘控制及键号数码显示电路，希望能降低智能化仪表的制作成本。通过该制作，同时也期望能优化智能化仪表，保证显示的稳定，提高键盘的及时响应特性。毕业设计（论文）毕业设计（论文）21.2 国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状及发展趋势数显键盘一般包括一个键盘主体、显示模块以及用于连接的硬件电路，其控制核心是微处理器（CPU） 。目前微处理器广泛应运于研究高精度、高性能、多功能的测量仪器，随着单片机的出现，引发了仪器仪表行业的根本性变革，形成了智能化仪器这一新一代的测量仪器。它解决了很多传统仪器不能或者不易解决的问题，简化了电路，降低了成本，同时也提高仪表的稳定性和可靠性。键盘是由机械打字机的操作部分衍生而来，已经具有了一个世纪的历史。键盘的布局格式形成于电子打字机的时代。近年来，随着集成电路与大规模集成电路的发展，键盘已经被广泛用于办公自动化设备，键盘操作也已从过去的只适用于少数专业人员使用发展到现在大多数人都能使用的简易操作方式。显示装置可以分为多种类型，由最初的只能显示单纯简单数字字符发展到现在的，能够显示复杂完整的各种图形。如今市场上更是出现了种类繁多的产品，如可伸缩式屏幕、触控屏幕、超小的媒体播放器以及新型的户外显示屏等。数显键盘集合二者于一体。目前国内外生产研制的键盘，主要便于操作方便，拓展功能，进一步降低生产成本，便于普及等方向发展。例如使用无线键盘，可远距离操纵计算机或机械，在诸如手机等产品中嵌入了软键盘等。毕业设计（论文）毕业设计（论文）32 2 电路总体设计方案电路总体设计方案2.1 总体的结构框架图总体的结构框架图键盘的功能是实现人机对话及实时将控制信号输入，由此得出的键盘结构框架图如图 2.1 所示。由图可见由矩阵结构键盘将输入控制信号输入单片机，一方面由单片机输出显示编码信号，启动显示驱动电路，使 LED 显示屏显示相应信息，另一方面输出相应控制信号，驱动被控器件，完成相应的受控功能。本文侧重于前者的研究。矩阵结构键盘单片机显示驱动2 位 LED 显示屏被控器件图图 2.1 总体结构框架图总体结构框架图毕业设计（论文）毕业设计（论文）42.22.2 总体设计方案的确定总体设计方案的确定系统设计以 MCS-51 系列单片机中的 ATS51 作为 CPU，它将数据存储器、程序存储器、1/O 口扩展、串行口通讯、等多种功能模块集成于一体。键盘采用行列式矩阵结构，其行列、列线接入单片机的 P1 口。单片机由 P0 口输出显示的 BCD 编码信号，驱动 LED的 7 段码译码器 CD4511，由两位 LED 显示管显示。2.32.3 元器件的选择元器件的选择电路设计中，使用以下各种器件，现分述其功能如下。2.3.12.3.1 AT89S51AT89S51 单片机芯片功能单片机芯片功能 本设计选用 AT89S51 单片机芯片作为 CPU，AT89S51 管脚采用双列直排结构。其管脚排列及功能如图 2.2 所示。其主要特性及功能描述如下。图图2.2 AT89S51引脚排列图引脚排列图1.主要特性(1)与 MCS-51 单片机产品兼容(2)4K 字节在系统可编程 Flash 存储器(3)1000 次擦写周期(4)全静态工作：0Hz33MHz(5) 32 个可编程 I/O 口线毕业设计（论文）毕业设计（论文）5(6) 2 个 16 位定时器/计数器(7) 6 个中断源(8) 全双工 UART 串行通道(9) 低功耗空闲和掉电模式(10) 掉电后中断可唤醒(11) 看门狗定时器(12) 双数据指针(13) 灵活的 ISP 编程（字或字节模式）(14) 4.0-5.5V 电压工作范围2.内部结构AT89S51 的内部结构如图 2.3 所示图图 2.3 AT89S51 内部结构图内部结构图毕业设计（论文）毕业设计（论文）6由图可见，它可以划分为 CPU、存储器、并行口、串行口、定时/计数器和中断逻辑几个部分。（1）CPU 由运算器和控制逻辑构成。其中包括若干特殊功能寄存器（SFR）（2）AT89S51 时钟有两种方式产生，即内部方式和外部方式。 （如图 2.4 所示）（3）AT89S51 在物理上有四个存储空间：片内/片外程序存储大路、片内/片外数据存储器。片内有 256B 数据存储器 RAM 和 4KB 的程序存储器 ROM。除此之外，还可以在片外扩展 RAM 和 ROM，并且和有 64KB 的寻址范围。（4）AT89S51 内部有一个可编程的、全双工的串行接口。它串行收发存储在特殊功能寄存器 SFR 的串行数据缓冲器 SBUF 中的数据。（5）AT89S51 共有 4 个（P0、P1、P2、P3 口）8 位并行 I/O 端口，共 32 个引脚。P0 口双向 I/O 口，用于分时传送低 8 位地址和 8 位数据信号；P1、P2、P3 口均为准双向 I/O口；其中 P2 口还用于传送高 8 位地址信号；P3 口每一引脚还具有特殊功能（图 2-5） ，用于特殊信号的输入输出和控制信号，如表 2.1 所示。（6）AT89S51 内部有两个 16 位可编程定时器/计数器 T0、T1。最大计数值为 216-1。工作方式和定时器或计数器的选择由指令来确定。（7）中断系统允许接受 5 个独立的中断源，即两个外部中断，两个定时器/计数器中断以及一个串行口中断。图图 2.4 AT89S51 的时钟电路的时钟电路毕业设计（论文）毕业设计（论文）7表 2.1 P3 口引脚的特殊功能3.外部特性（引脚功能）AT89S51 的引脚功能如图 2.2 所示，各脚的功能如下。AT89S51 芯片有 40 条引脚，双列直插式封装引脚图如图 2.2 所示：（1）Vcc(40)：电源+5V（2）Vss(20): 接地（3）XTAL1（19）和 XTAL2（18）：使用内部振荡电路时，用来接石英晶体和电容；使用外部时钟时，用来输入时钟脉冲。（4）P0 口（3932）：双向 I/O 口，既可作地址/数据总线口用，也可作普通 I/O 口用。（5）P1 口（18）：准双向通用 I/O 口。（6）P2 口（2128）：准双向口，既可作地址总线口输出地址高 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，也可按每位定义的第二功能操作。（8）ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端。在访问片外丰储器时，若 ALE 为有效高电平，则 P0 口输出地址低 8 位，可以用 ALE 信号作外部地址锁存信号。公式（21）fALE=1/6fOSC ,也可作系统中其它芯片的时钟源。第二功能PROG 是对 EPROM 编程时的编程脉冲输入端。（9）RST/VPD（9）：复位信号输入端。AT89S51 接能电源后，在时钟电路作用下，该脚上出现两个机器周期以上的高电平，使内部复位。第二功能是 VPD，即备用电源输入端。毕业设计（论文）毕业设计（论文）8当主电源 Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，VPD将为 RAM 提供备用电源，发保证存储在 RAM 中的信号不丢失。（10）EA/Vpp(31):内部和外部程序存储器选择线。EA=0 时访问外部 ROM 0000HFFFFH；EA=1 时，地址 0000H0FFFH 空间访问内部 ROM，地址 1000HFFFFH 空间访问外部 ROM。（11）PSEN（29）：片外程序存储器选通信号，低电平有效。2.3.22.3.2 7 7 段数码管段数码管本设计采用 7 段数码管，结构如图 2.5 所示。图图 2.5 7 段数码管结构图段数码管结构图1. LED 器件发光的基本原理发光二极管(light emitting diode，LED)，是一种把电能变成光能的特种器件，当电流通过它的时候，便可以产生可视的光。发光二极管的结构主要由 PN 结芯片，电极和光学系统构成。我们知道，发光是一种能量转化现象。当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态；当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，能量差以光的形式辐射出来，就会产生发光现象。当在 PN 结上加以正向电压之后，p 区的空穴注入至 N 区，N 区的电子注入至 P 区，相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些少数载流子在结的注入和复合中产生辐射而发光。它是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。2. LED 器件的驱动方式从 LED 器件的发光机理可以知道，当向 LED 器件施加正向电压时，流过器件的正向电流使其发光。因此 LED 的驱动就是要使它的 PN 结处于正偏置，同时为了控制它的发光e d c h g f a b abcdefg毕业设计（论文）毕业设计（论文）9强度，还要解决正向电流的调节问题。具体的驱动方式有直流驱动，恒流驱动，脉冲驱动和扫描驱动等，本课题 LED 器件的驱动为扫描驱动。其中脉冲驱动和扫描驱动原理如下：（1） 脉冲驱动利用人眼的视觉暂留特性，采用向 LED 器件重复通断供电的方法使之点燃，就是通常所说的脉冲驱动方式。采用这种方式时应该注意两个问题：脉冲电流幅值的确定和重复频率的选择。首先，要想获得与直流驱动方式相当的发光强度，脉冲驱动电流的平均值。就应该与直流驱动的电流值相同。所以脉冲驱动时，脉冲电流的幅值应该比直流驱动电流大 T/t 倍。其次是脉冲重复频率的问题，通过视觉暂留特性的分析，己经知道脉冲重复频率必须高于 24Hz，否则会产生闪烁现象。脉冲驱动的主要应用有两个方面：扫描驱动和占空比驱动。（2） 扫描驱动现行显示方式多为扫描方式。扫描显示的原理是基于人类眼睛的视觉暂留效应：要显示行轮流显示，只要刷新频率不小于 24 帧/秒，人们不会有闪烁的感觉。但由于每行显示占有的时间相对的少，所以亮度难于发挥到最佳值。以每个扫描周期 T 扫描 16 行为例：首先输出第一行点阵数据到列驱动寄存器，再发出行驱动信号，延时一段时间，关闭行驱动。完成第一行扫描。然后以同样方式扫描第二行，第三行一直到第 l6 行，完成一帧的显示。扫描驱动是通过数字逻辑电路，使若干 LED 器件轮流导通，用以节省控制驱动电路。LED 显示屏是将发光灯按行或按列布置的，驱动时也就按行按列驱动。在扫描驱动方式下可以按行扫描，按列控制；也可以按列扫描，按行控制。所谓“扫描”的含义，就是指一行一行地循环接通整行的 LED 器件，而不问这一行的哪一列的 LED 器件是否应该点亮，某一列的 LED 器件是否应该点亮，由所谓的列控制电路来完成。3. 七段译码器 CD45112CD4511 是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点：具有 BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的 CMOS 电路能提供较大的拉电流。可直接驱动 LED 显示器。毕业设计（论文）毕业设计（论文）10图图 2.62.6 CD4511CD4511 管脚排列图管脚排列图CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图 2-6 所示。其中 a b c d 为 BCD 码输入，a 为最低位。LT 为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1 端应加高电平。另外 CD4511 有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数 9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE 是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。ag 是 7 段输出，可驱动共阴LED 数码管。另外，CD4511 显示数“6”时，a 段消隐；显示数“9”时，d 段消隐，所以显示 6、9 这两个数时，字形不太美观。图 2.7 是 CD4511 的一位计数显示电路，可以克服字形不美的缺陷。若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压 5V 时可使用 300 的限流电阻。各引脚功能综述如下： BI：4 脚是消隐输入控制端，当 BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3 脚是测试输入端，当 BI=1，LT=0 时，译码输出全为 1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当 LE=0 时，允许译码输出。 LE=1 时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在 LE=0 时的数值。 A1、A2、A3、A4、为 8421BCD 码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平 1 有效。 CD4511 的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作用 CD4511 实现 LED 与单片机的并行接口方法如下图：毕业设计（论文）毕业设计（论文）11图图 2.72.7 CD4511CD4511 的一位计数显示电路的一位计数显示电路毕业设计（论文）毕业设计（论文）123 3 电路设计相关技术分析电路设计相关技术分析3.1 单片机技术单片机技术3单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。3.1.13.1.1 单单片片机机介介绍绍单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit） ，常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031 上发展出了 MCS51 系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了 16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90 年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960 系列特别是后来的 ARM 系列的广泛应用， 32 位单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8 位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80 年代提高了数百倍。目前，高端的32 位单片机主频已经超过300MHz，性能直追 90 年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端 的型号也只有 10 美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows 和Linux 操作系统。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事毕业设计（论文）毕业设计（论文）13实上单片机是世界上数量最多的计算机。 现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、 计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备 40 多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC 机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。 单片机又称单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了 I/O 设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10 元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD 等等的家电里面都可以看到它的身影！ .它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。 单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50 年代开发的 74 系列，或者 60 年代的 CD4000 系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国 70 年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的 CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K 的尺寸！对于家用 PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面毕业设计（论文）毕业设计（论文）14的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原 始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿 到家用 PC 上来运行，家用 PC 的也是承受不了的。 可以说，二十世纪跨越了三个 “电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC 机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器） 。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型” ，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。3.1.23.1.2 单片机的发展历史单片机的发展历史1、976-1978 初级 8 位单片机 Intel MCS-48 系列 2、978-1983 高档 8 位单片机 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 廉价型 89C2051/10513、983- 90 年代初 16 位单片机 Intel MCS-96 系列 8098/8096、80C198/80C196 4、0 年代初-至今 16 位单片机高档 32 位单片机单片机作为微型计算机的一个重要的分支，应用面很广，发展也很快，1971 年Intel 公司首次宣布 4004 的 4 位微处理器，1974 年 12 月仙童(Fair Child)公司即推出 8位单片机 F8（需另加一块 3851 芯片，还不能真正称的上为单片机）。随后， Mostek公司和仙童公司一起推出了与 F8 兼容的 3870 单片机系列。Intel 公司在 1976 年 9 月推出了 MCS-48 单片机系列（包括 8048/8748/8035 等）；GI（General Instrument Crop）公司在 1977 年 10 月宣布了 PIC1650 单片机系列；在 1978 年 Rockwell 公司也推出了R6500/1 系列（与 6502 微处理器兼容）。这些单片机都有 8 位 CPU、若干个并行 I/O 口、毕业设计（论文）毕业设计（论文）158 位定时器/计数器、容量有限的 RAM 和 ROM，以及简单中断处理等功能。Motorola 公司和 Zilog 公司的单片机问世稍晚一些，但产品性能较高，单片机还有串行 I/O、多极中断处理等功能，片内的 RAM 和 ROM 容量较大，有的还带有 A/D 转换接口。Motorola 公司在 1978 年下半年宣布了与 6800 微处理器兼容的 6801 单片机（在此之前，先推出了双片式的 6802）；Zilog 公司在同年 10 月也推出了 Z8 单片机系列（包括8051/8751/8031 等）。到 1982 年 Mostek 公司和 Intel 公司先后推出了 16 位单片机MK68200（与 68000 微处理器兼容）和 MCS-96 系列。1987 年 Intel 公司又推出了性能是 8096 的 2.5 倍新型单片机 80296。综上所述，可以把单片机的发展划分为四个阶段：第一阶段（1974 年开始）：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的形式，而且功能比较简单，如仙童公司的 F8 实际上只包括了 8 位 CPU、64 字节 RAM 和2 个并行 I/O 口，因此，还需加一块 3851（由 1K ROM、定时/计数器和 2 个并行 I/O口构成）才能组成一台完整微型计算机。第二阶段（1976 年开始）：低性能单片机阶段。以 Intel 公司的 MCS-48 为列，采用了单片结构。即在一块芯片内就含有 8 位 CPU、并行 I/O 口、8 位定时/计数器、RAM 和 ROM 等，但无串行 I/O 口，中断处理也比较简单，片内 RAM 和 ROM 容量较小，且寻址范围有限，一般都不大于 4K 字节。第三阶段（1978 年开始）：高性能单片机阶段。这一类单片机带有串行 I/O，有多极中断处理，定时/计数器为 16 位，片内的 RAM 和 ROM 相对增大，且寻址范围可达64K 字节，有的片内还带有 A/D 转换接口。这类单片机有 Intel 公司的 MCS-51，Motorola 公司的 6801 和 Zilog 公司 Z8 等。由于这类单片机应用的领域较广，目前还在不断改进和发展着。第四阶段（1982 年开始）：16 位单片机阶段。16 位单片机除了 CPU 位 16 位外，RAM 和 ROM 容量进一步增大，实时处理的能力更强。如 Intel 公司的 MCS-96，其集成度已为 120000 管子/片，主振幅 12MHZ，片内 RAM 为 232 字节，ROM 为 8K 字节，中断处理为 8 级，而且片内带有多通道 10 位 A/D 转换和高速输入/输出部件（HSIO），实时处理的能力很强。根据 1989 年 5 月的统计，包括单片信号处理机在内，单片机有 70 几个系列 463 个机种。3.1.33.1.3 单片机的应用领域单片机的应用领域毕业设计（论文）毕业设计（论文）16目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：1.在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪） 。2.在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。3.在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。4.在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。5.单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。毕业设计（论文）毕业设计（论文）173.23.2 数码显示技术数码显示技术4单片机应用系统中的显示器通常有 LED 显示器、LCD 显示器及 CRT 显示器三种类型。 LED（Light Emiting Diode）是发光二极管的缩写， LED 显示器是由发光二极管构成的，俗称数码管。3.2.13.2.1 LEDLED 显示原理显示原理LED 显示器由七个发光二极管组成，称七段 LED 显示器，排列形状如图 3.1 所示。此外，显示器中还有一个圆点发光二极管（dp） ，用于显示小数点。通过七段发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字（09） ，字母（af、AF）及其它符号。另外，在使用数码管时必须增加限流电阻，以保护数码管。图图 3.13.1 7 7 段段 LEDLED 显示器及共阳极共阴极接法显示器及共阳极共阴极接法LED 显示器中的发光二极管共有两种连接方法：1、阳极接法： 各发光二极管的阳极连接在一起，接到数码管的位控端（公共端） ，再接+5V；各发光二极管的阴极分别连接到数码管的段控端（ag、dp） 。两种接法见图 3.1。2、阴极接法 ： 各发光二极管的阴极连接在一起，接到数码管的位控端（公共端） ，再接地；各发光二极管的阳极分别连接到数码管的段控端（ag、dp） 。 为了显示数字或符号，要为 LED 显示器提供代码，由于这些代码是为显示字形的，因此称之为字形代码。七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计段。因此，提供给 LED 显示器的字形代码正好为一个字节。各代码位的对应关系如表 3.1 所示。表 3.13.1 代码为与显示段关系毕业设计（论文）毕业设计（论文）18代码位代码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段显示段dpgfedcba用 LED 显示器显示十六进制数字形代码如表 3.2、3.3 所示： 表 3.23.2 十六进制数字形代码表 3.33.3 十六进制数字形代码显示显示字符字符字字型型共共 阳阳 极极共共 阴阴 极极dpgfedcba字型字型码码dpGfedcba字型字型码码0011000000C0H001111113FH1111111001F9H0000011006H2210100100A4H010110115BH3310110000B0H010011114FH441001100199H0110011066H551001001092H011011016DH661000001082H011111017DH7711111000F8H0000011107H881000000080H011111117FH991001000090H011011116FHAA1000100088H0111011177HBB1000001183H011111007CHCC11000110C6H0011100139H显示显示字符字符字字型型共共 阳阳 极极共共 阴阴 极极 dpgfedcba字型字型码码dpGfedcba字型字型码码DD10100001A1H010111105EHEE1000011086H0111100179HFF100011108EH0111000171HHH1000100189H0111011076HLL11000111C7H0011100038HPP100011008CH0111001173HRR11001110CEH0011000131HUU11000001C1H001111103EHYY1001000191H011011106EH 10111111BFH0100000040H.011111117FH1000000080H熄熄灭灭灭灭11111111FFH0000000000H毕业设计（论文）毕业设计（论文）193.2.23.2.2 LEDLED 显示器接口方法显示器接口方法1、硬件为主的接口方法必须使用地址译码器、锁存器或 I/O 接口电路，还需专用的译码驱动器，通过译码器把一位十六进制数（四位二进制）译码为相应的字形代码，然后由驱动器提供足够的功率去驱动 LED。 电路图如图 3.2 所示。图图 3.23.2 LEDLED 显示器以硬件为主的接口方法显示器以硬件为主的接口方法2、软件为主的接口方法主要以软件查表来代替硬件译码，也需简单的硬件电路配合。电路图如图 3.3 所示。锁锁存存器器I I/ /O O接接口口译译码码驱驱动动器器+ +5 5V V地地址址译译码码器器a ad dp pg gf fe ed dc cb bA A0 0A A7 7. . . .D D3 3D D2 2D D1 1D D0 0P P0 0. .0 0译译码码驱驱动动器器+ +5 5V Va ad dp pg gf fe ed dc cb bP P0 0. .7 7P P0 0. .6 6P P0 0. .5 5P P0 0. .4 4P P0 0. .3 3P P0 0. .2 2P P0 0. .1 18 80 0C C5 51 1毕业设计（论文）毕业设计（论文）20图图 3.33.3 LEDLED 显示器以软件为主的接口方法显示器以软件为主的接口方法3.2.33.2.3 LEDLED 显示器的显示方式显示器的显示方式1、ED 静态显示方式 LED 显示器各位数码管的位控线（公共端）连接在一起并接地（共阴极）或+5V（共阳极） ；各位数码管的段选线（adp）分别与一位的锁存器输出相连。 LED 静态显示方式中，显示器的各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定，相应锁存器输出将维持不变，直到显示另一个字符为止，其亮度较高。缺点：占有较多 I/O 口线及较多锁存器。六位 LED 数码管共阳与共阴接法静态显示方式如图 3.4 所示。图图 3.43.4 六位六位 LEDLED 数码管静态显示方式数码管静态显示方式2、LED 动态显示方式C5C4C3C2C1C0LED5LED0LED1LED2LED3LED4六六位位L LE ED D数数码码管管静静态态显显示示方方式式( (共共阳阳极极) )a ad dp pI/O5(07 7)a ad dp pa ad dp pa ad dp pa ad dp pa ad dp pI/O0(07 7)I/O1(07 7)I/O2(07 7)I/O3(07 7)I/O4(07 7)+5VC5C4C3C2C1C0LED5LED0LED1LED2LED3LED4六六位位L LE ED D数数码码管管静静态态显显示示方方式式( (共共阴阴极极) )a ad dp pI/O5(07 7)a ad dp pa ad dp pa ad dp pa ad dp pa ad dp pI/O0(07 7)I/O1(07 7)I/O2(07 7)I/O3(07 7)I/O4(07 7)毕业设计（论文）毕业设计（论文）21 将 LED 显示器各位数码管的所有段控端（adp）相应地并联在一起，由一个位 I/O 口控制，形成段选线多路复用，而各位数码管的共阳极或共阴极要分别由相应的I/O 口线控制，实现各位的分时选通。 由于各位数码管的段选线并联，段选码的输出对各位数码管的来说都是相同的。因此，同一时刻，如果各位的位选线都处于选通状态的话，6 位 LED 将显示相同的字符。 若需要各位数码管显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位数码管的位选线处于选通状态，而其它各位数码管的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字符的字型码。这样，在同一时刻，6 位LED 中只有选通的那一位数码管显示出字符，而其它各位数码管则是熄灭的，如此循环下去，就可以使各位数码管显示出将要显示的字符。 特点：硬件电路简化，但由于 LED 导通时间太短，亮度不足，应增加驱动器已提高驱动能力，而且显示位数控制在位以内。动态显示六位 LED 的电路图如图 3.5 所示。图图 3.53.5 六位六位 LEDLED 数码管动态显示方式数码管动态显示方式毕业设计（论文）毕业设计（论文）224 4 系统硬件设计系统硬件设计4.1 单片机及其外围主要电路的设计单片机及其外围主要电路的设计图图 4.14.1 5151 单片机键盘控制及键号数码显示硬件电路单片机键盘控制及键号数码显示硬件电路51 单片机键盘控制及键号数码显示硬件电路如图 4.1 所示，51 单片机的 P1 口控制键盘，其中 P1.0，P1.1，P1.2，P1.3 为列线，P1.4，P1.5，P1.6，P1.7 为行线。四根行线各接 1 只 5.1K 电阻，再与电源 VCC（+5V）相连。四根行线同时也与 74HC21（四输入与门）的输入端口相连，其输出端与 51 单片机的外中断 0 输入端 P3.2 相连。因为P1 口通过指令设置为 0 xF0,即“11110000” ，四列线均为“0” ，如果没有键按下，则四个行线均为高电平。或门 74HC21 输出为高电平。当有任意一个键被按下时， 74HC21P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7+WR74HC02P2.6+P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.25.1KVCC74HC2113 a12 b11 c10 d9 e15 f14 g712654511-23 413 a12 b11 c10 d9 e15 f14 g712654511-13 489S51VCCVCC毕业设计（论文）毕业设计（论文）23的四个输入端总有一个输入为低电平。此时的 74HC21 的功能为：只要有一个输入端为低电平，则其输出端为低电平。此下降沿触发 51 单片机的外中断 0 而引发中断服务（搜索中断键号） ，所以对键盘控制方式采用的是中断搜索方式。键号的数码显示方式采用 P0 口输出，输出的两位 BCD 码分别由 P0.1P0.3 和P0.4P0.7 送入到两片 4511 译码器的 ABCD 端，如图 4.2 所示。DC4511 为四位 BCD码输入，译码后产生 7 段数码管显示信号驱动数码管进行键号显示。如图 4.2 所示。图图 4.24.2 键号的数码显示电路图键号的数码显示电路图4511 的 6 脚，2 脚，1 脚，7 脚为 8421BCD 码的输入端，引脚为输入使能端，LE低电平有效。B1 为工作使能端，高电平有效。其控制功能见表 4-1。表 4-14-1 B1B1 端控制功能表输 入 端输 出 端B1LTLED C B A g f e d c b a 110 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0110 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1110 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 毕业设计（论文）毕业设计（论文）24110 010 0 0 0 0 0 0 0100 1 1 1 1 1 1 1 当控制地址为 0 xBFFF 时， （即 P2 状态为 10111111） ，与配合，驱动 74HC02WR至 4511 的第 5 脚 LE 端，打开 4511 的锁存器，键号的显示由 P0 口输出。见图 4-1。P0口的 P0.3，P0.2，P0.1，P0.0 与 4511-1 的 D、C、B、A 相连，再经译码后驱动数码管，显示键号的个位。而 P0 的 P0.7，P0.6，P0.5，P0.4 与 4511-2 的 D、C、B、A 相连，经译码后驱动数码管，显示键盘号的十位数。4.2 键盘电路设计键盘电路设计为了减少键盘与单片机接口时所占用 I/O 口线的数目，在键数较多时，通常都将键盘排列成列矩阵式，如图 4.3 所示：图图 4.34.3 键盘与单片机连接电路图键盘与单片机连接电路图每一水平线与垂直线的交叉处不相通，而是通过一个按键来连通。利用这种行列矩阵结构只需 N 个行线和 M 个列线即可组成 M 乘 N 个按键的键盘，则键盘与微机连线为 M 加 N 根。键数越多，这种键盘的优点越明显。图 4-5 表示 4 乘 4 矩阵键盘，这个矩阵键盘的四条平行线接到接口的 D7D4，列线接到接口的 D3D0 上。在采用这种矩阵式非编码键盘的单片机系统中，键盘处理程序首先执行确认有无键盘按下的程序段，其工作过程为：CPU 由 D3D0 口输出全毕业设计（论文）毕业设计（论文）25“0”使所有的列线输出低电平，然后取出 D7D4 的状态，判断是否为全“1” ，若键盘上没有键盘闭合，行，列线之间是断开的，所有行线 D7D4 均为高电平；若有键按下闭合时，则对应的行线和列线短路，则行线的输入即为列线的输出。当确认有稳定的键按下后，下一步就要识别那一个按键被按下。对键的识别通常采用逐行(逐列)扫描的查询法。判断键盘中哪一个键按下，由列线逐列置低电平后，检查行输入状态。其方法是：依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为“1” ，则所按下之键不在此列。如果不全为“1” ，则所按下的必在此列，而且是在与低电平行线相交的交点上的哪个键。最后确定键盘上每个键的键值。键值赋值的最直接办法是将列，行线按二进制顺序排列，当某一键按下时，键盘扫描程序执行到该列置 0 电平，读出各行状态为非全“1”状态，这时的行列数据组合成键值。如图 4.3 中键盘值从左至右，从上至下依次是 77、7B、7D、7E；B7、BB、BD、BE；E7、EB、ED、EE。这种负逻辑表示往往不够直观，因而采取行列线加反相器或软件求反的方法把键盘改成正逻辑，这时键值依次为 88、82、81；48、44、42、41；18、14、12、11。不论是正逻辑还是负逻辑，这种键盘的键值表示方式分散度大且不等距，用散转指令进入键处理程序不太方便。对于不是 4 乘 4 或 8 乘 4，8 乘 8 键盘，使用也不太容易，所以在许多场合，还需要进一步的程序处理，以依次排列键值。毕业设计（论文）毕业设计（论文）265 5 系统软件设计系统软件设计5.1 系统软件设计概述系统软件设计概述键盘控制程序采用外中断的方式进入，即有人按下任意一个键，则外中断 0 启动，外中断 0 的中断服务程序主要采用两级循环程序嵌套的方式。键盘号码变量为一个无符号的 8 位 nkeynumber。外循环中首先将 P1.3 设置为 0，P1 其它端口设置为 1，再读入P1 口状态，进入内循环程序。第一步测试 P1.4 是否为 0， （见图 5.1 及扫描键盘子程序scan_key.h） 。若是，则是 0 号键被按下，将键号 0 送 nkeynumber，退出。若不是，则检查 P1.5 是否为 0，若是，是 4 号键被按下，则将键号 4 送 nkeynumber，退出。若不是，则检查 P1.6 是否为 0一直检