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【0119】9M篮球比赛计时器[含CAD图纸+文档],含CAD图纸+文档

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哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) I 摘要 本文主要介绍：篮球比赛计时器。本文首先介绍单片机的相关知识，对单 片机进行相应的研究，并将其与 74HC595 串行显示电路配合使用。本电路主 要核心是 AT89S51，利用软件和硬件的结合实现开机自动置节计数器为第一节， 节计时器为 12 分 00 秒，24 秒违例为 24 秒。用数字显示篮球比赛当时节数， 每节时间及 24 秒的倒计时，采用单片机串行显示。最后，本文会详细叙述此 电路的安装与调试，并对调试过程中出现的问题做简要说明。 关键词 AT89S52 单片机；74HC595；XXX 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) II Abstract Abstract this article mainly introduced: Basketball game timer. This article first introduced that monolithic integrated circuits related knowledge, conducts the corresponding research to the monolithic integrated circuit, and its and 74HC595 serial display circuit coordination use. This electric circuit main core is AT89S51, realizes using the software and hardwares union starting sets at the festival counter for first, the festival timer is 12 minute 00 second automatically, 24 second case of breaching the rules is 24 seconds. With the digital demonstration basketball game at that time the pitch number, each time and 24 second countdown, used the monolithic integrated circuit serial demonstration. Finally, this article will narrate this electric circuits installment and the debugging in detail, and to will debug the question which in the process will appear to give the briefing。 key words 89S52 monolithic integrated circuit; 74HC595; XXX 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) III 目 录 摘要 .I ABSTRACTABSTRACT II 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题背景 .1 1.2 设计简介 .2 第 2 章 系统电路的设计方案 .3 2.1 系统设计方案的提出 .3 2.2 方案的确定 .3 2.3 本章小结 .3 第 3 章 电路设计原理及芯片介绍 4 3.1 键盘控制及显示电路设计的原理及要求 .4 3.1.1 电路的设计原理与功能要求 .4 3.1.2 电路的总设计框图 .4 3.2 总电路选用芯片简介 .4 3.2.1 控制芯片 AT89S52 4 3.3 LED 显示原理介绍 11 3.4 键盘控制原理介绍14 3.4.1 键盘的工作原理 14 3.4.2 独立式键盘 17 3.5 本章小结 20 第 4 章 键盘控制及显示硬件电路实现 21 4.1 LED 显示电路设计 21 4.2 独立按键键盘的电路设计22 4.3 硬件的焊接23 4.3.1 硬件的焊接 .23 4.3.2 电路板的检查和故障排除 .24 4.4 本章小结 24 第 5 章 键盘控制及显示电路软件设计 .26 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) IV 5.1 软件设计的基本工具 26 5.1.1 汇编语言的简介 26 5.1.2 汇编语言的指令系统与程序 26 5.1.3 keilC51 开发软件简介 28 5.2 独立式键盘软件设计 28 5.2.1 软件设计流程图 29 5.3 键盘控制及显示电路设计软件实现总流程图 29 5.3.1 总流程图 29 5.4 本章小结 30 结 论 31 致 谢 32 参考文献 33 附录 1 外文资料 .34 附录 2 电路原理图 .37 附录 3 汇编源程序 .38 附录 4 元件清单 .45 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 1 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 在电子技术飞速发展的今天，电子产品的人性化和智能化已经非常成熟， 其发展前景仍然不可估量。如今的人们需求的是一种能给自己带来方便的电子 产品，当然最好是人性化和智能化的，如何能做到智能化呢？单片机的引入就 是一个很好的例子。单片机又称单片微型计算机，也称为微控制器，是微型计 算机的一个重要分支，单片机是 20 世纪 70 年代中期发展起来的一种大规模集 成电路芯片，是集 CPU，RAM，ROM，I/O 接口和中断系统于同一硅片上的 器件。单片机的诞生标志着计算机正式形成了通过计算机系统和嵌入式计算机 系统两个分支。目前单片机已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。在我们身边，由单片机作为主控制器的全自动洗衣机、 高档电风扇、电子厨具、变频空调、遥控彩电、录像机、VCD/DVD 机、组合 音响、电子琴等。单片机已在广阔的计算机应用领域中表现得淋漓尽致，出尽 了风头。从家用消费类电器到复印机、打印机、扫描仪、传真机等办公自动化 产品；从智能仪表、工业测控装置到 CT、MRI、 刀等医疗设备；从数码相机、 摄录一体机到航天技术、导航设备、现代军事装备；从形形色色的电子货币如 电话卡、水电气卡到身份识别卡、门禁控制卡、档案管理卡及相关读/写卡机 等等都有单片机在里面扮演重要角色。因此，单片机已成为电子类工作者必须 掌握的专业技术之一。单片机就是一个微型中央处理器，通过编程即能完成很 多智能化的工作 ，因此它的出现给电子技术智能化和微型化起到了很大的推 动作用。随着人们生活水平的提高，社会经济的发展，人们开始考虑精神生活 的享受，并开始注重身体素质的提高。开始举办一些小型的篮球比赛。这就需 要裁判有一个公正的判罚，以保证比赛的顺利进行。这就需要有一个专门计时 的工具。所以我就设计了一个篮球比赛计时器。设计简单，耗费少，容易制作。 可用于街头篮球比赛和校园篮球比赛。花很少的钱就可以得到一个实用的篮球 比赛计时器。 本次设计注重对单片机工作原理以及键盘控制及显示原理的理解，以便今 后自己在单片机领域的学习和开发打下基础，提高自己的动手能力和设计能力， 培养创新能力，丰富自己的理论知识，做到理论和实践相结合。本次设计的重 要意义还在于对单片机的内部结构和工作状态做更进一步的了解，同时还对单 片机的接口技术，中断技术，存储方式和控制方式作更深层次的了解。此次设 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 2 计更进一步了解基本电路的设计流程，提高自己的设计理念，丰富自己的理论 知识，巩固所学知识，使自己的动手动脑能力有更进一步提高，为自己今后的 学习和工作打好基础，为自己的专业技能打好基础。 1.2 设计简介 篮球比赛中除了有总时间倒计时外，为了加快比赛的节奏，新的规则还要 求进攻方在 24 秒内有一次投篮动作，否则视为违例。根据要求，以 AT89S52 单片机为核心，设计篮球比赛计时控制器。篮球比赛上下半场四节制，每节 12 分钟，要求能随时暂停，启动后继续计时，一节比赛结束后可清零。按篮球比 赛规则，进攻方有 24 秒为例计时。 “分” “秒”显示用 LED 数码管。用开关控 制计时器的启动/暂停。该篮球比赛计时器的设计，可对比赛总时间和各方每 次控球时间计时。该计时器采用按键操作、LED 显示，非常实用。此计时器在 程序参数稍加修改后也可作为其他球类比赛的计时器。 主控芯片为 AT89S52，采用 12MHz 晶振，P0.0-P0.7 作键盘输入。A1 为 12 分钟暂停键；A2 为启动 12 分钟计时键，24 秒计时开始；A3 为 24S 复位开启 键（投篮或交换控球时按下此键）； A4 为 24 秒计时停止键（没有违例）；A5 为总计时和 24 秒计时同时启动键；A6 为总计时和 24S 计时同时停止键。 电路采用静态显示，一起点亮各位数码管，同时显示不同的字符。点亮各 位数码管锁存输出。显示器的第一位显示计时节数，3 至 6 位显示计时的分， 最后 2 位显示 24 秒。用 T0 定时器中断进行 24 秒处理，12 分钟计时用 T1 定时 器中断计时。同时电路通过键盘扫描，根据键值转相应键处理。 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 3 第 2 章 系统电路的设计方案 2.1 系统设计方案的提出 本设计是基于 89S52 单片机的键盘控制及显示电路设计，从系统的设计功 能上看，系统可分为两大部分，即键盘输入控制部分和显示部分，对于每一个 部分都有不同的设计方案，起初我拟订了下面两种方案： 第一种方案： 键盘控制采用矩阵扫描键盘，可以用普通按键构成 44 矩阵键盘，直接接 到 89S52 单片机的 P0 口，高四位作为行，低四位作为列，通过软件完成键盘 的扫描和定位。显示部分采用动态显示，采用移位寄存器 74LS164 和译码器 74LS138 通过显示驱动程序驱动七段数码管显示。此方案成本低，所用到的两 个外围芯片价格都很低廉，而且单片机的 I/O 口占用较少，可以节约单片机接 口资源。 第二种方案： 键盘控制采用独立是式键盘，每个按键的“接零端”均接地，每个按键的“测 试端”各接一条输入线，通过检测输入线的电平状态就可以很容易地判断哪个 键被按下了，这种方法操作速度高而且软件结构很简单。这种方法比较适合按 键较少或操作速度较高的场合。显示部分采用静态显示方法，所谓静态显示， 就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的接口用于笔划段字形代码。 这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要 显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中 CPU 的 开销小。 2.2 方案的确定 本设计要求按键较多，且本次设计只是对所学知识的一次实践，设计要求 简单，容易实现，成本低。比较以上两中设计方案，第二种成本低，占用单片 机资源少，且容易实现，这样的设计比较适合本次设计，故选用第二种设计方 案。 2.3 本章小结 本章主对所选方案进行比较，并最终确定选用那种方案。 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 4 第 3 章 电路设计原理及芯片介绍 3.1 键盘控制及显示电路设计的原理及要求 3.1.1 电路的设计原理与功能要求 本设计采用 AT89S52 单片机芯片作为中央处理芯片，采用 AT89S52 的 P0 口构成独立 8 键键盘，采用 AT89S52 串行口静态显示，选用 74HC595 作为 LED 驱动芯片。 本电路设计有以下功能及要求： （1）篮球比赛计时器全场时间为 48 分钟，共四节，每节 12 分钟和 24 秒 违例。要求开机自动置节计数器为第一节，节计时器为 12 分 00 秒，24 秒违例 为 24 秒。 （2）用数字显示篮球比赛当时节数，每节时间及 24 秒的倒计时，采用单 片机串行显示。 （3）能随时用按纽开关控制比赛的启动/暂停，启动后开始比赛，暂停期间不计 时，重新启动后继续计时。 3.1.2 电路的总设计框图电路的总设计框图 根据设计任务与要求，可初步将系统分为五大功能模块：主电路、开关启 /停控制电路、显示电路、音响电路和+5V 稳压电源。进一步细说，主电路选用 89S52 作为中央处理器；开关启/停控制电路由八个按键组成；显示电路由八位 七段数码管和 74HC595 组成；音响电路用 ULN2003 驱动蜂鸣器；+5V 稳压电路 采用 7805 稳压块把电源电压稳定在+5V。原理框图如图 3-1 所示。 图 3-1 篮球比赛计时器的原理框图 3.2 总电路选用芯片简介 3.2.1 控制芯片 AT89S52 AT89S52 功能特性描述： AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 5 可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工 业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编 程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash ，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解 决方案。AT89S52 具有以下标准功能：8k 字节 Flash，256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM 、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保 护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到 下一个中断或硬件复位为止。 AT89S52 引脚结构： 图 3-2 AT89S52 的 PDIP 封装 图 3-3 AT89S52 的 PLCC 封装 主要特性： （1） 与 MCS-51 单片机产品兼容； （2） 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器； （3） 1000 次擦写周期; （4） 全静态操作：0Hz33Hz ; （5） 三级加密程序存储器; 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 6 （6） 32 个可编程 I/O 口线; （7） 三个 16 位定时器/计数器; （8） 八个中断源; （9） 全双工 UART 串行通道; （10）低功耗空闲和掉电模式; （11） 掉电后中断可唤醒; （12） 看门狗定时器; （13） 双数据指针; . （14）掉电标识符. 管脚说明： VCC: 电源; GND: 接地; P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱 动 8 个 TTL 逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这 种下， P0 具有内部上拉电阻。在 flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节； 在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p1 输出缓冲 器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高， 此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻 的原因，将输出电流（IIL） 。此外，P1.0 和 P1.2 分别作定时器/计数器 2 的外 部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX） ，具体如下 表所示。 表 3-1 部分引脚第二功能 在 flash 编程和校验时，P1 口接收低 8 位地址字节。 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 7 P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲 器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高， 此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻 的原因，将输出电流（IIL） 。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部 数据存储器（例如执行 MOVX DPTR） 时，P2 口送出高八位地址。在这种 应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX RI ）访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。在 flash 编程和校验 时，P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 P3P3 口口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p2 输出缓冲 器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高， 此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻 的原因，将输出电流（IIL） 。P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能（第二功能）使 用，如下表所示。 在 flash 编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。 表 3-2 P3 口引脚第二功能 RST: 复位输入。晶振工作时，RST 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片 机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存 器 AUXR( 地址 8EH) 上的 DISRTO 位可以使此功能无效。DISRTO 默认状 态下，复位高电平有效。 ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存 低 8 位地址的输出脉冲。在 flash 编程时，此引脚（PROG ）也用作编程输入 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 8 脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作 为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时， ALE 脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位置“1”， ALE 操作将无效。这一位置“1”， ALE 仅在执行 MOVX 或 MOVC 指令时 有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个 ALE 使能标志位（地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 PSEN: 外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。 当 AT89S52 从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN 在每个机器周期被 激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN 将不被激活。 EA/VPP: 访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到 FFFFH 的外 部程序存储器读取指令，EA 必须接 GND。为了执行内部程序指令，EA 应该接 VCC。 在 flash 编程期间，EA 也接收 12 伏 VPP 电压。 XTAL1: 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2: 振荡器反相放大器的输出端。 振荡器特性： XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配 置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对 外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 芯片擦除： 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并 保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写 1且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外， AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件 可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计数器， 串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器， 禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 时钟电路： AT89S52 片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTALl 和 XTAL2 分别为振荡电路的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部 方式产生。如图 3.4 所示: 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 9 a) 内时钟方式 b) 外时钟方式 3-4 时钟电路图 内部方式时钟电路如图 3-4 a)所示。在 XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接定时元件， 内部振荡电路就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联 谐振回路。晶体可以在 1.2 MHZ 到 12MHZ 之间选择，电容值在 530 PF 之 间选择，电容的大小可起频率微调作用。外部方式的时钟电路如图 3-4 b)所示， XTALl 接地；XTAL2 接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要保证 脉冲宽度，一般采用频率低于 12MHZ 的方波信号。 时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟信号从和地供单片机使用。 P1 在每一个状态 S 的前半部分有效。P2 在每个状态的后半部分有效。 复位和复位电路： AT89S52 单片机的复位电路如图 3.5 所示。在 RESET(图中表示为 RST)输 入端出现高电平时实现复位和初始化。在振荡器运行的情况下，要实现复位操 作，必须使 RST 引脚至少保持两个机器周期(24 个振荡器周期)高电平。CPU 在第二个机器周期内执行内部复位操作、以后每一个机器周期重复一次，直至 RST 端电平变低。复位期间不产生 ALE 及 PSEN 信号。 a)上电复位 b)开关复位 3-5 复位电路图 3.2.2 74HC595 74HC595 是具有 8 位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。 移位寄 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 10 存器和存储器是分别的时钟。数据在 SCHcp 的上升沿输入，在 STcp 的上升沿 进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄 存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出 （Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行 8 位的，具备三 态的总线输出，当使能 OE 时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。 （1）引脚结构图 图 3-6 74HC595 引脚图 （2）引脚说明 74595 的数据端： QA-QH: 八位并行输出端，可以直接控制数码管的 8 个段。 QH: 级联输出端。我将它接下一个 595 的 SI 端。 SI: 串行数据输入端。 74595 的控制端说明： /SCLR(10 脚): 低点平时将移位寄存器的数据清零。通常我将它接 Vcc。 SCK(11 脚)：上升沿时数据寄存器的数据移位。QAQBQC.- QH；下降沿移位寄存器数据不变。（脉冲宽度：5V 时，大于几十纳秒就行 了。我通常都选微秒级） RCK(12 脚)：上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时 存储寄存器数据不变。通常我将 RCK 置为低电平，当移位结束后，在 RCK 端 产生一个正脉冲（5V 时，大于几十纳秒就行了。我通常都选微秒级），更新 显示数据。 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 11 /G(13 脚): 高电平时禁止输出（高阻态）。如果单片机的引脚不紧张，用 一个引脚控制它，可以方便地产生闪烁和熄灭效果。比通过数据端移位控制要 省时省力。 注：74164 和 74595 功能相仿，都是 8 位串行输入转并行输出移位寄存器。 74164 的驱动电流(25mA)比 74595(35mA)的要小,14 脚封装，体积也小一些。 74595 的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数 据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。 与 164 只有数据清零端相比，595 还多有输出端时能/禁止控制端，可以使 输出为高阻态。 3.3 LED 显示原理介绍 本设计选用价格低廉的发光二极管 LED 显示器作为显示部分的显示器件， 下面介绍 LED 显示器的工作原理。 (1) LDE 发光二极管的发光原理 发光二极管是由-族化合物，如 GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、 GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的，其核心是 PN 结。因此它具有一般 P-N 结 的 I-N 特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还 具有发光特性。在正向电压下，电子由 N 区注入 P 区，空穴由 P 区注入 N 区。 进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光，如 图 3-7 所示。 图 3.7 发光二极管发光原理 假设发光是在 P 区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光， 或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些 电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获，而后再与空穴复 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 12 合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合 量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光 仅在靠近 PN 结面数 m 以内产生。理论和实践证明，光的峰值波长 与发光 区域的半导体材料禁带宽度 Eg 有关，即 1240/Eg(mm)式中 Eg 的单位为电子 伏特(eV)。若能产生可见光(波长在 380nm 紫光780nm 红光)，半导体材料的 Eg 应在 3.261.63eV 之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、 黄、绿及蓝光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。 (2) LED 数码显示器的结构 LED 是用发光二极管显示字段的显示器件，也可称为数码管，其外形如下 图 3.6 所示。 图 3.8 数码管结构图 它由 8 个发光二极管构成，通过不同的组合可用来显示数字 0 9、字符 A F、H、L、P、R、U、Y、符号“”及小数点“.”。数码管的外形结构如图 3.9 所示。 数码管又分为共阴极和共阳极两种结构。由图 3.9 可见，它有 8 个发光二 极管阳极连在一起作为公共端；而共阴极是将 8 个发光二极管阴极连在一起作 为公共端。本设计采用的是共阳极的。数码管的公共端相当于一个总开关，一 般称为码位开关，当它低电平的时候数码管全灭；当它为高电平时，根据发光 二极管阳极的状态(一般成为段码或字型码)，低电平该段亮，高电平不亮。输 出一个段码就可以控制 LED 显示器的字型。表 3.5 给出了段码与字型的关系， 假定 a，b，c，d，e，f，dp 分别对应 D0，D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7。 (3) LED 数码显示器的接口方法 LED 显示器的接口常分为动态扫描方式和静态显示方式。 表 3.5 段码与字形码的关系 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 13 字形D7 dp D6 g D5 f D4 e D3 d D2 c D1 b D0 a 段码 01100000003H 1111110019FH 21010010045H 3101100000DH 41001100199H 51001001029H 61000001021H 7111110001FH 81000000001H 91001000009H A1000100011H B1000001041H C1100011063H D1010000185H E1000011061H F1000111071H 静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定 截止。这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地(共阴极)或接正 电源(共阳极)。每个数码管的 8 个字段分别与一个 8 位 I/O 口地址相连，I/O 口只要有段码输出，相应字符即显示出来，并保持不变，直到 I/O 口输出新的 段码。采用静态显示方式，较小的电流即可获得较高的亮度，且占用 CPU 时间 少，编程简单，显示便于监测和控制，但其占用的口线多，硬件电路复杂，成 本高，只适合于显示位数较少的场合。动态扫描显示方式：其工作原理是将多 个显示器的段码同名端连在一起，位码分别控制，利用眼睛的余辉暂留效应， 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 14 分别进行显示。只要保证一定的显示频率，看起来的效果和一直显示是一样的， 但在电路上却简化了很多，降低了成本。比如要做四位 LED 显示，静态显示 方式则需要 4 块 74LS164 作为静态显示接口，如用动态扫描显示则只需一块即 可。通常也用 8155 芯片作为动态扫描显示接口的扩展，扩展电路在此就不做 叙述了，本设计采用的是串行口动态扫描方式。动态显示是一位一位地轮流点 亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。通常，各位数码管的 段选线相应并联在一起，由一个 8 位的 I/O 口控制；各位的位选线(公共阴极或 阳极)由另外的 I/O 口线控制。动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使 其稳定显示，必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相 应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码。依此规律循环， 即可使各位数码管显示将要显示的字符。虽然这些字符是在不同的时刻分别显 示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以同 时显示的感觉。 3.4 键盘控制原理介绍 3.4.1 键盘的工作原理 (1) 键盘的分类 按键按结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导 电橡胶式开关等；另一类是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。 前者造价低，后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。 按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要 区别是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的 识别，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。全编码键盘能够由 硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保 护电路。这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应 用系统较少采用。非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵，其它工作均由软件 完成。由于其经济实用，较多地应用于单片机系统中。本设计采用非编码键盘 接口。 (2) 按键输入原理 在单片机应用系统中，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能 外，其它按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。当所设置的功能 键或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能，键信息输入 是与软件结构密切相关的过程。对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与 CPU 相连。CPU 可以采用查询或中断方式了解有无将键输入，并检查是哪一 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 15 个键按下，将该键号送入累加器 ACC，然后通过跳转指令转入执行该键的功 能程序，执行完后再返回主程序。 (3)按键结构与特点 机键盘通常使用机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转 换成为电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的 TTL 逻辑电平，以便 与通用数字系统的逻辑电平相容。机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性 作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。 其抖动过程如图 3.10 抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为 510 ms。在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错，即按键一次 按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按 键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施。这一点可从硬件、软 件两方面予以考虑。在键数较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用 软件去抖。在硬件上可采用在键输出端加 R-S 触发器(双稳态触发器)或单稳态 触发器构成去抖动电路。图 3.11 是一种由 R-S 触发器构成的去抖动电路，当 触发器一旦翻转，触点抖动不会对其产生任何影响。 图 3-9 键触点的机械抖动 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 16 图 3-10 双稳态去抖电路 电路工作过程如下：按键未按下时，a = 0，b = 1，输出 Q = 1。按键按下 时，因按键的机械弹性作用的影响，使按键产生抖动。当开关没有稳定到达 b 端时，因与非门 2 输出为 0 反馈到与非门 1 的输入端，封锁了与非门 1，双稳 态电路的状态不会改变，输出保持为 1，输出 Q 不会产生抖动的波形。当开关 稳定到达 b 端时，因 a = 1，b = 0，使 Q = 0，双稳态电路状态发生翻转。当释 放按键时，在开关未稳定到达 a 端时，因 Q = 0，封锁了与非门 2，双稳态电路 的状态不变，输出 Q 保持不变，消除了后沿的抖动波形。当开关稳定到达 a 端 时，因 a = 0，b = 0，使 Q = 1，双稳态电路状态发生翻转，输出 Q 重新返回原 状态。由此可见，键盘输出经双稳态电路之后，输出已变为规范的矩形方波。 软件上采取的措施是：在检测到有按键按下时，执行一个 10 ms 左右(具体时 间应视所使用的按键进行调整)的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭 合状态电平，若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态。同理，在检 测到该键释放后，也应采用相同的步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。 (4) 按键编码 一组按键或键盘都要通过 I/O 口线查询按键的开关状态。根据键盘结构的 不同，采用不同的编码。无论有无编码，以及采用什么编码，最后都要转换成 为与累加器中数值相对应的键值，以实现按键功能程序的跳转。 (5) 编制键盘程序 一个完善的键盘控制程序应具备以下功能： 检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施，消除键盘按键机械触点抖动 的影响。 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 17 有可靠的逻辑处理办法。每次只处理一个按键，其间对任何按键的操作对 系统不产生影响，且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序。 准确输出按键值(或键号)，以满足跳转指令要求。 3.4.2 独立式键盘 独立式按键是直接用 I/O 口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单 独占用一根 I/O 口线，每个按键的工作不会影响其它 I/O 口线的状态。独立式 按键的典型应用如图 3.11 所示。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但 每个按键必须占用一根 I/O 口线，因此，在按键较多时，I/O 口线浪费较大， 不宜采用。 图 3-11 独立式按键电路 独立式按键的软件常采用查询式结构。先逐位查询每根 I/O 口线的输入状 态，如某一根 I/O 口线输入为低电平，则可确认该 I/O 口线所对应的按键已按 下，然后，再转向该键的功能处理程序。此程序比较简单，在此不做编写，本 设计采用的是矩阵扫描键盘。 3.4.3 矩阵式键盘矩阵式键盘 单片机系统中，若使用按键较多时，通常采用矩阵式(也称行列式)键盘。 本设计采用的就是矩阵式键盘。 (1) 矩阵式键盘的结构及原理 矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上，其结构如 图 3.13 所示。由图可知，一个 44 的行、列结构可以构成一个含有 16 个按 键的键盘，显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省 很多 I/O 口。 矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻 接到5V 上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 18 将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是 否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与 否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行 线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。 (2) 矩阵式键盘按键识别按键的方法很多，扫描法识别按键的过程. 图 3-12 矩阵键盘 按键按下时，与此键相连的行线与列线导通，行线在无键按下时处在高电 平显然，如果让所有的列线也处在高电平，那么，按键按下与否不会引起 行电平的变化，因此，必须使所有列线处在低电平。只有这样，当有键按下时， 该键所在的行电平才会由高电平变为键盘的编码. (3)对于独立式按键键盘，因按键数量少，可根据实际需要灵活编码。对于 矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号惟一确定，因此可分别对行号和列号进 行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高 4 位是行号，低 4 位是列号。如 图 3.12 中的 8 号键，它位于第 2 行，第 0 列，因此，其键盘编码应为 20H。采 用上述编码对于不同行的键离散性较大，不利于散转指令对按键进行处理。因 此，可采用依次排列键号的方式对按排进行编码。以图 3.12 中的 44 键盘为 例，可将键号编码为：01H、02H、03H、0EH、0FH、10H 等 16 个键号。 编码相互转换可通过计算或查表的方法实现。 (4)键盘的工作方式 对键盘的响应取决于键盘的工作方式，键盘的工作方式应根据实际应用系 统中 CPU 的工作状况而定，其选取的原则是既要保证 CPU 能及时响应按键操 作，又不要过多占用 CPU 的工作时间。通常，键盘的工作方式有三种，即编 程扫描、定时扫描和中断扫描。 (5)编程扫描方式 编程扫描方式是利用 CPU 完成其它工作的空余时间，调用键盘扫描子程 序来响应键盘输入的要求。在低电平。CPU 根据行电平的变化，便能判定相应 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 19 的行有键按下。8 号键按下时，第 2 行一定为低电平。然而，第 2 行为低电平 时，能否肯定是 8 号键按下呢？回答是否定的，因为 9、10、11 号键按下，同 样会使第 2 行为低电平。为进一步确定具体键，不能使所有列线在同一时刻都 处在低电平，可在某一时刻只让一条列线处于低电平，其余列线均处于高电平， 另一时刻，让下一列处在低电平，依此循环，这种依次轮流每次选通一列的工 作方式称为键盘扫描。采用键盘扫描后，再来观察 8 号键按下时的工作过程， 当第 0 列处于低电平时，第 2 行处于低电平，而第 1、2、3 列处于低电平时， 第 2 行却处在高电平，由此可判定按下的键应是第 2 行与第 0 列的交叉点，即 8 号 执行键功能程序时，CPU 不再响应键输入要求，直到 CPU 重新扫描键 盘为止。 键盘扫描程序一般应包括以下内容： 判别有无键按下； 键盘扫描取得闭合键的行、列值； 用计算法或查表法得到键值； 判断闭合键是否释放，如没释放则继续等待； 将闭合键键号保存，同时转去执行该闭合键的功能。 (6)定时扫描方式 定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定 时器产生一定时间(例如 10 ms)的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断。 CPU 响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键，再执行该键的 功能程序。定时扫描方式的硬件电路与编程扫描方式相同。 (7)中断扫描方式 种键盘扫描方式时，无论是否按键，CPU 都要定时扫描键盘，而单片机应 用系统工作时，并非经常需要键盘输入，因此，CPU 经常处于空扫描状态。为 提高 CPU 工作效率，可采用中断扫描工作方式。其工作过程如下：当无键按下 时，CPU 处理自己的工作，当有键按下时，产生中断请求，CPU 转去执行键盘 扫描子程序，并识别键。 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 20 图 3-13 中断扫描键盘电路 图 3-13 是一种简易键盘接口电路，该键盘是由 8031 P1 口的高、低字节构 成的 44 键盘。键盘的列线与 P1 口的高 4 位相连，键盘的行线与 P1 口的低 4 位相连，因此，P1.4P1.7 是键输出线，P1.0P1.3 是扫描输入线。图中的 4 输 入与门用于产生按键中断，其输入端与各列线相连，再通过上拉电阻接至+5 V 电源，输出端接至 8031 的外部中断输入端。具体工作如下：当键盘无键按 下时，与门各输入端均为高电平，保持输出端为高电平；当有键按下时，端为 低电平，向 CPU 申请中断，若 CPU 开放外部中断，则会响应中断请求，转去 执行键盘扫描子程序。 3.5 本章小结 本章对硬件电路的设计和电路所用到的芯片进行了介绍。主要是键盘控 制电路与显示电路的原理和功能，并对 LED 显示原理进行了介绍。下面将根据 以上说介绍的原理设计键盘控制及显示硬件电路。 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 21 第第 4 章章 键盘控制及显示硬件电路实现键盘控制及显示硬件电路实现 本章将根据上面所介绍的原理及芯片功能设计键盘控制及显示的硬件实现 电路，键盘控制及显示电路的设计流程是：键盘按键按下，输入该键盘键值， 经 CPU 处理后输出，由 LED 显示器显示所按的键值。 其工作原理：当有键按下时，CPU 将对整个键盘进行扫描，确定按键位置， 读取键值；CPU 再将所读取的键值送到显示部分，最后通过 LED 显示器显示键 值。其总体框图如图，总电路原理图见(附录 2)。 图 4-1 电路总设计框图 4.1 LED 显示电路设计 单片机并行 I/O 口数量总是有限的，有时并行口需作其他更重要的用途， 一般也不会用数量众多的并行 I/O 口专门用来驱动显示电路，因此本设计采用 了 AT89S52 的串行通信口静态显示。 AT89S52 的串行通信口是一个功能强大的通信口，而且是相当好用的通信 口，用于显示驱动电路再合适不过了，下面我们就根据这种需要设计一个用两 个串行通信口线设计一个 8 位 LED 显示电路。下图即是电路原理图，我采用 AT89S52 单片机，同时用廉价易得的 74HC595 作为驱动芯片。74HC595 是一个 8 位串入并出的移位寄存器，其此处的功能是将 AT89S52 串行通信口输出的串 行数据译码并在其并口线上输出，从而驱动 LED 数码管。使用串行口进行 LED 通信，程序编写相当简单，只需将需显示的数据直接送串口发送缓冲器，等待 串行中断即可，程序见附录，电路原理如图 4-2。 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 22 图 4-2 串行显示电路 采用静态显示技术，画面稳定，无杂点，图像效果清晰；视频效果流畅。 LED 显示器是由发光二极管排列组成的一显示器件，它采用低电压扫描驱动， 同时还具有如下优点：耗电省，使用寿命长，成本低，亮度高，视角大，规格 品种多等，因此本设计采用 LED 数码显示器作为显示部分的重要元件。 4.2 独立按键键盘的电路设计 本设计采用的是 8 键独立式键盘，扫描方法采用编程扫描方式，其键盘部 分电路 图如下: 图 4-3 独立按键电路图 本设计采用的是一种行扫描法，行扫描法又称为逐行(或列)扫描查询法， 是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，其扫描过程如下： (1) 判断键盘中有无键按下：将全部行线 Y0-Y3 置低电平，然后检测列线 的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 23 于低电平线与 4 根行线相交叉的 4 个按键之中。若所有列线均为高电平，则键 盘中无键按下。 (2) 判断闭合键所在的位置：在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合 键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时， 其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平 状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的