矩阵键盘显设计报告

摘要摘要 在日常生活中 我们经常要用到键盘来实现对电子装置的控制 小到手表 手机 中到电视电脑 大到各种复杂仪器 都需要通过各种按键来实现各种操 作 本次课程设计以按键控制显示为主题 以 MSP430G2553 单片机及其接口 芯片为核心构造一个键盘控制显示系统 单片机最大的特点是能单独实现电路 控制所要求的智能化控制功能 单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线 路和数字电路构成的控制系统 可以通过软件来实现 数码管 4 4 矩阵键盘按 键号是按下任意键时 数码管都会显示其按键序号 通过 MSP430G2553 单片 机的程序处理 扫描程序首先判断按键发生在哪一列 然后根据所在的行附加 不同的值 从而得到按键的序号 关键词关键词 单片机 MSP430G2553 数码管 键盘显示 Abstract In daily life we often want to use the keyboard to realize the control of electronic devices Small to watch phone to TV in computer big to all kinds of complex instruments all need through all kinds of pressing buttons all kinds of operation This course design buttons to control and display as the theme MSP430G2553 single chip microcomputer and its interface chip as the core structure a keyboard control and display system The biggest characteristics is a single chip microcomputer control realization circuit can alone for the intelligent control function Single chip microcomputer control system can be replaced by complex before electronic circuits and digital circuit consists of the control system by software to realize Digital tube 4 4 matrix keyboard key number is press any key digital tube will show the buttons serial Numbers through the MSP430G2553 microcontroller procedures scanning program first judge where a list of key happen then according to the line where additional different values which get buttons serial number Keywords SCM MSP430G2553 digital tube keyboard display 目录目录 1 系统方案分析 3 1 1 键盘的选用 3 1 2 单片机的选用 3 1 3 显示器的选用 4 1 4 辅助功能的论证与选用 4 2 系统理论分析与计算 5 2 1 单片机主机系统电路分析 5 2 2 复位电路分析 5 2 3 矩阵式键盘电路分析 5 2 4 译码显示电路分析 6 3 电路与程序设计 6 3 1 电路的设计 6 3 2 程序设计 8 4 测试方案与测试结果 9 4 1 测试方案 9 4 2 测试的结果和分析 9 4 3 实验总结 9 5 参考文献 9 附录一 9 附录二 11 附录三 11 1 系统方案分析系统方案分析 本实验是基于 msp430g2553 的矩阵键盘显示 以 msp430g2 开发板为中枢系 统 4 4 矩阵键盘输入 LED 共阴极数码管为显示输出 基本要求 当依顺序 按下键盘的每个按键时 数码管从 0 依次跳至 F 系统方案图见图 1 1 图图 1 1 系统方案图系统方案图 本键盘显示系统主要由以下几个功能模块构成 各模块原理图见附录一 1 键盘输入模块 2 单片机模块 3 辅助功能模块 锁存器 4 译码与显示模块 1 1 键盘的选用键盘的选用 方案一方案一 独立式键盘 每个按键占一条 I O 线 当按键数量较多时 I O 口利用 率不高 但程序编制简单 适用于所选按键较少的场合 方案二方案二 矩阵式键盘 电路连接和软件编程较复杂 但提高了 I O 口利用率 键盘输入模块 单片机模块 辅助功能模块 译码与显示模块 适用于 I O 少但需要使用大量按键的场合 综上所述 由于本系统采用 MSP430G2553 单片机 其 I O 口很少 且需按键较 多 故选用方案二 1 2 单片机的选用单片机的选用 方案一方案一 STC89C52 单片机 市面上使用非常普遍的一种单片机 人们对它非 常的熟悉 价格较便宜 4 组 I O 接口 但对于较复杂的程序指令处理速度相对 430G2553 单片机较慢 方案二方案二 MSP430G2553 单片机 由 TI 公司生产的一款超低功耗单片机 由于 引进了 Flash 型程序存储器和 JTAG 技术 不仅使开发工具变得简便 编写 指令只有 27 条 给用户编程带来很大的方便 而且价格也相对低廉 性价比较 高 非常适用于本系统 综上所述 由于本实验需要较快的键盘扫描速度 而 MSP430G2553 单片机的 扫描速度比 STC89C52 的快 更符合实验要求 故选用方案二 1 3 显示器的选用显示器的选用 方案一方案一 LCD 液晶显示器 主要原理是以电流刺激液晶分子产生点 线 面并 配合背部灯管构成画面 液晶体积小 功耗低 显示操作简单 显示功能强大 但是 它有一个致命的弱点 其使用的温度范围很窄 通常液晶正常工作温度 范围为 0 度 55 度 存储温度范围为 20 度 60 度 即使是宽温级液晶 其正常工作温度是 20 度 70 度 存储温度是 30 度 80 度 考虑到本系 统的温度适用环境 和其显示成本 其性价比较低 方案二方案二 LED 数码管发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码 管 其内部结构简单 使用环境温度范围较宽 编程显示较容易实现 适用于 简单的数字和字符显示的要求 由于本系统对显示要求不高 因此采用 LED 数 码管显示 综上所述 由于 LED 数码管容易操作又容易控制 更符合本实验的要求 比起 LED 液晶显示器有更高的性价比 故选方案二 1 4 辅助功能的论证与选用辅助功能的论证与选用 1 4 1 锁存器功能的论证与选用锁存器功能的论证与选用 在 LED 和数码管显示方面 要维持一个数据的显示 往往要持续的快速 的刷新 锁存器的使用可以大大的缓解处理器在这方面的压力 当处理器把数 据传输到锁存器并将其锁存后 锁存器的输出引脚便会一直保持数据状态直到 下一次锁存新的数据为止 这样在数码管的显示内容不变之前 处理器的处理 时间和 I O 引脚便可以释放 可以看出 处理器处理的时间仅限于显示内容发 生变化的时候 这在整个显示时间上只是非常少的一个部分 而处理器在处理 完后可以有更多的时间来执行其他的任务 这就是锁存器在 LED 和数码管显示 方面的作用 节省了宝贵的 MCU 时间 本实验选用 74HC573 1 4 2 译码器译码器 7448 功能的论证与选用功能的论证与选用 7 段显示译码器 7448 是输出高电平有效的译码器 除了实现 7 段译码器基 本功能的输入和输出外 还引用了灯测试端和动态零输入端 以及既有输入功 能和输出功能消隐输入 动态灭零输出端 若引用 7448 译码器芯片 则 MSP430G2 单片机的 P2 端口只需输出四位 由译码器对输入的四位进行二进制 译码 可以使数码管显示相应的数字 从而使编程将会更加简单 电路也更加 简洁 但出于芯片的短缺 未能选用 2 系统理论分析与计算系统理论分析与计算 本次试验是以 MSP430G2 单片机的 P1 端口的高四位为输入 低四位为输出 接矩阵 4 4 键盘 然后 P2 端口的八位输出接 74HC573 芯片的八位输入 其中 74HC573 芯片具有延时作用 其输出接 LED 数码管的输入 其原理图见附录一 2 1 单片机主机系统电路分析单片机主机系统电路分析 MSP430G2553 单片机是 430 单片机一个成员 其主要特点是超低功耗 有 五种省电模式 6us 内从待机模式唤醒 而且 16 位 RISC 结构的 CPU 通过总线 连接到存储器和外围模块 可提供三种时钟信号 ACLK MCLK SMCLK 它拥有 64KB 寻址空间 包括 ROM RAM Flash 有多个 I O 口和 7 种寻址模式 具有 多达 16 个中断源 如定时器 串行口 P1 P2 WDT 等 多级优先级 可以 实现中断嵌套 MSP430G2553 内部自带可编程 Flash 存储器的低电压 高性能 COMS 十六位微处理器 与 MSP430G2553 单片机的指令和输出管脚相兼容 由于 将多功能十六位 CPU 和闪速存储器结合在单个芯片中 因此这种单片机系统具 有结构简单 价格低廉 效率高的微控制系统 省去了外面的 ROM RAM 和接口 器件 减少了硬件的开销 节省了成本 提高了系统的性价比 2 2 复位电路分析复位电路分析 为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器 必须利用复位电路 复位 后可以使 CPU 及系统的各部件处于初始状态 并从初始状态开始工作 单片机的复位是靠外电路来实现的 在正常运行情况下 只要 RST 引脚上 出现两个机器周期以上的低电平 即可以起系统复位 但 RST 引脚上出现持续 低电平 单片机就处于循环复位状态 复位后系统将输入 输出 I O 端口寄 存器置为 FFH 堆栈指针 SP 置为 07H SBUF 内置为不定值 其余的寄存器全部 清零 内部的 RAM 的状态不受置位的影响 在系统上位时 RAM 的内容是不定的 复位操作有两种情况 即上电复位和手动 开关 复位 本系统采用上电复位 形式 其原理图见附录一 2 3 矩阵式键盘电路分析矩阵式键盘电路分析 MSP430G2553 单片机的并行接口 P1 接 4 4 矩阵键盘 以 P1 4 1 7 作输入 线 以 P1 0 1 3 作输出线 P2 口输出按键信息 在数码管上显示每个按键的 0 F 序号 矩阵键盘实际电路连接见附录 当无按键闭合时 P1 0 1 3 与 P1 4 1 7 之间开路 当有按键闭合时 相连的两条 I O 口线之间短路 判断有无按键按下的方法是 1 置列线 P1 4 1 7 为输入状态 从行线 P1 0 1 3 输出低电平 读入列线 数据 若某一列线为低电平 则该列线上有键闭合 2 行线轮流输出低电平 从列线 P1 4 1 7 读入数据 肉有某一列为低电平 则对应行列线上有按键按下 综合 1 2 两步的结果 可确定按键编号 2 4 译码显示电路分析 本系统输出结果选用 4 个 LED 显示 本系统采用 8 段共阴极型 LED 其原理图 见图 1 2 图图 1 21 2 译码显示电路原理图译码显示电路原理图 数码馆内部有 8 个发光二极管 公共端由 8 个发光二级管的阴极并接而成 正常先试试公共端接低电平 各发光二级管是否点亮取决于 a dp 各引脚上是 否高电平 由于本显示电路功能简单 为是编程简单 采用直接输出模式 即 把锁存器的 B0 B7 接口用 8 芯排连线到数码管显示模块区域中的 a dp 端口上 要求 a 对应 B0 b 对应 B1 dp 对应 B7 3 电路与程序设计电路与程序设计 4 3 1 电路的设计电路的设计 经上述的分析 决定该系统采用的最终方案如下 1 输入模块 4 4 矩阵键盘 2 单片机模块 MSP430G2 开发板 3 辅助功能模块 74HC573 锁存器 4 译码与显示模块 4 个 LED 数码 3 1 1 系统总体框图系统总体框图 本次试验是以 MSP430G2 单片机的 P1 端口的高四位为输入 低四位为输出 接矩阵 4 4 键盘 然后 P2 端口的八位输出接 74HC573 芯片的八位输入 其中 74HC573 芯片具有延时作用 其输出接 LED 数码管的输入 其原理图见图 1 3 图图 1 31 3 系统总体框图系统总体框图 3 1 2 系统电路图系统电路图 见图 1 4 图图 1 4 系统电路图系统电路图 3 2 程序设计程序设计 系统采用 C 语言编程实现各项功能 C 语言本身带有各种库函数 运算能 力较强 而本系统的软件中算数运算比较多 利用 C 语言编程可以体现出一定 优势 程序是在 Window7 环境下采用 IAR 软件编写的 可实现对键盘的精确控制 矩阵式键盘电路 MSP430G2 开发板 锁存器 74HC573 LED 数码管 程序流程图 程序流程图 见图 1 5 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 图图 1 5 程序流程图程序流程图 4 测试方案与测试结果测试方案与测试结果 4 1 测试方案测试方案 1 硬件测试 分别对每个模块做相应的测试 2 软件仿真测试 使用 Altium Designer 软件进行仿真 3 硬件软件联调 对 4 4 矩阵键盘的测试是在一个自制的符合设计任务要求的 场地中测试的 逐步按要求进行测试 4 2 测试的过程和分析测试的过程和分析 运行单片机控制数码管显示系统 循序按下 16 个复位开关可以在数码管 上显示 0 F 字符 为了检测本系统的灵活性 乱序按下复位开关 例如 按下 1 号键显示 1 按下 6 号键显示 6 按下 16 号键显示 F 同样可以对应按键位置 在数码管上显示相应的字符 在测试过程中出现过按键不灵的情况 分析程序 查出是键盘扫描程序中的延时不够 加长延时后 键盘灵活性提升 系统性能 达到要求 4 3 实验总结实验总结 此次 4 4 矩阵键盘和数码管显示系统是以 msp430g2553 单片机为控制器 核心 采用 16 个按钮开关矩阵式 4 4 排列和连接 来作为系统输入扫描电 路来控制 并通过共阴极数码管实现键盘输入键位的显示 首先 采用 msp430g2553 单片机向其 P1 口的低四位 P1 0 P1 3 输出二 进制数 1110 然后检测 P1 口的高四位 P1 4 P1 7 哪一位有低电位 来实现 键值 1 4 的检测扫描 按照此方法我们可以实现其他键值的检测与扫描 此 处突出了矩阵式键盘的接口少按键多的优点 但编程相对复杂 其次 通过 msp430g2553 单片机判断的键值经过处理得到相应的数码管字 符显示段码 向数码管输出键码 显示出相应字符 数码管的易操作和显示的 高亮度性提升了本系统的稳定性 最后 通过软件的理论性检测和实际检测 本实验最终获得成功 在调试 和改进的过程中 不断完善本系统的稳定性 使得实验更符合要求 以上三方面的优点是该设计方案得以取得良好的实验结果的有力保障 同 时 该设计方案也存在不足和有待完善之处 如矩阵式键盘的检测和扫描虽减 少了 I O 接口 但在程序修改上比较麻烦和不便 5 参考文献参考文献 1 郭天祥 430 单片机 C 语言教程 北京 电子工业出版社 2011 年 2 李智奇 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计 第二版 西安电子科技大学出版社 北京 2009 年 附录一附录一 各模块的子原理图如下 图图 1 4 4 矩阵键盘原理图矩阵键盘原理图 图图 2 单片机接口原理图单片机接口原理图 图图 3 锁存器功能模块锁存器功能模块 图图 4 数码管显示原理图数码管显示原理图 附录二附录二 include 引用头文件引用头文件 define uchar unsigned char define uint unsigned int uchar key uchar keybuf const uchar seg 0 x3F 0X06 0X5B 0X4F 0X66 0X6D 0X7D 0X07 0X7F 0X6F 0X77 0X7C 0X39 0X5E 0X79 0X71 void Init Port void 将将 P1 口所有的管脚在初始化的时候设置为输入方式口所有的管脚在初始化的时候设置为输入方式 P1DIR 0 将将 P1 口所有的管脚设置为一般口所有的管脚设置为一般 I O 口口 P1SEL 0 P2DIR 0XFF P2SEL BIT6 P2SEL BIT7 P1DIR BIT0 P1DIR BIT1 P1DIR BIT2 P1DIR BIT3 先输出低电平先输出低电平 P1OUT 0 x00 P2OUT 0 x00 EINT 判断有无键按下判断有无键按下 uchar P1key uchar key key P1IN return key 延时程序 延时程序 void delay uint n uint i for n 0 n for i 800 i 0 i 扫描识别键码扫描识别键码 uchar keycode uchar key1 0 x00 key2 0 x00 P1DIR 0 x0f P1OUT 0 xf0 delay 10 key1 P1IN if key1 延时延时 key1 P1IN if key1 delay 10 key1 P1IN if key1 延时延时 key2 12 if key1 延时延时 key2 8 if key1 延时延时 key2 4 if key1 延时延时 key2 0 P1OUT 0 x0d delay 10 key1 P1IN if key1 延时延时 key2 13 if key1 延时延时 key2 9 if key1 延时延时 key2 5 if key1 延时延时 key2 1 P1OUT 0 x0b delay 10 key1 P1IN if key1 延时延时 key2 14 if key1 延时延时 key2 10 if key1 延时延时 key2 6 if key1 延时延时 key2 2 P1OUT 0 x07 delay 10 key1 P1IN if key1 延时延时 key2 15 if key1 延时延时 key2 11 if ke