1、電子產品設計整理與故障診斷學習情境4：按鍵與顯示電路的設計與實現電子產品設計整理與故障診斷課程建設組2010年2月 第一版學習情境4：按鍵與顯示電路的設計與實現4.1 學習目標通過本次學習情境要求學會： (1)掌握單片機外圍顯示和按鍵電路的設計和整理；(2)掌握按鍵和顯示電路的C51程序的編寫和調試。4.2 工作任務4.2.1 任務名稱在獨立電路板上設計整理單片機的按鍵和顯示電路，滿足：(1) 在萬用板上整理單片機的按鍵和顯示電路，使該電路具有和單片機最小系統的接口，電路的結構簡單，成本低廉；(2) 編寫基本控制程序，下載調試，使該電路實現基本的按鍵輸入和字符顯示功能。4.2.2 任務背景按鍵

2、和顯示是各種電子設備最基本的人機交互界面，良好的按鍵和顯示界面是電子產品美觀易用的基礎。本次工作任務是為一小型溫度測控系統設計整理按鍵和顯示電路。4.2.3 任務要求(1) 學習單片機按鍵和顯示電路的原理和電路設計方法，合理選擇按鍵和顯示電路的控制芯片和電路結構；(2) 完成全電路理論設計、繪制電路圖，自制電路板、焊接調試；(3) 撰寫設計報告、調試總結報告及使用說明書。4.2.4. 工作任務所需要的設備、工具和材料：具有232串行口的計算機、單片機最小系統板、雙蹤示波器、萬用表（模擬或數字）、電烙鐵、導線，自制電路板的各種工具一套及元器件若干。4.3 任務知識點4.3.1 七段LED顯示器L

3、ED顯示器是由發光二極管按照一定的排列規律組成的顯示器件，這種顯示器有共陽極和共陰極兩種組成形式，常用的七段LED顯示器的內部結構和外引腳排列見圖4-1。在共陰極七段LED結構中，所有發光二極管的陰極接在一起形成公共極COM，使用時COM接低電平，當某段發光二極管的陽極接高電平時，則該段二極管發光顯示字符。共陽極七段LED是把所有的發光二極管的陽極接在一起形成公共端COM，使用時COM端接高電平，當某段發光二極管的陰極接低電平時，則該段二極管發光進行顯示。表4-1給出了七段LED的顯示字型碼。表中的字型碼未包擴小數點位Dp，段線的排列格式按g,f,e,d,c,b,a即g段為顯示段碼的最高位，a

4、段為顯示段碼的最低位，當然段線也可按照其他方式進行排列。從表中可看出共陰極結構與共陽極結構的顯示段碼互為反碼。 a）共陰極結構 b）共陽極結構 c）外引腳圖 圖4-1 LED結構及引腳排列圖表4-1七段LED字型碼顯示字符共陰極字型碼共陽極字型碼顯示字符共陰極字型碼共陽極字型碼03FHC0HA77H88H106HF9Hb7CH83H25BHA4HC39HC6H34FHB0Hd5EHA1H466H99HE79H86H56DH92HF71H8EH67DH82HP73H8CH707HF8H40HBFH87FH80H全滅00HFFH96FH90H問題：單片機控制電路中，應如何選擇LED顯示器的結構？4

5、.3.2 LED顯示器的顯示方式在實際應用系統中，N片七段LED構成N位七段碼顯示器。LED的公共端COM叫做顯示器的位選線，ag稱為段選線，這樣N位LED顯示器有N根位選線，N*8根段選線（包括小數點位）。位選線控制LED的每一位是否顯示，段選線控制每一位的顯示字符。根據位選線與段選線的接法，LED有兩種顯示方式：靜態顯示方式和動態顯示方式。 （1）靜態顯示方式 在靜態顯示方式，所有的位選線COM連接到一起接低電平（共陰極）或接高電平（共陽極），每一位LED的段選線連接到一個8位顯示輸出口上，這樣N位顯示器共需要8*N根顯示輸出線，顯示時位與位之間是相互獨立的，彼此不產生影響。圖4-2為靜態

6、N位LED顯示器原理圖。圖4-2 N位LED靜態顯示原理圖 由于位選線接在一起，因此控制每一顯示位的段選碼即可控制每一位的顯示字符，保持段選碼不變，則顯示的字符也不變，當需要改變顯示內容時只需改變顯示位的段碼。這種顯示方式具有顯示亮度高，顯示穩定，控制方便等優點，但當顯示的位數較多時，占用的I/O口線較多。 （2）動態顯示方式圖4-3為N位動態顯示硬件連接圖。圖4-3 N位動態LED顯示原理圖與靜態顯示方式不同，動態顯示方式是把段選線的對應位連接到一起，接到一個8位輸出I/O口線上，每一位的位選線接到一根獨立的I/O口線上，這樣N位顯示器共需要8+N根I/O口線（8根段選線，N根位選線）。顯示

7、時段選碼由同一8位I/O口輸出，具體哪一位顯示由位選碼決定。由于段選碼并聯接在一起，因此同一時刻只能有一位LED顯示字符，其他位不顯示，即只能有一位位選線有效。為了能顯示N位字符，必需N位LED數碼管等間隔時間輪流發光顯示，只要顯示間隔時間比較短，利用人眼視覺暫留的特點可造成N位同時顯示的效果。動態顯示與靜態顯示相比有需要I/O口線少、功耗小等優點，但控制程序較復雜，顯示亮度低。問題：根據顯示電路的要求，應如何選用數碼管的顯示控制方式？4.3.3 LED顯示器與單片機接口LED顯示電路與單片機的接口分靜態顯示接口電路和動態顯示接口電路兩類，每一類中又可分為軟件譯碼和硬件譯碼兩種控制方式。由于靜

8、態顯示電路和靜態顯示控制程序比較簡單，因此靜態顯示電路在此不作介紹。軟件譯碼方法是指將要顯示的字符通過程序的方法譯成七段LED顯示字型碼，通過I/O口直接輸出LED的段選碼；硬件譯碼是指將要顯示的字符直接輸出給硬件譯碼電路，通過硬件譯碼電路再把BCD碼或十六進制碼轉換成七段LED顯示字型碼。 （1）軟件譯碼顯示接口圖4-4為通過8255A并行可編程擴展接口構成的8位LED顯示電路。其中8255A的PA口用于段選碼的輸出，PB口用于位選碼的輸出，采用軟件譯碼動態顯示方式。圖4-4 軟件譯碼動態顯示電路在該硬件電路中，反相器為位驅動器，LED的段限流電阻未畫出。 按圖所示電路進行連接時所用8255

9、A的各端口位置為： PA口位置：7FFCH PB口位置：7FFDH 控制口位置：7FFFH PA、PB口均設定為輸出工作方式，其控制字為10000000B。控制程序如下： DISP: MOV DPTR,#7FFFH ；選擇8255A的控制口 MOV A,#80H；PA、PB口控制字為80H MOVX DPTR,A；8255A初始化 MOV R0,#TAB1；指向顯示字符表 MOV R7,#08H；顯示位數送R7 MOV B,#01H；顯示初始位位選線COM1有效 LOOP： MOV DPTR,#7FFDH；指向B口 MOV A,B MOVX DPTR,A；輸出位選線 RL A MOV B,A

10、MOV A,R0；取顯示字符 INC R0；指向下一個顯示字符 MOV DPTR,#TAB2；指向七段LED顯示字型表 MOVC A,A+DPTR ；取顯示七段字型碼 MOV DPTR,#7FFCH；指向A口 MOVX DPTR,A；輸出段顯碼 LCALL DELAY；調延時子程序 DJNZ R7,LOOP；8位未顯示完繼續 上述程序為一次顯示8位字符程序，若要不斷顯示可重復上述程序。（2）硬件譯碼電路 硬件譯碼是采用硬件譯碼電路的方法完成顯示字符到顯示七段碼的轉換。硬件集成譯碼電路類型較多，有BCD-7段譯碼器、BCD-7段譯碼驅動器、BCD-7段鎖存譯碼驅動器、十六進制-7段鎖存譯碼驅動器

11、等。表4-2給出了常用的硬件譯碼集成電路及其性能。表4-2 常用的硬件譯碼集成電路元件名稱功能驅動能力備注74LS46、47BCD-七段譯碼/輸出驅動器段驅動8mA輸出開路74LS48BCD-七段譯碼/輸出驅動器段驅動8mA輸出需上拉電阻74LS49BCD-七段譯碼/輸出驅動器段驅動8mAOC輸出4511BCD-七段譯碼/輸出驅動器段驅動8mACMOS器件，輸出鎖存MC14558BCD-七段譯碼無驅動能力MC14547BCD-七段譯碼/輸出驅動器段驅動8mAMC14513BCD-七段譯碼/輸出驅動器段驅動12mA輸出鎖存ICM7212BCD-七段譯碼/輸出驅動器段驅動8mA可靜態驅動四位共陽極

12、LEDICM72188位動態BCD-七段譯碼器段驅動20mA位驅動170mA可動態驅動8位共陽極LED動態掃描頻率250HZ硬件譯碼驅動器與單片機及顯示器的接口見圖4-5。在該圖中硬件譯碼驅動電路采用BCD-七段碼/輸出鎖存/驅動集成芯片MC14513，位選驅動采用同向驅動器7407。BCD碼與位選信號輸出均通過P1口。 圖4-5硬件譯碼驅動器與單片機及顯示器的接口問題：(1) LED顯示器與單片機接口，應選用哪種譯碼方式？為什么? 4.3.4 LED的驅動電路LED是電流控制顯示器件，若想使LED發光則必需保證有足夠大的電流流過LED的各段。流過LED的電流大時，LED發光亮度高；流過LED

13、的電流小時，LED發光亮度就低，為了LED能夠長期可靠地工作應使流過LED的電流為其額定電流。為LED顯示器提供電流的電路稱為LED的驅動電路。由于顯示分為靜態顯示和動態顯示兩種，因此驅動電路也分為靜態驅動電路和動態驅動電路兩種。靜態顯示由于位選線接在一起，因此靜態顯示只有段碼驅動電路，驅動電路比較簡單。圖4-6為共陰極靜態顯示一段驅動電路原理圖。圖4-6靜態顯示驅動電路 由于動態顯示器驅動電路的位選線不再接在一起，且流過LED各段的電流也為非恒定的直流電流，因此動態顯示器LED的驅動電路與靜態顯示器的驅動電路有很大的不同。動態顯示電路的驅動電路分為段驅動電路和位驅動電路兩種。段驅動電路與靜態

14、顯示器的段驅動電路相同，考慮到所有的段電流均流過位選線，因此位驅動電路的驅動 能力應為段驅動能力的8倍（最嚴重情況8段全亮）。 圖4-7為動態顯示時的驅動電路原理圖，其中驅動采用了達林頓復合驅動電路。 驅動電路可采用分立元件電路，也可采用集成驅動電路，此外有些硬件譯碼電路本身包括驅動電路。在實際應用系統中可根據實際情況選擇顯示驅動電路的類型。圖4-7 動態驅動電路問題：在LED顯示電路設計中，段碼驅動和位碼驅動應選用何種驅動方式？有什么差別？工作任務：如何用74HC373芯片設計一種廉價的基于總線的LED顯示電路？4.3.5 鍵盤抖動及其消除方法鍵盤是單片機應用系統中不可缺少的輸入設備。通過鍵

15、盤可向單片機應用系統輸入數據和控制命令，鍵盤是操作人員控制干預單片機應用系統的主要手段。根據鍵盤組成形式可分為獨立式鍵盤、矩陣式鍵盤及撥碼式鍵盤幾種。鍵盤可工作于循環掃描方式、定時掃描方式或中斷方式。 鍵盤一般是由一組機械按鍵按照一定的規律組合而成，通過按鍵的通、斷作用輸入開關電壓信號。按鍵由斷開到閉合及由閉合到斷開時，由于機械觸點的彈性作用，按鍵的動作不是立刻完成的，在閉合及打開的瞬間有機械抖動的發生，抖動時間一般為510ms，表現在輸入電壓信號上為輸入信號是抖動的不穩定的電平信號，其信號波形見圖4-8。 鍵 被 按 下 閉合穩態 按下抖動 釋放抖動 圖4-8 按鍵抖動波形 按鍵閉合穩態時間

16、由操作人員的按鍵時間決定，一般為零點幾秒到幾秒之間。為了躲開鍵抖動的影響，保證在按鍵閉合穩定狀態下讀取鍵值，需要對鍵盤進行削抖處理。常用的削抖措施有硬件削抖和軟件削抖兩種。 硬件削抖是采用硬件電路的方法對鍵盤的按下抖動及釋放抖動進行削抖，經過削抖電路后使按鍵的電平信號只有兩種穩定的狀態。常用的削抖電路有觸發器削抖電路、濾波削抖電路兩種。硬件削抖電路見圖4-9。圖4-9 硬件削抖電路硬件削抖電路解決了鍵抖動問題，但當應用系統所需按鍵比較多時，硬件削抖電路將變得復雜，成本也比較高，因此硬件削抖一般只適用于按鍵比較少的應用系統中。當系統中需要鍵盤數量比較多時可采用軟件削抖方法對鍵盤抖動進行消除。軟件

17、削抖的基本原理是當第一次檢測到有鍵按下時，根據鍵抖動時間的統計規律先采用軟件延時的方法延時一段時間（一般可取10ms），然后再確認鍵是否仍保持閉合狀態，如仍保持閉合狀態則鍵真正被按下，此時可讀取鍵值，否則可視為干擾，對其不予理睬。采用軟件削抖方法可省去硬件削抖電路，但鍵盤的工作速度將被降低。4.3.6 獨立式鍵盤圖4-10是通過8031單片機P1口組成的具有8個按鍵的獨立式鍵盤。從圖中可看出，獨立式鍵盤的各個按鍵之間彼此是相互獨立的，每一個按鍵連接一根I/O口線。獨立式鍵盤電路簡單，軟件設計也比較方便，但由于每一個按鍵均需要一根I/O口線，當鍵盤按鍵數量比較多時，需要的I/O口線也較多，因此獨

18、立式鍵盤只適合于按鍵較少的應用場合。 獨立式鍵盤可工作在查詢方式下，通過P1口讀入鍵狀態，當有鍵被按下時相應的I/O口線變為低電平，而未被按下的鍵對應的I/O口線保持為高電平，這樣通過讀I/O口狀態可判斷是否有鍵按下和哪一個鍵被按下。4.3.7 矩陣式鍵盤 矩陣式鍵盤由行線、列線及位于行列線交叉點上的按鍵等部分組成。當應用系統需要的按鍵數量比較多時可采用矩陣式鍵盤。(1) 工作原理圖4-11為一4x4矩陣式鍵盤的基本結構。圖4-11 矩陣式鍵盤工作原理該鍵盤需要4根行線和4根列線共8根I/O口線，由于采用矩陣式結構，與獨立式按鍵不同，一根I/O口線已經不能確定哪一個鍵被按下，需要通過聯接到鍵上

19、的兩根I/O口線的狀態確定鍵的狀態，同時鍵的兩端均接到I/O口線上不能一端接I/O口線一端接地，因此必需采用行線與列線信號狀態分別處理綜合考慮才能判斷鍵閉合的位置。常用的鍵位置判別方法有掃描法和線反轉法兩種。(2) 鍵識別方法 鍵識別方法是指當鍵被按下時如何確定是哪一個鍵被按下。常用的鍵識別方法有掃描法和線反轉法，下面我們以圖4-11為例加以說明。 掃描法 設圖4-11的行線H1H4連接到51單片機P1口的P1.0P1.3，列線L1L4連接到P1口的P1.4P1.7上，可通過如下程序判斷哪一個鍵被按下。KEY: MOV P1,#0FH；列輸出低電平，行輸出高電平 MOV A,P1；讀P1口狀態

20、 ANL A,#0FH；保留行狀態 CJNE A,#0FH,KEY0；有鍵按下轉KEY0 SJMP KEY；無鍵按下等待，轉鍵檢測KEY0: LCALL DELAY10；調10mS延時取抖 MOV A,P1 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,KEY1；不是抖動轉鍵值判斷 SJMP KEY ；是抖動到鍵檢測KEY1: MOV P1,#11101111B；第一列鍵被按下判斷 MOV A,P1 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,KEY11；第一列鍵被按下轉KEY11處理 MOV P1,#11011111B；第二列鍵被按下判斷 MOV A,P1 ANL A,#0FH CJNE

21、A,#0FH,KEY11；第二列鍵被按下轉KEY11處理 MOV P1,#01111111B；第四列鍵被按下判斷 MOV A,P1 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,KEY11；第四列鍵被按下轉KEY11處理 LJMP KEY ；均不是轉到鍵檢測KEY11：MOV A,P1；讀鍵值 鍵值處理 從程序中我們可看出，鍵掃描法實際上是先使列（行）線全輸出低電平，然后判斷行（列）線狀態，若行線全為高電平，表示無鍵被按下；若行線不全為高電平表示有鍵被按下，然后依次使列線為低電平，再判斷行線狀態，當行線全為高電平時，表示被按下的鍵不在本列；當行線不全為高電平時，表示被按下的鍵在本列，把此時的行

22、線狀態與列線狀態和在一起即為被按下的鍵的位置。 線反轉法 掃描法對鍵的識別采用逐行（列）掃描的方法獲得鍵的位置，當被按下的鍵在最后一行時需要掃描N次（N為行數），當N比較大時鍵盤工作速度較慢，而線反轉法則不論鍵盤有多少行和多少列只需經過兩步即可獲得鍵的位置。我們仍以圖4-11為例，線反轉法的第一步與掃描法相同均是把列線置低電平，行置高電平然后讀行狀態；第二步與第一步相反把行線置低電平，列線置高電平然后讀列線狀態，若有鍵按下則兩次所讀狀態的結果即為鍵所在的位置。這樣通過兩次輸出和兩次讀入可完成鍵的識別，比掃描法要簡單。KEY: MOV P1,#0FH；列輸出低電平，行輸出高電平 MOV A,P1

23、；讀P1口狀態 ANL A,#0FH；保留行狀態 CJNE A,#0FH,KEY0；有鍵按下轉KEY0 SJMP KEY；無鍵按下等待，轉鍵檢測KEY0: LCALL DELAY10；調10mS延時取抖 MOV A,P1 ANL A,#0FH MOV B,A CJNE A,#0FH,KEY1；不是抖動轉鍵值判斷 SJMP KEY ；是抖動到鍵檢測KEY1: MOV P1,#0F0H；行輸出低電平，列輸出高電平 MOV A,P1 ANL A,#0F0H ORL A,B 鍵值處理 (3) 鍵盤工作方式 在實際應用系統中，鍵盤只是系統的一部分，鍵的識別也只是CPU工作內容的一部分。系統在工作中采取何

24、種方式對鍵盤進行識別，讀取鍵狀態這就是鍵盤工作方式。鍵盤工作方式主要有掃描方式和中斷方式兩種。 掃描方式鍵盤的掃描方式又可分為編程掃描和定時掃描。編程掃描是指在特定的程序位置段上安排鍵盤掃描程序讀取鍵盤狀態，此時用戶可輸入數據和控制命令。定時掃描是指利用單片機內部或擴展的定時器產生定時中斷，在中斷中進行鍵盤掃描的工作方式。不論哪一種掃描方式，鍵盤程序都應當完成：鍵是否被按下判斷，按鍵削抖處理；求鍵位置等。 中斷方式 中斷方式是指，當無鍵按下時，CPU處理其他工作而不必進行鍵的掃描；當有鍵被按下時，通過硬件電路向CPU申請鍵盤中斷，在鍵盤中斷服務程序中完成鍵盤處理。該種方法可提高CPU的工作效率

25、。工作任務：(1) 如何用74HC245設計一組獨立式按鍵，使其連接于單片機并行總線上？4.4 任務實施4.4.1 設計顯示和按鍵電路的原理圖 按照要求設計一組廉價的LED顯示電路和獨立式按鍵電路，并使其連接于單片機擴展的并行總線上，盡量設計多個方案，進入后面的工作步驟，對多個方案進行比較選擇。4.4.2 對顯示和按鍵電路進行軟件仿真 對上面設計好的電路使用proteus軟件進行仿真，驗證其可行性，選擇能夠實現的方案進行下一步的成本核算。4.4.3 顯示和按鍵電路的元件清單和成本核算 將設計好的原理圖的元件清單整理好填入下表中，進行成本核算。序號編號元件名稱參數和封裝數量單價（元）合計（元）123456789101112總 計4.4.4 焊接顯示和按鍵電路的電路板經過上面的軟件仿真和成本核算，確定最終的方案，開始整理電路板。按照接線圖將元件焊到萬能板上，完成電路板的整理。 在進行焊接之前一定要認真規劃電路板上元件的分布，例如：顯示必須在電路板的上邊，而按鍵必須在電路板的下邊。可以利用protel軟件先進行原理圖和PCB的整理，然后參照PCB電路，完成萬用板電路的焊接。 注