單片機4*4鍵盤的電路設(shè)計以及源代碼課程設(shè)計報告

單片機及接口課程設(shè)計報告

          專    業(yè)： 電子信息工程

          班    級：    信息143

          姓    名：      楊榮慶

          學(xué)    號： 201427187   

          指導(dǎo)教師： 李恩玉、吳則舉、王辛杰

          時    間： 2017-01-02~2017-01-13

         通信與電子工程學(xué)院

• 課程設(shè)計及任務(wù)要求
  

• 總體方案介紹
  

• 硬件設(shè)計
  

• 軟件設(shè)計
  

• 調(diào)試
  

• 總結(jié)
  

1.1 設(shè)計任務(wù)

鍵盤接口和顯示設(shè)計，設(shè)計并實現(xiàn)一4×4鍵盤的接口，并在兩個數(shù)碼管上顯示鍵盤所在的行與列。

1.2設(shè)計要求

① 掌握原理圖的畫法，在PROTEUS平臺上用單片機完成所選題目的原理圖設(shè)計；

② 在KEIL C平臺上使用C語言編程實現(xiàn)編程，并調(diào)試通過；

③ 在PROTEUS平臺上利用設(shè)計好的原理圖和調(diào)試好的程序完成整個仿真；

④ 在單片機最小系統(tǒng)板上實現(xiàn)仿真后軟硬件設(shè)計；

1.3設(shè)計目的

    為了進一步鞏固學(xué)習(xí)的理論知識，增強對所學(xué)知識的實際應(yīng)用能力和運用所學(xué)的知識解決實際問題的能力，進行本次課程設(shè)計。通過設(shè)計使我在鞏固所學(xué)知識的基礎(chǔ)之上具有初步的單片機系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用能力。

① 通過本設(shè)計，綜合運用《單片機技術(shù)原理與應(yīng)用》、《DSP原理與應(yīng)用》《C語言程序設(shè)計》以及《數(shù)字電路》、《模擬電路》等課程的內(nèi)容，為以后從事電子產(chǎn)品設(shè)計、軟件編程、系統(tǒng)控制等工作奠定一定的基礎(chǔ)。

② 學(xué)會使用KEIL C和PROTEUS等軟件，用C語言或匯編語言編寫一個較完整的實用程序，并仿真運行，保證設(shè)計的正確性。

③ 了解單片機接口應(yīng)用開發(fā)的全過程：分析需求、設(shè)計原理圖、選用元器件、布線、編程、調(diào)試、撰寫報告等。

2.1鍵盤接口：

    鍵盤可以分為獨立式和矩陣式兩類，每一類有可根據(jù)對鍵盤的譯碼方法分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。編碼鍵盤是鍵盤按下直接獲取按鍵的鍵號，當有按鍵按下時，能直接得到按下鍵的鍵號，這種鍵盤使用方便，但硬件電路復(fù)雜，常常不被微型計算機采用。在非編碼鍵盤中，利用按鍵直接與單片機的I/O口線（或外部擴展的I/O口線）相連接，鍵盤按下時不能直接得到按鍵號，還要通過編寫程序判斷I/O口線的電平求得鍵號。因此，非編碼鍵盤硬件電路極為簡單。

對于4×4鍵盤，共有十六個按鍵。如果每個按鍵與單片機的一個引腳相連，就會占用16個引腳，這樣會使的單片機的接口不夠用（即使夠用，也是對單片機端口的極大浪費）。因此我們應(yīng)該行列式的接法。行列式非編碼鍵盤是一種把所有按鍵排列成行列矩陣的鍵盤。在這種鍵盤中，每根行線和列線的交叉處都接有一個按鍵，每當某個按鍵被按下時，與這個按鍵相連的行線和列線就會接通，否則是斷開狀態(tài)。。因此4×4行列式非編碼鍵盤只需4條行線和4條列線，總共占用8條I/O端口線。大大減少了I/O端口線的利用。

去除按鍵的抖動，當判別出可能有鍵按下時，軟件延時一段時間（10ms左右）再判別鍵盤的狀態(tài)，若仍有鍵閉合，則認為鍵盤上有確定的鍵按下，否則是鍵抖動。

矩陣式鍵盤的線反轉(zhuǎn)法掃描，主要操作步驟為：（1）讓行線編程為輸入線，列線編程為輸出線，并使輸出線輸出為全低電平，則行線中電平由高變低的所在行為按鍵的所在行；（2）再把行線編程為輸出線，列線編程為輸入線，并使輸出線輸出為全低電平，則列線中電平由高變低的所在行為按鍵的所在列。綜合上述兩步的結(jié)果，可確定按鍵所在的行和列，從而識別出所按的鍵。

2.2顯示接口：

實現(xiàn)4×4鍵盤的接口需要用到單片機并編寫相應(yīng)的程序來識別鍵盤的十六個按鍵中哪個按鍵被按下。要求將被按下的按鍵顯示出來，因此可以用兩個數(shù)碼管來分別顯示被按下的按鍵的行與列。單片機控制LED數(shù)碼管有兩種顯示方式：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。靜態(tài)顯示方式就是指無論多少位LED數(shù)碼管，都同時處于顯示狀態(tài)，多位LED數(shù)碼管工作于靜態(tài)顯示方式時，各位的共陰極（或共陽極）連接在一起并接地（或接+5V），每位數(shù)碼管的段碼線分別與一個單片機控制的8位I/O口鎖存器輸出相連，如果送往各個LED數(shù)碼管所顯示的字符的段碼一經(jīng)確定，則相應(yīng)的I/O口鎖存器鎖存的段碼輸出將維持不變，直至送入下一個顯示字符的段碼。因此，靜態(tài)顯示方式送往顯示無閃爍，亮度較高，軟件控制比較容易。動態(tài)顯示用于顯示位數(shù)較多時，將所有的LED數(shù)碼管顯示器的段碼線的相應(yīng)段并聯(lián)在一起，由一個8位I/O端口控制，而各顯示位的公共端分別由另一單獨的I/O端口線控制。 每隔一段時間逐位的輪流點亮各數(shù)碼管（掃描），由于數(shù)碼管的余暉和人眼的“視覺暫留”作用，只要控制好每位數(shù)碼管點亮顯示的時間和間隔，則可造成“多位同時亮”的假象。發(fā)光二極管從導(dǎo)通到發(fā)光有一定的延時，如果點亮?xí)r間太短，發(fā)光太弱，人眼無法看清；時間太長，產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象，而且此時間越長，占用單片機的時間也越多。另外，顯示位數(shù)增多，也將占用單片機的大量時間，因此動態(tài)現(xiàn)實的實質(zhì)是以執(zhí)行程序的時間來換取I/O端口數(shù)目的減少。因此選用靜態(tài)顯示，并且選擇共陰極數(shù)碼管，直接接地，不需要上拉電阻，方便了電路的連接。

圖3-1總電路圖

3.2部分硬件設(shè)計及其原理

圖3-2  4*4按鍵硬件圖

每個按鍵都有它的行值和列值，行值和列值的組合就是識別這個按鍵的編碼。矩陣的行線和列線分別通過兩并行接口和CPU通信。鍵盤的一端（列線）通過電阻接VCC，而接地是通過程序輸出數(shù)字“0”實現(xiàn)的。鍵盤處理程序的任務(wù)是：確定有無鍵按下，判斷哪一個鍵按下，還要消除按鍵在閉合或斷開時的抖動。兩個并行口中，一個輸出掃描碼，使按鍵逐行動態(tài)接地；另一個并行口輸入按鍵狀態(tài)，由行掃描值和回饋信號共同形成鍵編碼而識別按鍵。

圖3-3 數(shù)碼管硬件圖

兩位數(shù)碼管靜態(tài)顯示，并且采用共陰極數(shù)碼管，直接接地，避免采用上拉電阻，與AT89C52的P2、P3口相連，按行列顯示按鍵，靜態(tài)顯示，顯示無閃爍，亮度較高，軟件控制較容易。

圖3-4 STC89C52芯片

(1)8位CPU

（2）數(shù)據(jù)存儲器（256RAM）程序存儲器（8KB Flash ROM）

（3）4個八位可編程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）

（4）3個可編程的16位定時器/計數(shù)器（T0、T1、T2）

（5）1個全雙工的通用異步收發(fā)串行口（UART）

(6) 中斷系統(tǒng)具有6個中斷源、6個中斷向量

• 特殊功能寄存器（SFR）32個
  

（8）1個看門狗定時器（WDT）

四 軟件設(shè)計

4.1程序流程圖

(在51hei附件里面)

  圖4-1 總程序流程圖

                 圖4-3  鍵盤掃描流程圖

5.1仿真結(jié)果截圖

1.044.jpg (42.97 KB, 下載次數(shù): 95)

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2017-7-13 01:50 上傳

圖5-1 初始狀態(tài)數(shù)碼管顯示為“00”

圖5-2 第三行第四列按鍵按下，顯示為“34”

1.046.jpg (32.51 KB, 下載次數(shù): 56)

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圖5-3 第三行第二列按鍵按下，顯示為“32”

1.047.jpg (30.03 KB, 下載次數(shù): 85)

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圖5-4 第四行第三列按鍵按下，顯示為“43”

• 首先在keil軟件中編寫設(shè)計的程序，并通過編譯調(diào)試使程序能夠完全展現(xiàn)實驗要求，不斷修改直至沒有錯誤，編譯通過以后生成往單片機里下載的hex文件。
• 打開proteus軟件，設(shè)計硬件電路，根據(jù)自己設(shè)計的電路原理圖選擇元器件，并按照電路原理圖布局和連線。
• 電路連接好以后，并且檢查沒有任何錯誤，點擊STC89C52芯片，在“Program File”中選擇生成的hex文件，點擊OK，退出以后，點擊運行按鈕，調(diào)試電路是否能夠正常工作，并且檢查按鍵是否對應(yīng)數(shù)碼管上的數(shù)字。
  

• 在編寫程序的時候，考慮用匯編語言還是C語言編寫，最后選擇了C語言，在之前的各種實驗及設(shè)計中都是用的C語言進行編程，對C語言的理解比較深刻，匯編語言是單片機的主要設(shè)計語言，但由于剛剛接觸到這一語言，對各種指令、尋址方式的理解不太深刻，用錯各種指令，相對比而言，C語言更加得心應(yīng)手。
  

在用C語言進行編程的時候，也遇見了許多的問題，各種函數(shù)的調(diào)用，實體名、變量名的定義，通過對C語言課本的查閱，在老師的幫助下都解決了。

• 另外一個最大的難點就是在proteus中對原理圖的繪制，由于是第一次使用這個軟件，之前都是用的Multisim進行仿真，這次進行的是基于單片機的設(shè)計，所以在進行軟件仿真的時候有很大的困難，本次設(shè)計的大部分時間都用在了系統(tǒng)的仿真上，器件的選取、參數(shù)值的改動，還有最后下載完hex文件后的各種錯誤的修改。這些問題都對設(shè)計造成了很大的影響，通過對《單片機原理及應(yīng)用》附帶光盤的觀看，對proteus軟件的介紹及實際操作，使我對這個軟件有了一定的了解，通過上網(wǎng)查閱資料，了解了各種元器件的名稱及在軟件中的位置，通過不懈的努力，終于完成了設(shè)計的系統(tǒng)仿真。
  

6.2課程設(shè)計總結(jié)

通過本次課程設(shè)計，我運用所學(xué)知識，完成了整個課程設(shè)計的內(nèi)容，從電路原理圖的設(shè)計到硬件電路圖的連接，再到程序的編寫、電路原理圖的仿真，最后通過焊接完成了實物的設(shè)計，在這次課程設(shè)計中，運用了許多課程的內(nèi)容，通過查閱資料，以及與同學(xué)的探討，最終完成了4×4鍵盤的設(shè)計及按鍵的顯示。  

通過本次單片機與接口課程設(shè)計，我學(xué)會了使用proteus軟件和keil軟件，基本上完成了所設(shè)計的課題，設(shè)計出了4×4鍵盤的接口，并且在兩個數(shù)碼管上能夠顯示鍵盤所在的行值與列值。通過本次課設(shè)，首先，使我能夠綜合運用《單片機技術(shù)原理與應(yīng)用》、《DSP原理與應(yīng)用》《C語言程序設(shè)計》以及《數(shù)字電路》、《模擬電路》等課程中學(xué)到的知識做一些電路的仿真，其次，使我對C語言有了更好的掌握和運用，用其進行軟件編程更加得心應(yīng)手。初步掌握了keil 和proteus等軟件，可以用C語言編寫一個完整的程序，并且能夠在proteus中完成電路圖的設(shè)計，且能夠使程序與電路圖吻合，達到設(shè)計的目的，實現(xiàn)設(shè)計的要求，本次課設(shè)使我了解單片機接口應(yīng)用開發(fā)的全過程：分析需求、設(shè)計原理圖、選用元器件、布線、編程、調(diào)試、撰寫報告等。

6.3收獲和體會

這次課設(shè)，使我認識到：無論是設(shè)計硬件電路還是編寫相應(yīng)的軟件程序，我們應(yīng)該極其認真的進行設(shè)計，在這個過程中哪怕是出現(xiàn)一個小小的錯誤，都會導(dǎo)致不能仿真出正確的結(jié)果甚至根本不會出結(jié)果。本專業(yè)要求我們應(yīng)該有基本的專業(yè)知識和較強的動手操作能力。因此能夠熟練使用proteus和keil等軟件對于我們未來的就業(yè)非常重要。本次課設(shè)僅僅使我們對proteus和keil等軟件有了一個簡單的了解，我們應(yīng)該利用業(yè)余時間了解一些對我們專業(yè)有用的軟件，做到能夠掌握并熟練使用。課余時間多多做一些電路的仿真，這對我們將來找工作有很大的方便。

通過這次課程設(shè)計我發(fā)現(xiàn)了自己有很大的不足，書本上的知識固然重要，但是真正應(yīng)用到實際當中才是最主要的�，F(xiàn)在學(xué)習(xí)專業(yè)知識，只是為運用到實際中打下堅實的基礎(chǔ)，我們應(yīng)該多鍛煉自己的動手能力，多練習(xí)自己的焊接技術(shù)、排版能力、接線技巧等，這對以后的工作將會是一個巨大的幫助，通過本次課程設(shè)計，對我各方面都具有一定的影響，在以后的學(xué)習(xí)生活中，我會更加努力的去學(xué)習(xí)各種關(guān)于專業(yè)的知識，充實自己，使自己有充分的的提高。

參考文獻

[1] 張毅剛. 單片機原理及應(yīng)用 [M]. 北京：高等教育出版社，2016

[2] 陳峰. DSP原理與系統(tǒng)設(shè)計 [M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010

[3] 張敏霞. C語言程序設(shè)計教程 [M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2013

[4] 閆石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) [M]. 北京： 高等教育出版社，1998

[5] 童詩白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) [M]. 北京： 高等教育出版社，2015