第九章MCS-以及键盘显示器接口

第九章MCS-以及键盘显示器接口第9章

MCS-51单片机的人机交互通道（显示、键盘）配置与接口主要内容：从工程应用角度介绍了MCS-51单片机的交互通道配置与接口，主要包括人机界面中的键盘、显示器等。介绍了多种实用方案和设计技巧。重点在于系统概念的形成、各种接口设计方案和设计技巧的掌握，熟悉各种交互设备。难点在于使用动态方法进行键盘和显示的硬件及软件设计。

人机界面:是指人与计算机系统进行信息交互的接口，包括信息的输入和输出。

9.1MCS-51单片机与键盘的接口技术键盘：单片机系统中完成控制参数输入及修改的基本输入设备，是人工干预系统的重要手段。键盘的分类：按编码方式可分为编码键盘与非编码键盘。按键组连接方式可分为独立连接式键盘与矩阵连接式键盘。

9.1.1概述

键盘输入的主要对象：各种按键或开关。

1．独立连接式键盘

每键相互独立，各自与一条I/O线相连，CPU可直接读取该I/O线的高/低电平状态。其优点是硬件、软件结构简单，判键速度快，使用方便；缺点是占I/O口线多。适用场合：多用于设置控制键、功能键。适用于键数较少的场合。

独立连接式键盘连接图如右图所示。当没有键被按下时，所有的数据输入线都为高电平；当有任意一个键被按下时，与之相连的数据输入线将变为低电平；通过相应指令，可以判断是否有键按下。2.矩阵连接式键盘

键按矩阵排列,各键处于矩阵行/列的结点处,CPU通过对连在行(列)的I/O线送已知电平的信号,然后读取列(行)线的状态信息。逐线扫描,得出键码。其特点是键多时占用I/O口线少,硬件资源利用合理，但判键速度慢。适用场合：多用于设置数字键，适用于键数多的场合。

4行4列矩阵式键盘连接图如右图所示。这种键盘适合采取动态扫描的方式进行识别。扫描方式：低电平扫描（回送线必须被上拉为高电平）、高电平扫描（回送线需被下拉为低电平）。右图中给出了低电平扫描的电路。3.薄膜开关特点：不需要进行导线与开关间的焊接，结构简单、体积小、防尘、防水、防有害气体侵蚀、寿命长、可靠性高。应用：与按键式键盘类似，多个薄膜开关也可按照独立式或矩阵式设计内部电路，其原理与普通键盘相同。

（1）开关状态的可靠输入。必须消除键抖动。可以采用硬件和软件两种方法，硬件方法就是在按键输入通道上添加去抖动电路；软件方法则采用延迟10～20ms

（2）键盘状态的监测方法——中断方式还是查询方式。

（3）键盘编码方法。

（4）键盘控制程序的编制。。

9.1.3键盘接口

功能：对键盘上所按下的键进行识别。分类：

（1）编码键盘：采用专用的编码/译码器件，被按下的键由该器件译码输出相应的键码/键值。其特点是增加了硬件开销，编码固定，但编程简单。适用于规模大的键盘。9.1.2使用键盘时必须解决的问题

（2）非编码键盘：采用软件编/译码的方式，通过扫描，对每个被按下的键判别输出相应的键码/键值。其特点是不增加硬件开销，编码灵活，但编程较复杂，占CPU时间。适用于小规模的键盘，特别是单片机系统。键盘。

1．键盘接口的工作原理

对于矩阵式键盘，如上页图所示，键盘的行线X0～X3通过电阻接+5V，当键盘上没有键闭合时，所有的扫描线和回送线都断开，无论扫描线处于何种状态，回送线都呈高电平。当键盘上某一键闭合时，则该键所对应的扫描线和回送线被短路，可以确定，变为低电平的回送线与扫描线相交处的键闭合。

CPU对键盘扫描的方式：程序控制的随机方式（CPU空闲时扫描键盘）、定时控制方式（定时扫描键盘）、中断方式。

CPU对键盘上闭合键的键号确定方法：根据扫描线和回送线的状态计算求得，或根据行线和列线的状态查表求得。

2．键输入程序的设计方法

（1）判断键盘上是否有键闭合；（2）消除键的机械抖动；（3）确定闭合键的物理位置；（4）得到闭合键的编号；（5）确保CPU对键的一次闭合只做一次处理3．键盘接口方式（1）独立式键盘接口（静态方式）特点：结构简单，每个按键接单片机的一条I/O线，通过对输入线的查询，可以识别每个按键的状态。[例题]

在MCS-51单片机系统中，设计一个含8个按键的独立式键盘。解：在MCS-51中，含8个按键的独立式键盘的线路连接如下页图所示，8个按键经上拉电阻拉高后分别接到MCS-51单片机P1口的8条I/O线上（P1.0～P1.7）。

在无键按下的情况下，P1.0～P1.7线上输入均为高电平。当有键按下时，与被按键相连的I/O线将得到低电平输入，其他位按键的输入线上仍维持高电平输入。

P1口8条I/O线经与非门74LS30实现逻辑与非后，再经过1个非门74LS04进行信号变换，然后接至MCS-51的INT0引脚上，可通过中断的方式处理键盘。在中断服务程序中，先延时20ms消除键抖动，再对各键进行查询，找到所按键，并转到相应的处理程序中去。

主程序如下：

ORG 0000H LJMPMAIN ORG 0003H ;外部中断0中断服务入口地址

LJMP INT ;转中断服务

ORG 0100H MAIN: SETB EA ;开总中断允许

SETB EX0 ;开INT0中断

SETB IT0 ;下降沿有效

……中断服务程序清单如下：

INT: LCALLD20ms ;延时去抖动

MOV P1,#0FFH ;P1口送全1值

MOV A,P1 ;读P1口各引脚

CJNE A,#0FFH，CLOSE ;验证是否确实有键闭合

AJMP OUT ;无键按下

CLOSE:JNB ACC.7,KEY7 ;查询7号键

JNB ACC.6,KEY6 ;查询6号键

JNB ACC.5,KEY5 ;查询5号键

JNB ACC.4,KEY4 ;查询4号键

JNB ACC.3,KEY3 ;查询3号键

JNB ACC.2,KEY2 ;查询2号键

JNB ACC.1,KEY1 ;查询1号键

JNB ACC.0，KEY0 ;查询0号键

OUT: LJMPINTRETKEY7: …… ;7号键处理程序

KEY71: MOV A,P1 ;再读P1口各引脚

JNBACC.7,KEY71 ;确认键是否释放

LJMPINTRETKEY6: …… ;其他键处理程序

…… KEY0：……..……..INTRET:RETID20ms: 略…… ;20ms延时子程序

…… END

（2）矩阵式键盘接口——行反转法

矩阵式键盘按键识别方法有行反转法和扫描法等。行反转法需要两个双向I/O口分别接行、列线。步骤如下：（1）由行线输出全“1”，读入列线，判有无键按下。（2）若有键按下,再将读入的列线值输出,读入行线的值。（3）第一步读进的列线值与第二步读进的行线值运算，从而得到代表此键的唯一的特征值。行反转法因输入与输出线反过来用而得名。优点是判键速度快，两次即可。[例题]请为8051微处理器设计一个由4行4列键阵构成的键盘。解：4×4矩阵键盘的线路连接如下页图所示。其中P2口的低4位作为输出线。P1口的低4位作为输入线，输入线通过74LS21进行逻辑相与后作为8051的一个外部中断源输入。当有键按下时就将引起中断。中断服务程序要对所按的键进行判别。（1）查询闭合键的位置子程序KEYR

KEYR子程序用以确定每组线中哪一位为0，是否有多个0。在调用前，应将读某组线的数据存入累加器A中。KEYR子程序返回时，某组线中0的位置（0～3）保存在R3中。按键闭合引起中断后，执行中断服务程序。KEYR子程序如下：

KEYR: CJNE A,#0EH,TESTP11 ;测试P1.0 MOV R3,#0 ;P1.0=0，说明被按键的输入线为P1.0 LJMP FINISH ;返回

TESTP11: CJNE A,#0DH,TESTP12 ;测试P1.1 MOV R3,#1 LJMP FINISHTESTP12: CJNE A,#0BH,TESTP13 ;测试P1.2 MOV R3,#2 LJMP FINISHTESTP13: CJNE A,#07H,FINISH ;测试P1.3 MOV R3,#3FINISH: RET

（2）中断服务程序

中断服务程序开始部分应利用软件延时消除键抖动，然后再对所按的键做出处理。中断服务程序如下：

ORG1000H INT11:LCALLDELAY;延时去抖动

MOV A,P1 ;读输入线

ANL A,#0FH;判断是否有键闭合

CJNE A,#0FH,TEST ;有键闭合，转判断按键程序

LJMPINTRET ;无键闭合，返回

TEST:MOV B,A ;暂存

LCALLKEYR;调用读取子程序，得到按下的行号

MOV40H,R3 ;行号暂存在40H单元

MOVP2,#0FFH ;输出线写1 MOVP1,B ;输入线写入数据

MOVA,P2 ;读输出线

LCALLKEYR ;调用读取子程序，得按下的列号

XCH A,R3;列号交换到A中 SWAPA；列号交换到A的高4位 ORL40H,A ;得按键特征值高4位是列号，低4位是行号

INTRET:RETI （3）去抖动的延时子程序DELAY

利用CPU的空闲方式，通过定时器T1实现延时，T1必须预先置初值，以得到需要的延迟时间。设晶振频率为6MHz，欲延时20ms，定时时间为：（216－TC）×12/6=20×103μs，初值：TC=55536=D8F0H。程序如下：

DELAY: MOV TOMD,#11H ;方式1定时

MOV TL1,#0F0H ;定时器1定时初值

MOV TH1,#0D8H SETB ET1 ;开定时器1中断

SETB PT1 ;定时器1为高级中断（因被键盘中断调用）

SETB EA ;开中断SETB TR1 ;启动定时器ORL PCON，#1 ;启动空闲方式，实际CPU在此处等待

CLR TR1;以下四条指令只有在延时后，定时器唤醒，才能执行

CLR PT1 CLR ET1 RET END

行反转法适用于扩展键阵。而动态扫描法不仅可以扫描键阵，也可以实现显示，应用较广泛。动态扫描法原理：采用输出“移动”信号，轮流对各行按键进行检测来实现的。设置行线为输出，列线为输入，当无按键按下时，列输入全为“1”。设计时，将某一行输出为“0”，读取列线值，若其中某一位为“0”，则表明行、列交叉点处的按键被按下，否则无按键按下；继续扫描下一行（将下一行输出为“0”），直至全扫描完为止。

[例题]

用8155实现4行8列的32键键盘接口。解：电路如下页图所示，8155的PA设定为输出口，称其为扫描线。PC3～PC0设定为输入口，称其为回送线。8155与MCS-51单片机的接口略，设PA口的端口地址为7F00H，PC口的端口地址为7F02H。

（3）矩阵式键盘接口动态扫描法键值编码形式：回送线PC0,PC1,PC2,PC3上的键值（每条回送线上有8个键，顺序从左到右）分别为00H+（00H～07H）、08H+（00H～07H）、10H+（00H～07H）、18H+（00H～07H）。其中，（00H～07H）的具体内容由扫描线决定，存放在R4中。（1）扫描是否有键按下子程序KEY1，回扫线的值存放在A中。程序如下：

ORG1000HKEY1:MOVDPTR,#7F00H;将PA口地址送DPTR，PA口作为扫描线

MOVA,#00H ;所有扫描线均为低电平

MOVX@DPTR,A ;PA口向列线输出00H INCDPTR INCDPTR ;指向PC口

MOVXA,@DPTR ;取回送线状态

CPLA ;行线状态取反

ANLA,#0FH ;屏蔽A的高半字节

RET ;返回（2）判断是否有键按下子程序KEY，如果有，识别按键的键码。其中DELAY1是延时子程序。程序如下：

KEY:ACALLKEY1 ;检查有键闭合否

JNZLKEY1 ;A非0说明有键按下

ACALLDELAY1 ;执行一次延时子程序（延时6ms）

AJMPKEY LKEY1:ACALLDELAY1 ACALLDELAY1 ;有键闭合延时2×6ms=12ms以去抖动

ACALLKEY1 ;延时以后再检查是否有键闭合

JNZLKEY2 ;有键闭合，转LKEY2 ACALLDELAY1 ;无键闭合，说明是干扰信号，不作处理

AJMPKEY ;延时6ms后转KEY继续等待键入

LKEY2:MOVR2,#0FEH ;扫描初值送R2，设定PA0为当前扫描线

MOVR4,#00H ;回送初值送R4LKEY4:MOVDPTR,#7F00H ;指向PA口

MOVA,R2 MOVX@DPTR,A ;扫描初值送PA口

INCDPTR INCDPTR ;指向PC口

MOVA,@DPTR ;取回送线状态

JBACC.0,LONE ;ACC.0=1，第0行无键闭合，转LONE MOVA,#00H ;装第0行行值

AJMPLKEYP ;转计算键码

LONE:JBACC.1,LTWO ;ACC.1=1，第1行无键闭合，转LTWO

MOVA,#08H ;装第1行行值

AJMPLKEYP ;转计算键码

LTWO:JBACC.2,LTHR ;ACC.2=1，第2行无键闭合，转LTHR MOVA,#10H ;装第2行行值

AJMPLKEYP LTHR:JBACC.3,NEXT ;ACC.3=1，第3行无键闭合，转NEXT MOVA,#18H ;装第3行行值

LKEYP:ADDA,R4 ;计算键码

PUSHACC ;保存键码

LKEY3:ACALLDELAY1 ;延时6ms ACALLKEY1 ;判断键是否继续闭合，若闭合再延时

JNZLKEY3 POPACC ;若键释放，则键码送A RET NEXT:INCR4 ;列号加1 MOVA,R2 JNBACC.7,KND ;第7位为0，已扫描到最高列，转KND RLA ;循环右移一位

MOVR2,A AJMPLKEY4 ;进行下一列扫描

KND:AJMPKEY ;扫描完毕，开始新的一轮

DELAY1: ······ ;延时子程序，略

END

其中，P1.0和P1.1作为行线。键盘的编码为：P1.0线上的8个键分别为00H+（00H～07H），P1.1线上的8个键分别为08H+（00H～07H）。扫描线（00H～07H）的具体值存放在R4中。程序采取查询方式读取键号，并且考虑了键的抖动问题。DLY1是延时子程序。

程序如下：

ORG1000H SERKEY:MOVSCON,#00H ;设置串行口

MOVA,#00H ;键盘初始化，送00H到列线上

LCALLVARTO ;发送数据

CHK:JNBP1.0,CHK0 ;检查是否有键按下

JNBP1.1,CHK0 ;检查是否有键按下

AJMPCHK ;无键按下，继续查找

CHK0:LCALLDLY1 ;调用10ms延时子程序，去抖

JNBP1.0,CHEN ;确实有键按下，转CHEN JNBP1.1,CHEN AJMPCHK