《单片机原理及应用》第八章：51单片机的人机交互接口知识点思维导图+思政线

第八章：51单片机的人机交互接口知识点思维导图+思政线

共阴

特点

有

特点

控制方式

特点

动态控制相对于静态控制〒食单

片机的引腿资源，但需相对复杂

的软件控制：硬件简单，软件必

定复杂:哲学思维，努力学习，

捏汁素质，加M卜界都锚不

足.

输出：数码管

人

接人与机器的对话通

接

口

《单片机原理及应用》课程教案

第八章：51单片机的人机交互接口

时间：时间：

项目目的：

1、了解数码管原理与应用：

2、掌握1602液晶模块原理与应用；

3、掌握行列扫描键盘原理与应用；

4、掌握蜂鸣器基础与应用。

思政目标：通过数字输入模块及简易频率计项目的设计，培训学生探索创造、克服困

难、耐心细致的科学精神。

重点难点：

1、人机接口原理；

2、人机接口应用。

实训设备：

天煌单片机实验台，KEILC软件，PR0TUES软件

项目内容与步骤（教学时数：16学时）

8.1数码管基础和应用备注:

8.1.1多位数码管介绍

在51单片机的应用系统中常常需要显示多位的数字或者简单字母等较为复课程思政元素：

杂的信息，此时可以使用多位数码管。可以使用多个独立的8段数码管拼接成1）创新精神

多位数码管，其好处是位数不限，布局灵活；也可以直接使用集成好的多位数2）工匠精神

码管，优点是引线简单（只有一套八段驱动引脚），价格相对来说便宜。3）职业素养

多位数码管可以是一个集成的器件，也可以是将多个单位数码管组织在一

起构成的电路系统，它也是51单片机应用系统中最常见的显示模块之一。融入时机：

1）按键控制

的多种实现方

式：创新精神的

培养：

2）顼率测量

仪的设计要有一

定的设计精度：

进益求精的工匠

精神：

3）实训过程

引导学生相互合

在51单片机应用系统中，使用51单片机的I/O引脚直接驱动多位数码管

作、爱护仪器设

虽然在软件设计上较为简单，但是在硬件电路设计上较为烦琐，并且会占用较

备，保持实训室

多的I/O引脚资源；同时在显示内容较多和较为复杂的时候（多位数码管扫描

干净卫生，同时

显示的时候）还会占用大审的软件执行时间，加重51单片机的负担。所以在应

严格操作过程，

用系统复杂度比较高的时候，可以使用数码管驱动芯片MAX7219o

保障安全用电流

±普通I/O引卸多位程，将公共道德、

±模拟数据和时付的效美中口

职业素养的培训

4-一

±.

J也有机地融入埋

J

=r实一体教学中。

融入方式和手

段：

实训设计与操

作：

通过实训项

目的设计、仿真

8.21602液晶模块基础和应用

及调试过程实

8.2.11602液晶模块基础

现：分析各组设

数字字符液晶1602是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶

计的频速测量仪

模块，其由若干个5x7或者5x11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显

的精度并进行改

示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间

进。

距和行间距的作用，正因为如此它不能很好地显示图形。

1602液晶模块的实物外形图和1602的电路符号如下图所示：

本章学习的哲学

思维：

硬件结构的

学习要抓主要矛

盾；电路设计要

注意软、硬件的

辩证关系。

51单片机可以通过向1602发送相应的指令以完成对1602液晶的控制，这

些指令包括清屏命令、复位命令等。

8.2.21602液晶模块的电路

1602液晶与51单片机的典型应用电路如下图所示，51单片机使用并行端

IIP1连接到1602的8位并行数据端口,然后使用P2.5~P2.7的3根I/O引脚

来控制1602的读写和使能。

敢如I总线

-

H

三

玉

门

一

=±

=±

r”1

n入

—月光B节

z±t

dt

通过调节上图中滑动变阻器R4的阻值可以调节1602显示屏的对比度，而

滑动变阻器R5则用「调节1602液晶模块的背光亮度。

8.2.31602液晶模块的操作步骤和驱动函数

51单片机扩展1602液晶的详细操作步骤如下。

(1)进入初始化状态。

(2)51单片机向1602写入命令字0x38o

(3)延时4ms以上。

(4)再次向1602写入命令字0x38。

(5)延时IOORS以上。

(6)再次向1602写入命令字0x38设置液晶输入方式

(7)写入命令字OxOC用干设置液晶的显示方式。

(8)写入命令字0x01用于清除液晶的当前显示。

(9)初始化结束，将待显示的数据写入1602。

8.3拨码开关基础和应用

8.3.1拨码开关基础

拨码开关作为需要手动操作的•种微型开关，在通信、安防等诸多设备产

品上被广泛应用“大部分拨码开关采用直插式(DIP)封装，输入状态在0/1两

态之间变换，再根据不同的位组成2的N次方的不同状态，以实现不同的功能,

图8.13所示是不同种类的DIP封装的拨码开关实物示意图和拨码开关的电路符

号图。

30

•S

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/靖8•

果此时串拨码开关的应用原理和按犍完全相同，只是拔码开关不会自动释放,

只能使用人工修改其状态，所以也不会有抖动出现。

8.3.2拨码开关的电路

拨码开关的典型应用电路和独立按键类似，如下图所示，拨码开关的一段

连接到GND,另外一端通过上拉电阻连接到51单片机的I/O引脚上，当拨码开

关闭合时，对应的51单片机引脚电压为低，否则为高。

8.3.3拨码开关的操作步骤

拨码开关的的详细操作步骤如下。

（1）向51单片机连接到独立按键的对应端口输出高电平。

（2）读取对应端口的电平状态即为当前拨码开关的状态。

8.3.4拨码开关的应用实例

本实例是一个使用数码管显示拨码开关闭合数量的应用，实例的应用电路

如下图所示，51单片机使用F0端口驱动了一个8位拨码开关，拨码开关的一端

通过•个电阻排连接VCC,同时连接到P0端口；另外一端则直接连接到地，当

拨码开关位于“ON”状态时，开关断开，P0端口上为高电平，反之为低电平。同

时51单片机使用P1端口驱动了一个共阳极数码管用于显示当前拨码开关闭合

的数量。

8.4行列扫描键盘基础和应用

8.4.1行列扫描键盘基础

行列扫描键盘可以将多个独立按键（通常会大于等于8个）按照行、列的

结构组合起来构成一个整体链盘，从而可以减少对51单片机的I/O引脚的使用

数目，一个最为典型的4x4行列扫描键盘（共16个按键）的内部结构如下左图

所示。行列扫描键盘也可以使用中断辅助判断是否有键被按下，如下右图所示。

_____vccq________vcc?

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行列扫描键盘的电路符号如下图所示，它由多个独立按键组合而成。

8.4.2行列扫描键盘的电路

行列扫描键盘的典型应用电路如卜图所示，这是一个4x4的共计16个按键

的行列扫描键盘，4根行线和4根列线分别连接到51单片机的P2端口的高4

位和低4位，16个独立按键跨接在行线和列线上。

猊

*”

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^

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B

anv

a

us*zr

8.4.3行列扫描键盘的操作步骤和驱动函数

51单片机扩展行列扫描键盘的详细操作步骤如下。

（1）将所有的行线都置为高电平。

（2）依次将所有的列线都置为低电平，然后读取行线状态。

（3）如果对应的行列线上有按键被按下，则读入的行线为低电平。

（4）根据行列键盘的的输出将按键编码并且输出。

8.5蜂鸣器基础和应用

8.5.1蜂鸣器的基础

按照工作原理，蜂鸣器可以分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器，前者又被

称为有源蜂鸣器，后者被称为无源蜂鸣器。有源蜂鸣器和无源蜂鸣器中的“源”

不是指的电源，而是振荡源，其最大区别是前者只需要在蜂鸣器两端加上固定

的电压差则可激励蜂鸣器发声，而后者必须加上相应频率振荡信号方可；前者

操作简单，但是发声频率固定，后者操作复杂，但是可控怛强，可以发出不同

频率的声音.

压电式蜂鸣器（有源蜂鸣器）主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配

器及共鸣箱、外壳等组成，多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源

后，多谐振荡器起振，输出1.5~2.5kHz的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣

片发声。压电蜂鸣片由错钛酸铅或银镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两

面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈银片粘在一起。

电磁式蜂鸣器（无源蜂鸣器）由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外

壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线

圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

下左图所示是蜂鸣器的实物示意。蜂鸣器的电路符号如下右图所示。

MUMl4---

8.5.2蜂鸣器的电路

蜂鸣器在发声的时候需要较大的驱动电流，所以51单片机在对其进行扩展

时必须有一定的驱动电流，火时可以使用外围的功率驱动元件来提供电流，最

常见的功率驱动元件是三极管，下图所示是51单片机使用三极管驱动蜂鸣器的

典型应用电路。

8.5.3蜂鸣器的操作步骤和驱动函数

蜂鸣器可以分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种，有源蜂鸣器的操作步骤如

下。

（1）在需要蜂鸣器发声时51单片机的控

制端输出"1''或者"0”，蜂鸣器导通发声。

（2）在不需要蜂鸣器发声时51单片机的

控制端输出“1”或者“0”，蜂鸣器关闭不发声。

无源蜂鸣器的操作步既如下“

（1）根据需要发声的频率计算出驱动频

率。

（2）设置51单片机的定时计数器的相关参数。

（3）在需要蜂鸣器发声时启动51单片机定时计数器控制控制端输出“1”

或者“0”，蜂鸣器导通发声。

（4）在不需耍蜂鸣器发声时关闭51单片机的定时计数器，蜂鸣器被关闭

不发声。

例8.6是51单片机对无源蜂鸣器的驱动函数示意，51单片机使用一个软件

延时函数来控制蜂鸣器驱动引脚输出不同长度和频率的波形来驱动无源蜂鸣器

发声。修改Play（unsignedchart,n）函数中的参数Z可以修改波形的频率从而

使得蜂鸣器发出不同的声音，而修改参数〃可以改变这个声音的持续长度。

8.6应用案例8.1-简易频率计的实现

8.6.151单片机的频率测量算法

频率是指周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数，若在一定时间间隔T

内测得这个周期性信号的重复变化次数A；则其频率f可表示为户A/A

有两种使用51单片机进行频率测量的方法：

图8.26测频法频率测量原理

・测频法：在限定的时间内（如1s）检测频率信号的脉冲个数。

•测周法：测试限定的脉冲个数之间的时间。

这两种方法的测量原理是相同的，但在实际中，需要根据待测频率的范围、

51单片机的工作频率以及所要求的测量精度等因素进行选择，在简易频率计应

用系统中，使用的是测频法，其使用定时计数器来确定了在固定时间7内的脉

冲个数A；如下图所示，然后根据这个N值来计算对应的频率。

8.6.2简易频率计的电路结构

简易频率计的电路如下图所示，它使用51单片机的内部定时计数器来进行

输入频率的测量，所以将输入的频率信号直接连接到51单片机的P3.4(TO)引

脚上。综合考虑到驱动方便的因素，频率计使用一个6位的8段共阳极数码管

来显示频率值，使用51单片机的P0端口作为数码管的数据交互端口，使用P2

端口作为数码管的位选择端口。

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主

主

土

由

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：

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壬

8.6.3简易频率计的应用代码

简易频率计的软件可以划分为频率测量和计算以及显示驱动两个模块,其

流程如下图所示。

初始化51单片机<

启动定时计数罂

r>I.定时Is.启动

定时计敬黎0

8.7应用案例8.2-数字输入模块的实现

8.7.1数字输入模块的工作原理

数字输入模块要求系统接收用户输入的一串数字（通常来说是“0”“9”，也

许还包括“*”和“#"），并且还会将用户的输入在屏幕上显示出来，当输入的数据

串过长的时候，会自动清除屏幕显示，其可以用于输入类似这样

的手机号码，也同样可以用于输入“123456”这类密码。

数字输入模块的工作原理非常简单，即51单片机通过扫描键盘得到被按下

的按键，然后根据不同的按键映射其对应的数字或者字符，并且将这些数字或

者字符送到显示模块显示。

8.7.2数字输入模块的电路结构

数字输入模块的电路如下图所示，51单片机使用P0端口作为1602液晶模

块的数据输入端口，使用P2.0~P2.2作为1602液晶模块的控制引脚，并且由于

使用P0端口作为I/O端口，外加了一个电阻排作为上拉电阻；同时51单片机

使用P3引脚以行列扫描连接方式扩展了一个3x4的数字小键盘作为输入通道。

LCD1

>xr凡iPO.O/XW

P0.1//O1

P027/O2

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P0.4/XOI

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RSTP0.7/ZC7

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P2.2/A®

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2P3O/RM）

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8.7.3数字输入模块的应用代码

数字输入模块的软件设计重点是行列扫描键盘的按键拦描函数以及1602液

品的驱动函数，其对应的C51语言代码如例8.8所示。

行列扫描键盘的软件驱动模块包括了一个用于按键扫描的函数unsigned

charGetKeyO,当有按犍被按下的时候，该函数返回按键对应的键值，否则返

回OxFF。应用代码将行列码存放在数组KcyScanCod。中，依次送出诜中对应的

列，然后读出P3上的数据和存放按键编码的数组KoyCodcTablc进行对比，如

果相等，则将该按键值送出。1602液晶的软件驱动模块则包括下列用于1602

液晶读写驱动的函数。

•voidDelayms(unsignedintx)：亳秒级延时函数，其参数为延时的长

度。

•voidDisplayString(unsignedchar*str,unsignedcharLineNo)：

在1602液晶的LineNo行上显示一个字符串str。

•bitLCD_Busy_Chcck()：检查1602液晶是否处于忙状态,如果是，则返

回1，反之返回0。

•voidLCD_Wdat(unsignedchardat)：向1602写入数据dat。

•voidInit_LCD()：初始化1602。

•voidLCDPus(unsignedcharpos)：设置1602的光标位置为pus。

主程序在while主循环中调用GetKey函数对行列键盘进行扫描，然后判断

其是否超过了最大显示字符(在本应用实例中设置为11),如果超过则将显示缓

冲区Dial_Code_Str清除，然后再送1602液晶显示。

8.8应用案例8.3——简易电子琴的实现

8.8.1乐音的基础知识

不同音高的乐音是用“C、D、E、F、G、A、这7个字母来表示的，它们

被称为乐音的音名。在实际使用中,通常使用“do、re、mi、fa、sol、la、si”

来对音名进行发声操作，其对应了简谱中的“1、2、3、4、5、6、7”(多来米法

索拉西)。

对应的乐音持续时间则被称为乐音的持续时间，使用节拍数来表示。

对于一段音乐来说，它是由许多不同的音符组成的，而每个音符对应了不

同的发生频率，所以简易电子琴可以使用发声系统进行不同频率的发声，并且

加以和节拍数对应的延时，来产生音乐。

简易电子琴提供了一系列按键来分别对应基本的自然音，当用户按下了对

应的按键时发出对应的乐音，并且提供相应的指示，此外为了演示，在简易电

子琴内还内置了一首音乐可以完整地供用户播放试听。

由于乐音是由不同的频率构成的，所以可以使用51单片机的定时器来产生

不同的脉冲卵动发声器件，即可得到对应的音符。

假设51单片机工作时钟为12MHz,使用定时计数器TO的工作方式1来进行

定时操作，其初始化值和音符的对应关系如下图所示。

音符JSX工册：THEX到工空百我HEX

CHZ)T(HZ:CTS)

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