4x4矩阵键盘与LED灯输出设计

1、交通与汽车工程学院课程设计说明书课 程 名 称: 微机原理及应用课程设计 课 程 代 码: 8 2 3 4 5 7 0 题 目: 4x4矩阵键盘与LED灯输出设计 年级/专业/班: 学 生 姓 名: 学 号: 开 始 时 间: 2012 年 07 月 02 日完 成 时 间: 2012 年 07 月 06 日课程设计成绩：学习态度及平时成绩（30）技术水平与实际能力（20）创新（5）说明书（计算书、图纸、分析报告）撰写质量（45）总 分（100）指导教师签名： 年 月 日目录摘 要 21.1 问题的提出 3 1.2任务与分析 4 2 系统方案设计 42.2 系统总体框图 5 3 系统硬件电路设

2、计53.1 89C52单片机5 3.2 时钟电路8 3.3 复位电路8 3.4 矩阵式键盘电路 9 3.5 译码显示电路 11 4 系统软件设计 13 4.1 proteus软件环境介绍 13 4.2 Protel软件环境介绍14 ·4.3 系统软件分析 14 4.4 程序流程图 15 5 系统调试过程 18 结 论 21 致 谢 22 参考文献23附录124 附录2 27摘 要矩阵式键盘乃是当今使用最为广泛的键盘模式，该系统以N个端口连接控制N*N个按键，即时在LED数码管上。单片机控制的据这是键盘显示系统，该系统可以对不同的按键进行实时显示，其核心是单片机和键盘矩阵电路部分，主要

3、对按键与显示电路的关系、矩阵式技术及设备系统的硬件、软件等各个部分进行实现。矩阵式键盘模式以N个端口连接控制N*N个按键，实时在LED数码管上显示按键信息。显示按键信息，既降低了成本，又提高了精确度，省下了很多的I/O端口为他用，相反，独立式按键虽编程简单，但占用I/O口资源较多，不适合在按键较多的场合应用。并且在实际应用中经常要用到输入数字、字母、符号等操作功能，如电子密码锁、电话机键盘、计算器按键等，至少都需要12到16个按键，在这种情况下如果用独立式按键的话，显然太浪费I/O端口资源，为了解决这一问题，我们使用矩阵式键盘。4*4矩阵式键盘采用89C52单片机为核心，主要由矩阵式键盘电路、

4、译码电路、显示电路等组成，软件选用汇编语言编程。单片机将检测到的按键信号转换成数字量，显示于LED灯上。该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有更广阔的开发前景。关键词： 89C52单片机 4*4矩阵 LED灯1 引 言 1.1 问题的提出 矩阵式键盘模式以N个端口连接控制N*N个按键，实时在LED数码管上显示按键信息。显示按键信息，既降低了成本，又提高了精确度，省下了很多的I/O端口为他用，相反，独立式按键虽编程简单，但占用I/O口资源较多，不适合在按键较多的场合应用。并且在实际应用中经常要用到输入数字、字母、符号等操作功能，如电子密码锁、电话机键盘、计算器按键等，至少都需要12到16个按

5、键，在这种情况下如果用独立式按键的话，显然太浪费I/O端口资源，为了解决这一问题，我们使用矩阵式键盘。矩阵式键盘简介：矩阵式键盘又称行列键盘，它是用N条I/O线作为行线，N条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。这样键盘上按键的个数就为N*N个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。最常见的键盘布局如图所示。一般由16个按键组成，在单片机中正好可以用一个P口实现16个按键功能，这也是在单片机系统中最常用的形式，本设计就采用这个键盘模式。32107654BA98FEDC图1-1 矩阵式键盘的按钮1.2任务与分析 本次设计的系统的控制中心是89C

6、52单片机。首先，在Protel软件环境中进行硬件电路图的设计。然后在8052软件环境中进行系统的软件编程，并进行程序源文件的编译和调试，最后生成.hex文件。此.hex文件是硬件电路运行实现的源代码来源。把.hex文件加载到AT89C52单片机芯片，然后在Proteus软件环境中运行硬件电路，LED灯就可以正常显示了。 本设计的系统主要由:AT89C52为中央处理芯片，用于数据处理，初值设定。矩阵键盘电路是本设计的核心模块，由他提供输入信息并由LED灯显示，用C语言进行编程。本系统可以分为以下4大模块：1、AT89C52模块：用于数据处理，和矩阵电路通信，并控制信息传输过程，采集输入信息并予

7、以处理。2、矩阵电路 模块：实时输入可以通过软件编程来实现，这种方法需要编制的程序比较简单。3、LED显示模块：显示模块采用普通的LED数码管，此模块用于实时的显示输入信息。4、程序：包括单片机控制电路的接口程序（实现单片机和矩阵电路及LED灯之间的数据传输过程）和显示程序。2 系统方案设计2.1 系统设计方案通过查阅相关资料，设计初期共有2个方案供我选择，分别是：（1）采用89C2051单片机组成的系统；（2）采用89C52单片机组成的系统。（1）采用89C2051单片机组成的系统此系统的硬件部分主要是由89C2051单片机所组成。该系统硬件结构简单，但是单片机的I/O接口太少，不足以实现多

8、种功能，软件设计部分，程序冗长而复杂，易产生混淆。（2）采用89C52单片机组成的系统 这个方案采用89C52单片机，LED显示器，4*4键盘来组成系统的硬件。8052是8051的强化版，接口多于8051，功能稳定，实用性强。所以，本次设计选用AT89C52单片机组成的系统。2.2 系统总体框图图2-1 系统总体框图 当程序启动后，程序进入初始化阶段。单片机将从程序中键盘按钮初始化，得到对应的值。再反馈给LED灯，输入值是多少，就亮多少个灯。3 系统硬件电路设计3.1 89C52单片机  AT89C52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Program

9、mable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C52是它的一种强化版本。AT89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图3-1 89C52单片机引脚图 89C52单片机与早期

10、Intel的8051/8751/8031芯片的外部引脚和指令系统完全兼容，只不过用Flash ROM 替代了ROM/EPROM而已3。89C52单片机内部结构如图所示。图3-2 89C52单片机内部结构示意图各引脚的功能如下：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高3。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻

11、的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址

12、数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振

13、荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR 8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA：当/EA保持低电平时，则在此期间CPU只访问外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式

14、1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，则执行内部程序存储器中的程序。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 89C52的主机系统图如下所示：3.2 时钟电路图3-3中外接晶体以及两个电容构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值为30pF左右，晶振频率选11.0592MHz3.3 复位电路 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，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工

15、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时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RST引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位后系统将输入/输出(1/0)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0，内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时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方式。图3-3 单片机主机系统图3.4 矩阵式键盘电路AT89C52单片机的并行口P1接4×4矩阵键盘，以P1.0P1.3作输入线，以P1.4P1.7

16、作输出线；P1口输出按键信息，在LED灯上显示相应的亮灭数目。实际电路图连接如图3-4所示。图3-4 矩阵式键盘电路由于键盘按钮的不稳定性，所以设计时特别添加了防抖动程序，系统可以一延时程序判定按键是否因为抖动而按下，从而判定是否为有效输入信号其流程图如下所示：图 3-5 矩阵键盘流程图3.5 译码显示电路译码电路中常用的显示器有LED（数码管）和LCD（液晶显示器）。这两种显示器都具有线路简单、耗电少、成本低、寿命长等优点。本系统输出结果选用16个LED灯（发光二极管）显示。正常显示时公共端接低电平(GND)，各发光二极管是否点亮取决于各引脚上是否是高电平。其电路图如图3-6所示。图3-6

17、译码显示电路当按键0闭合时，亮1个二极管；当按键1闭合时，亮2个二极管；当按键2闭合时，亮3个二极管；当按键3闭合时，亮4个二极管；当按键4闭合时，亮5个二极管；当按键5闭合时，亮6个二极管；当按键6闭合时，亮7个二极管；当按键7闭合时，亮8个二极管；当按键8闭合时，亮9个二极管；当按键9闭合时，亮10个二极管；当按键A闭合时，亮11个二极管；当按键B闭合时，亮12个二极管；当按键C闭合时，亮13个二极管；当按键D闭合时，亮14个二极管；当按键E闭合时，亮15个二极管；当按键F闭合时，二极管全亮。译码显示电路的流程图如下图（图3-7）所示：图3-7 译码显示电路流程图4 系统软件设计4.1 p

18、roteus软件环境介绍本系统的硬件设计首先是在Proteus软件环境中仿真实现的。Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，它的电路仿真是互动的。针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试。如果有显示及输出，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，还能看到运行后输入输出的效果。Proteus建立了完备的电子设计开发环境，尤其重要的是Proteus

19、Lite可以完全免费，也可以花微不足道的费用注册达到更好的效果2。Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具。可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU及其外围电路（如LCD，RAM，ROM，键盘，马达，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件.）。其实Proteus 与 multisim比较类似，只不过它可以仿真MCU，当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型，用开发板和仿真器当然是最好选择，可是初学者拥有它们的可能性比较小。当然，硬件实践还是必不可少的。在没有硬件的情况下，Proteus能像pspice 仿真模拟/数字电路那样仿真MCU及外围

20、电路。另外，即使有硬件，在程序编写早期用软件仿真一下也是很有必要的。Proteus软件主要具有以下几个方面的特点：1、设计和仿真软件Proteus 是一个很有用的工具，它可以帮助学生和专业人士提高他们的模拟和数字电路的设计能力。2、它允许对电路设计采用图形环境，在这种环境中，可以使用一个特定符号来代替元器件，并完成不会对真实电路造成任何损害的电路仿真操作。3、它可以仿真仪表以及可描述在仿真过程中所获得的信号的图表。4、它可以仿真目前流行的单片机，如PICS, ATMEL-AVR, MOTOROLA, 8051 等。5、在设计综合性方案中,还可以利用ARES开发印制电路板。·4.2 P

21、rotel软件环境介绍Protel印制板设计软件包是澳大利亚protel technology公司与1990年推出的电子CAD产品，具有方便、易学、实用、快速以及高速度、高步通率的特点。它采用了分层次下拉窗口菜单结构形式，用户基本上不需要记背太多的键盘命令，用鼠标点击菜单命令就能操作，protel有着很高的自动布线布通率。布通率是电子产CAD产品的一项重要指标，它反映电子元件在电路图中连接关系有多少能在印刷版图中实现。在设计常用的单、双面印制板时只要选择适当的元件布局和布线策略方法，protel就可以轻易的达到98%-100%的布通率。对于极少数不能布通的定方，protel可以用飞线指示出来，

22、引导用户用手工方法连通。另外，protel有强大的宏命令设置功能，利用宏命令功能多定义的热键可以大大提高操作速度1。 Protel对微机的软硬件配置要求很低：cpu在8088以上，dos2.0以上版本，内存640kb以上，双软件（或一个软件一个硬盘），单色显示器（多层板设计时最好用彩色），各种兼容打印机。也能在Windows9X平台的模拟DOS下运行。Protel已成为印制板设计加工方面的工业标准。据初步统计protel在CAD的市场占有率达 95%，成为电子产品制造业界的首选CAD软件。·4.3 系统软件分析 任何一个应用系统，它们都有着自己的硬件系统和软件系统，少了任何一个部分都

23、不可能称之为一个完整的应用系统，它们之间是相互依存的一个整体，硬件系统是软件系统的一个基础和前提，为软件系统提供了一个操作平台；而软件系统是硬件系统的灵魂，它对硬件系统起到扩充和完善的作用。可想而知软件系统与硬件系统同等重要，下面为系统软件设计过程：（1）程序设计过程因为使用了矩阵电路，在写程序是必须对单片机的P/I口进行初始化，以确定各键盘按钮所代表的信号。开始4.4 程序流程图键盘值初始化读列线是否有键按下 N Y延时去抖动读列线是否有键按下 N Y根据当前状态识别按键LED灯亮停止仿真图4-1 主程序流程图主程序流程图说明：因为使用了矩阵电路，只需要用单片机对每个按钮的值进行初始化。在首

24、次对按钮进行操作之前，必须对它进行初始化，然后进行按键的判断，如果按下键，则转去处理程序，若没按下键，则保持当前的状态。将正常显示的LED灯数目与按下的键做对比，看是否正确。5 系统调试过程通过上面的硬件设计和软件设计过程，设计的工作已经基本完成，接下来的工作就是对所设计好的应用系统进行调试。通过调试可以检查出系统出现的一些错误，从而进行下一步的修改。（1）在Protel 99 SE中，对硬件电路图进行ERC电气规则检查。 图 5-1 protel原理图图5-2 ERC电气规则检查结果（2）程序调试程序经过调试显示“0错误，0警告”。表示程序调试通过。图5-3 程序调试通过示意图（3）prot

25、ues调试在进行protues调试前，应先用Keil uVision4创建一个后缀名为“.hex”的文件，创建的流程图如下所图示：开始打开Keil uVision4写入源代码生成名为lyz.c的文件创建一个group，选择AT89C52,并把lyz.c加入进去编译并生成“.hex”文件结束 图5-4 hex文件生成流程图图5-5 protues仿真图结 论通过此次的单片机课程设计，我不仅加深了对单片机理论的理解，深刻懂得了要不断地时间才能掌握知识，而且还学会了如何去加强锻炼创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新，是要我们将理论很好地联系实际，并不断地去开动自己的脑子，从为先到并做到别人没

26、想到没做到的事，不断地超越别人，超越自己；同时，更重要的是，在这一设计过程中，我懂得了坚持不懈，不轻易言弃是每个理工科学子应具备的良好素质。设计过程，也好比是我们的成长的历程，常有一些不如意的事情发生，这就对我们提出了挑战。只要自己坚持，坚持，再坚持，再苦再累也值得。 机遇青睐有准备的人。这个设计过程中，我遇到过许多的考验，给整个设计带来的困扰，但最后还是坚持了下来.回头想想这个设计的过程，我明白了，原来结果并不是那么得重要，我们更应该注重的是过程。系统以单片机AT89C52为核心部件，单片机系统完成对按键信号识别、检测、处理、显示等功能，用Proteus软件绘制电路原理图，利用C语言编制程序

27、。这个系统设计能让我们更好地去认识和使用单片机，矩阵式键盘，节约I/O口资源，引脚分配，实时显示，芯片应用，编程实践，还有诸如此类的优点.本次设计只涉及了一部分的功能，可以将之使用在电话座机中。在进一步的研究中还可以考虑加入声音的播放等功能，相信会使之更加完善。致 谢在陈飞老师的指导下，在孙为民、杨冬、刘镇伟等同学的帮助下，我完成了本次设计。本设计从选题到完成，每一步都是在他们的指导和帮助下完成的，倾注了老师和同学们大量的心血及努力。另外，本设计的完成也离不开其他老师和各位同学给我的建议和帮助，是他们让我明白了团队合作的精神。在此，我谨向陈飞老师和帮助过我的老师和同学们，表示崇高的敬意和衷心的

28、感谢！参考文献1Protel99SE EDA 技术及应用徐峥颖编著，北京：机械工业出版社，20052单片机系统的protues设计与仿真张靖武编著，北京：电子工业出版社，20073单片机原理及接口技术李朝青编著，北京：北京航空航天大学出版社，20054MCS-51单片机应用开发实用子程序边春远编著，北京：人民邮电出版社，2005附录1源程序：#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define SCANPORT P1uchar uca_LineScan4=0xEF,0xDF,0xBF,0x7F;uchar ucKeyScan()uchar Temp=0; uchar ucRow=0,ucLine=0; for(ucLine=0;ucLine<4;ucLine+)SCANPORT=uca_LineScanucLine; Temp=SCANP