可编程计算机键盘显示器接口电路设计.docx

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可编程计算机键盘显示器接口电路设计

可编程计算机键盘显示器接口---电路设计

可编程计算机键盘显示器接口电路设计

第一章引言

随着信息技术和互联网的飞速发展，以及计算机、通讯、数码产品等领域·已经来临。

嵌入式设备是数字化时代的主流产品，嵌入式软件是数字化产品的核心，作为嵌入式软件的基础和关键，嵌入式操作系统在产业发展过程中扮演着越来越重要的角色，应用遍及工业自动化、网络通信、航天等领域。

可编程计算机键盘显示器接口电路设计就是采用一种8279单片机芯片。

本设计采用8279单片机为控制芯片，8279是一种专用于键盘\显示可编程器的接口电路，能对键盘自动扫描，给出闭合健的键码，能自动向数码管显示器输出显示代码和位代码。

其中键盘接口电路可与64键点阵式键盘连接，具有二键封锁或N键巡回功能，可自动消除按键抖动。

显示器接口电路可与8或16位数码管显示器连接，8279与键盘、显示器的连接，其中包括一个8键盘和8位LED显示器，代码驱动器选用8708，SL2~SL0信号译码器选用74LS138,时钟信号由单片机的ALE提供。

在振荡器频率为12MHZ时ALE输出频率为2MHZ。

8279选择2键封锁、编码扫描方式，显示器左端输入。

第二章LED显示器的结构与原理:

显示器常作为单片机系统中最简单的输出设备，用以显示单片机系统的运行结果与运行状态等。

常用的显示器主要有LED数码显示器、LCD液晶显示器和CRT显示器。

在单片机系统中，通常用LED数码显示器显示各种数字或符号。

由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。

本节以LED为例，介绍其结构、工作原理及与单片机的接口技术。

LED显示器的结构与原理

LED显示器是由发光二极管显示字段的显示器件，也可称为数码管。

单片机系统中通常使用8段LED数码显示器，其外形及引脚如图1（a）所示，由图可见8段LED显示器由8个发光二极管组成。

其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，通过不同的组合可用来显示各种数字，包括A～F在内的部分英文字母和小数点“．”等字样。

LED显示器有两种不同的形式：

一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称为共阴极LED显示器。

如图1（b）所示。

共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的，当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合从而显示各种字符。

8个笔划段dpgfedcba对应于1B（8位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。

例如，对于共阴极LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极dpgfedcba各段为01110011时，显示器显示“P”字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是0×73。

如果是共阳极LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（0x8C）。

这里必须注意的是：

很多产品为方便接线，常不按规则的方法去对应字段与位的关系，这时字形码就必须根据接线自行设计了。

LED显示器的显示方法有静态显示与动态显示两种，下面分别予以介绍。

窗体顶端

1窗体底端

1.LED静态显示接口

数码管工作在静态显示方式时，共阴极（共阳极）的公共端COM连接在一起接地（电源）。

每位的段选线与一个8位并行口相连。

只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符。

这里的8位并行口可以直接采用并行I/O接口片（例如80C51的P1端口、8155和8255的I/O端口等），也可以采用串行输入/并行输出的移位寄存器。

考虑到若采用并行I/O接口，占用I/O资源较多，因而静态显示方式常采用串行接口方式，外接8位移位寄存器74HCl64构成显示电路，图2是通过串行口扩展8位LED显示器静态驱动电路，在TXD（P3.1）运行时钟信号，将显示数据由RXD（P3.0）口串行输出，串行口工作在移位寄存器方式（方式0）。

图2中使用的是共阴极数码管，因而各数码管的公共极COM端接地，要显示某字段，则相应的移位寄存器74HC164的输出线必须是高电平。

显然，要显示某字符，首先要把这个字符转换成相应的字形码，然后再通过串行口发送到74HC164。

74HC164把串行口收到的数变为并行输出加到数码管上。

先建立一个字形码表，以十六进制数的次序存放它们的相应字形码，共阴极字形码表如表1所示。

2.LED动态扫描显示接口

LED动态显示的基本做法在于分时轮流选通数码管的公共端，使得各数码管轮流导通，在选通相应LED后，即在显示字段上得到显示字形码。

这种方式不但能提高数码管的发光效率，而且由于各个数码管的字段线是并联使用的，从而大大简化了硬件线路。

动态扫描显示接口是单片机系统中应用最为广泛的一种显示方式。

其接口电路是把所有显示器的8个笔划段a～dp同名端并联在起，而每一个显示器的公共极COM是各自独立地受I/O线控制。

CPU向字段输出口送出字形码时，所有显示器由于同名端并连接收到相同的字形码，但究竟是哪个显示器亮，则取决于COM端，而这一端是由I/O控制的，所以就可以自行决定何时显示哪一位了。

而所谓动态扫描是指采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。

在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约1ms），但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。

图3是一个典型的动态扫描8位LED显示接口电路。

该电路由74HC245提供段a～dp的驱动，74LS145提供位COM1～COM8的驱动。

请注意89C52的P0.0～P0.7每个口线上有1个10kW的上拉电阻，图中未示出。

3.LED显示器接口：

一.LED原理简述

LED显示块是用发光二极管显示字段，单片机应用系统常用的是七段LED，如下图，它有其阴极和共阳极两种：

+5V

共阴极共阳极

例如，要显示‘0’字符，对于共阴极管应输出段码：

hgfedcbaa

00111111

3FHfb

对于共阳极管则应输出段码：

dh.

hgfedcba

11000000C0H

共阳极管和共阴极管的段码是互为补码的。

二.动态显示的七段LED基本用法：

1.动态显示的七段LED与单片机的硬件接口

扩展显示器接口实质是输出口的扩展，例如设计一个6位的数码管显示系统，它需要扩充两个8位输出口，一个输出8段码，一个输出位选码。

如下图：

输出段码+5V

888888

FEH

FDH

+5V

由图可知，要显示哪个字符，该字符的段码从1#377输出，要使1#377输出只要A0=0即可，因此1#377的地址为FEH。

该段码输出到6个数码管上是相同的，要哪个管亮，必须使该管的相应段二极管导通，则由2#377输出的位码控制，对应哪个管为0，则该管可以亮。

要使2#377输出只要A1=0，2#377的地址为FDH。

在软件设计上将6个LED管轮流点亮，每管延时约1Ms，利用人的视觉残留，则可以看成持续点亮。

2.动态显示的软件设计：

要点：

①代码转换：

直接驱动7段LED发光的是段码，而我们习惯的是字符0、1、2、…F等，因此软件中必须将待显示的字符转换成段码。

②每次只能输出同样的段码，因此要使某管亮，必须用软件保证逐位轮流点亮并适当延时，给人的眼睛产生持续发光的效果。

程序中使用的显示缓冲区示意图：

79H7AH7BH7CH7DH7EH

显示缓冲区共6个单元，自左至右一一对应6个数码管，其中存放待显示字符在段码表中的查表偏移量。

程序如下：

ORG8100H

DISUP:

MOVR0,#79H;置显示缓冲区首地址

MOVR2,#0DFH;11011111位码初值，最左面管亮

DSP1:

MOVA,@R0

MOVDPTR,#TABL

MOVCA,@A+DPTR;查表求段码

MOVR1,#0FEH;选1#377

MOVX@R1,A;送段码

MOVR1,#0FDH;选2#377

MOVA,R2

MOVX@R1,A;输出位码，最左面管亮

LCALLD1ms;延时

1NCR0;指向显示缓冲区的下一地址

MOVA,R2

RRA;位码右移一位

MOVR2,A

XRLA,#7FH;位码右移6次后为7FH时6管全显示完

JNZDSP1;不为7FH则未显示完，返回送下一个LED

RET

TABL:

段码转换表略

D1ms:

延时子程序略

三.LED静态显示

在静态显示方式中，数码管的共阴极或共阳极接地或十5V，每一个数码管的8段码需扩展一个8位输出口与之相连接，输出口可将令该管显示某字符的段码锁存，同一时间里，每一位的段码均可不同，即显示不同字符。

如图：

8888

静态显示方式中，有N位数码管则需扩展N个8位输出口，占用I/O资源较多。

它的优点是软件不必动态扫描，送出段码后可锁存，直到需更改显示字符，软件简单，同时由于始终保持显示而亮度较好。

第三章键盘接口

在单片机应用系统中，为了控制系统的工作状态，或向系统内部输入数据，常设有按键或键盘，使用这些键的开关状态来设置控制功能或输入数据。

键盘的扩展实质是输入口的扩展。

一.键输入过程及软件结构：

当所设置的数字键或功能键按下的时候，单片机应用系统应能完成该键所设定的功能。

因此，键输入的信息与软件结构密切相关。

不少应用系统键扫描程序是应用程序的核心部分。

键输入程序的软件框图大致如下：

有键按下？

YES

（A）=00H（A）=01H

…

CPU通过查讯或中断方式扫描有无键按下及哪一键按下，将键号送入A，根据A的内容跳转到该键所应完成的功能的程序中去，键处理完毕后再回到键扫描程序，查找有无另一键按下。

二.键输入接口与软件应解决的问题：

1.保证键开关状态的可靠输入

键是一种常开式按钮开关，按键和键盘都是利用机械触点的闭合和断开来输入电平信号的，在键的闭合和断开的瞬间的有抖动过程，会出现一系列负脉冲，一般为5～10ms，为了保证CPU对键的一次闭合只进行一次键处理，必须消除抖动的影响。

通常去抖动措施可分别采用硬件和软件两种方法来解决，硬件的方法是在按键的硬件电路上增加RS触发器或单稳态电路，这需要增加硬件开销。

较为方便的软件去抖措施是当检测到有键按下时，执行一个延时10ms的子程序，而后再检测该键是否仍保持闭合状态，若仍闭合才确认为该键按下。

2.对所有按键进行编码，确定键值或直接确定键号。

给每一按键确定一个键值或编号，当CPU扫描键盘时，可根据接收到的键输入信息确定是哪一个键按下。

3.选择键盘监测方法：

在应用系统软件中，键扫描程序、键处理程序只是应用程序的一部分，在程序运行过程中什么时候查询键输入的情况，可有查询方式和中断方式两种：

1查询方式

在程序中以一定的时间间隔扫描键盘输入的情况，无键按下则可执行其它程序，有键按下则执行键处理程序。

2中断方式

中断方式是当有键按下时引起中断，在中断服务程序中进行键处理，无键按下时CPU不必顾及键盘的工作情况。

一般在键盘使用不多的情况采用中断方式。

4.编制好键盘处理程序：

它应解决如下问题：

1扫描有无键按下。

2有键按下时，若无硬件去抖措施应以软件延时去抖动。

3有可靠的逻辑处理，保证一次只处理一个键，一次键按下只进行一次键处理。

4输出确定的键号，一个键按下后能准确跳转到该键的处理程序，处理结束后再返回键扫描。

三.独立式按键结构：

指直接用I/O线构成的单个按键电路。

每一键互相独立地各自接通一条输入线，每根I/O线上的按键工作状态不影响其它I/O线的工作状态，此亦称非编码键盘结构。

如下图：

+5V

（a）查询式电路

查询I/O输入线0有效

即为0者该线上键闭合地

+5V

多输入与门

（b）中断式电路

任一键按下则INT0触发中断地

在中断服务程序中查询哪一键按下

独立式按键结构的优点是配置灵活，软件简单，缺点是使用I/O口线多，适于按键数量不多时使用。

独立式按键的软件结构：

STRAT：

MOVA，#0FFH

MOVP1，A；置P1口输入方式

MOVA，P1；键状态输入

JNBACC.0,P0;0号键按下转

JNBACC.1,P1

JNBACC.2,P2

JNBACC.3,P3

LJMPSTART

键处理程序略

注：

该程序中未包括软件去抖措施，实际应用中应考虑去抖动处理。

四.行列式键盘结构：

1.键盘工作原理：

如图

32100行+5V

P1.7

P1.676541行

BA982行

P1.5

FEDC3行

P1.4

3列

P1.32列

P1.2

1列

P1.10列

P1.0

用I/O口线组成行列式结构，按键设置在行列的交叉点上，2×2的键盘结构可构成4个键的键盘，4×4的键盘结构可构成16个键的键盘。

键扫描的过程：

1判断有无键按下

列线输出全0码（D0～D3），将行线状态读入累加器A（D4～D7），若读入状态不全为1则有键按下，否则无键按下。

2当有键按下时，判断哪一键按下：

由列线逐列置0，检查行输入状态。

例如列线输出D3～D0为1110，即D0=0，读入行线状态D7～D4，若为0111，即D7=0，则可判断为0键按下，若此时读出行线状态为全1，则本列无键按下，即0、4、8、C均未按下。

接着再将下一列线置0输出，检查下一列键是否有键按下……，直到每一列均查完为止。

键盘上每一个键均有一个唯一的键值，一般用直接赋值方法定义键值，每个键的键值为当它按下时，键扫描程序的列码和行码按一定顺序由二进制数排列。

例如当0键按下时，键扫描程序输出的列码为1110，读入的行码为0111，将它们按D7～D0的顺序排列为：

01111110，则0键的键值定义为7EH。

类似的方法可得到：

1键的键值为7DH

4键的键值为BEH

F键的键值为E7H

键扫描程序中只要将列码输出，再读入行码，然后将行列码拼接，与键值比较，即可确定为哪一键按下。

键扫描的方式可采取编程扫描、定时扫描或中断方式

定时器中断原理：

中断的原理有关中断的概念

　　什么是中断，我们从一个生活中的例子引入。

你正在家中看书，突然电话铃响了，你放下书本，去接电话，和来电话的人交谈，然后放下电话，回来继续看你的书。

这就是生活中的“中断”的现象，就是正常的工作过程被外部的事件打断了。

　　仔细研究一下生活中的中断，对于我们学习单片机的中断也很有好处。

第一、什么可经引起中断，生活中很多事件可以引起中断：

有人按了门铃了，电话铃响了，你的闹钟闹响了，你烧的水开了….等等诸如此类的事件，我们把可以引起中断的称之为中断源，单片机中也有一些可以引起中断的事件，8031中一共有5个：

两个外部中断，两个计数/定时器中断，一个串行口中断。

　第二、中断的嵌套与优先级处理：

设想一下，我们正在看书，电话铃响了，同时又有人按了门铃，你该先做那样呢？

如果你正是在等一个很重要的电话，你一般不会去理会门铃的，而反之，你正在等一个重要的客人，则可能就不会去理会电话了。

如果不是这两者（即不等电话，也不是等人上门），你可能会按你通常的习惯去处理。

总之这里存在一个优先级的问题，单片机中也是如此，也有优先级的问题。

优先级的问题不仅仅发生在两个中断同时产生的情况，也发生在一个中断已产生，又有一个中断产生的情况，比如你正接电话，有人按门铃的情况，或你正开门与人交谈，又有电话响了情况。

考虑一下我们会怎么办吧。

　第三、中断的响应过程：

当有事件产生，进入中断之前我们必须先记住现在看书的第几页了，或拿一个书签放在当前页的位置，然后去处理不同的事情（因为处理完了，我们还要回来继续看书）：

电话铃响我们要到放电话的地方去，门铃响我们要到门那边去，也说是不同的中断，我们要在不同的地点处理，而这个地点通常还是固定的。

计算机中也是采用的这种方法，五个中断源，每个中断产生后都到一个固定的地方去找处理这个中断的程序，当然在去之前首先要保存下面将执行的指令的地址，以便处理完中断后回到原来的地方继续往下执行程序。

具体地说，中断响应可以分为以下几个步骤：

1、保护断点，即保存下一将要执行的指令的地址，就是把这个地址送入堆栈。

2、寻找中断入口，根据5个不同的中断源所产生的中断，查找5个不同的入口地址。

以上工作是由计算机自动完成的，与编程者无关。

在这5个入口地址处存放有中断处理程序（这是程序编写时放在那儿的，如果没把中断程序放在那儿，就错了，中断程序就不能被执行到）。

3、执行中断处理程序。

4、中断返回：

执行完中断指令后，就从中断处返回到主程序，继续执行。

究竟单片机是怎么样找到中断程序所在位置，又怎么返回的呢？

我们稍后再谈.

MCS-51中断系统的结构：

　　由与中断有关的特殊功能寄存器、中断入口、顺序查询逻辑电路等组成，包括5个中断请求源，4个用于中断控制的寄存器IE、IP、ECON和SCON来控制中断类弄、中断的开、关和各种中断源的优先级确定。

中断请求源：

（1）外部中断请求源：

即外中断0和1，经由外部引脚引入的，在单片机上有两个引脚，名称为INT0、INT1，也就是P3.2、P3.3这两个引脚。

在内部的TCON中有四位是与外中断有关的。

IT0：

INT0触发方式控制位，可由软件进和置位和复位，IT0=0，INT0为低电平触发方式，IT0=1，INT0为负跳变触发方式。

这两种方式的差异将在以后再谈。

IE0：

INT0中断请求标志位。

当有外部的中断请求时，这位就会置1（这由硬件来完成），在CPU响应中断后，由硬件将IE0清0。

IT1、IE1的用途和IT0、IE0相同。

（2）内部中断请求源

TF0：

定时器T0的溢出中断标记，当T0计数产生溢出时，由硬件置位TF0

。

当CPU响应中断后，再由硬件将TF0清0。

TF1：

与TF0类似。

TI、RI：

串行口发送、接收中断，在串口中再讲解。

2、中断允许寄存器IE

在MCS－51中断系统中，中断的允许或禁止是由片内可进行位寻址的8位

中断允许寄存器IE来控制的。

见下表

ET1

EX1

ET0

EX0

其中EA是总开关，如果它等于0，则所有中断都不允许。

ES－串行口中断允许

ET1－定时器1中断允许

EX1－外中断1中断允许。

ET0－定时器0中断允许

EX0－外中断0中断允许。

如果我们要设置允许外中断1，定时器1中断允许，其它不允许，则IE可以是

ET1

EX1

ET0

EX0

即8CH，当然，我们也可以用位操作指令

SETBEA

SETBET1

SETBEX1

来实现它。

3、五个中断源的自然优先级与中断服务入口地址

外中断0：

0003H

定时器0：

000BH

外中断1：

0013H

定时器1：

001BH

串口：

0023H

它们的自然优先级由高到低排列。

写到这里，大家应当明白，为什么前面有一些程序一始我们这样写：

ORG0000H

LJMPSTART

ORG0030H

START：

。

　　这样写的目的，就是为了让出中断源所占用的向量地址。

当然，在程序中没用中断时，直接从0000H开始写程序，在原理上并没有错，但在实际工作中最好不这样做。

　　优先级：

单片机采用了自然优先级和人工设置高、低优先级的策略，即可以由程序员设定那些中断是高优先级、哪些中断是低优先级，由于只有两级，必有一些中断处于同一级别，处于同一级别的，就由自然优先级确定。

开机时，每个中断都处于低优先级，我们可以用指令对优先级进行设置。

看表2

中断优先级中由中断优先级寄存器IP来高置的，IP中某位设为1，相应

的中断就是高优先级，否则就是低优先级。

PT1

PX1

PT0

PX0

例：

设有如下要求，将T0、外中断1设为高优先级，其它为低优先级，求IP的值。

IP的首3位没用，可任意取值，设为000，后面根据要求写就可以了

PT1

PX1

PT0

PX0

　第四章8279的内部结构原

Intel8279芯片是一种通用的可编程序的键盘、显示接口器件，单个芯片就能完成键盘输入和LED

显示控制两种功能。

其内部结构如图6-10-1所示。

8279包括键盘输入和显示输出两个部分。

键盘部分提供的扫描方式，可以和64个按键或传感器的阵列相连。

能自动消除开关抖动以及N个键

同时按下的保护。

显示部分按扫描的方式工作。

可以显示8或16位LED显示块。

一、8279电路工作原理

单片机系统中有两种 LED显示方式，即静态显示和动态显示，静态显示的优点是显示效果好，编程简单，但由于输出的每一位都需要锁存，使用的硬件较多；动态显示方式中，各位数码管的a–h端并连在一起，每一时刻只有一位数码管被点亮，各位依次轮流被点亮，硬件电路简单，但由于需要不停地进行刷新显示，降低了CPU的效率，而且编程的工作量很大。

为了解决动态显示中存在的问题，Intel 公司研制出了专用的键盘、显示器接口电路芯片8279，该芯片能自动完成对显示的刷新，同时还可以对键盘自动扫描，识别闭合键的键号，使用非常方便。

8279用A0来区分信息特征，当A0为0时，CPU从8279读出的是状态，写入的是命令，且每个命令也有自己的特征；当A0=1时读出和写入的都是数据。

8279内部有两个缓冲区，即一个8字节的FIFO（First In First Out）键盘RAM和一个16字节的显示RAM，显示数据时只要将待显示数据的段码写入显示RAM即可；当有键闭合时，8279会自动执行去抖、得到键值、等待按键释放等操作，最后,将键值存入FIFO RAM中，程序只需从FIFO中读取键值即可，编程十分简单,具体实验线路图17所示。

8279键盘、显示器接口器件是实现人机对话的主要部件，它已为广大用户欢迎和广泛应用。

然而在有些应用场

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