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1、电子产品设计制作与故障诊断学习情境 4：按键与显示电路的设计与实现电子产品设计制作与故障诊断课程建设组2010年2月第一版学习情境 4： 按键与显示电路的设计与实现4.1 学习目标通过本次学习情境要求学会：(1) 掌握单片机外围显示和按键电路的设计和制作；(2) 掌握按键和显示电路的 C51 程序的编写和调试。4.2 工作任务4.2.1 任务名称在独立电 路板上 设计制作 单片机的按键和显示电路，满足：(1) 在万用板上制作单片机的按键和显示电路，使该电路具有和单片机最小系统的接 口，电路的结构简单，成本低廉；(2) 编写基本控制程序，下载调试，使该电路实现基本的按键输入和字符显示功能。4.2
2、.2 任务背景按键和显示是各种电子设备最基本的人机交互界面，良好的按键和显示界面是电子产 品美观易用的基础。本次工作任务是为一小型温度测控系统设计制作按键和显示电路。4.2.3 任务要求(1) 学习单片机按键和显示电路的原理和电路设计方法，合理选择按键和显示电路的控 制芯片和电路结构；(2) 完成全电路理论设计、绘制电路图，自制电路板、焊接调试；(3) 撰写设计报告、调试总结报告及使用说明书。4.2.4.工作任务所需要的设备、 工具和材料： 具有 232串行口的计算机、 单片机最小系统板、 双踪示波器、万用表(模拟或数字) 、电烙铁、导线，自制电路板的各种工具一套及元器件 若干。4.3 任务知
3、识点4.3.1七段 LED 显示器LED显示器是由发光二极管按照一定的排列规律组成的显示器件，这种显示器有共阳极和共阴极两种组成形式，常用的七段LED显示器的内部结构和外引脚排列见图4-1。在共阴极七段 LED结构中，所有发光二极管的阴极接在一起形成公共极COM使用时COM接低电平，当某段发光二极管的阳极接高电平时，则该段二极管发光显示字符。共阳极 七段LED是把所有的发光二极管的阳极接在一起形成公共端COM使用时COM端接高电平，当某段发光二极管的阴极接低电平时，则该段二极管发光进行显示。表4-1给出了七段LED的显示字型码。表中的字型码未包扩小数点位Dp,段线的排列格式按 g,f,e,d,
4、c,b,a 即 g 段为显示段码的最高位， a 段为显示段码的最低位， 当然段线也可按照其他方式进行排列。从表中可看出共阴极结构与共阳极结构的显示段码互为反码。mp）共阴极结构）共阳极结构cfic12 3 电 5）外引脚图图4-1 LED结构及引脚排列图表4-1七段LED字型码显示字符共阴极字型码共阳极字型码显示字符共阴极字型码共阳极字型码03FHC0HA77H88H106HF9Hb7CH83H25BHA4HC39HC6H34FHB0Hd5EHA1H466H99HE79H86H56DH92HF71H8EH67DH82HP73H8CH707HF8H一40HBFH87FH80H全灭00HFFH96
5、FH90H问题：单片机控制电路中，应如何选择LED显示器的结构?4.3.2 LED显示器的显示方式在实际应用系统中， N片七段LED构成N位七段码显示器。LED的公共端COMH做显示 器的位选线，ag称为段选线，这样 N位LED显示器有N根位选线，N 8根段选线（包括 小数点位）。位选线控制LED的每一位是否显示，段选线控制每一位的显示字符。根据位选 线与段选线的接法，LED有两种显示方式：静态显示方式和动态显示方式。（1）静态显示方式在静态显示方式，所有的位选线 COM连接到一起接低电平（共阴极）或接高电平（共 阳极），每一位LED的段选线连接到一个 8位显示输出口上，这样 N位显示器共需要
6、8 显示输出线，显示时位与位之间是相互独立的，彼此不产生影响。图4-2为静态N位N根LED卩復IEI I喘L口线龙匚伽显示器原理图。TfI/O图4-2 N 位LED静态显示原理图由于位选线接在一起，因此控制每一显示位的段选码即可控制每一位的显示字符，保 持段选码不变，则显示的字符也不变，当需要改变显示内容时只需改变显示位的段码。这 种显示方式具有显示亮度高，显示稳定，控制方便等优点，但当显示的位数较多时，占用 的I/O 口线较多。（2）动态显示方式图4-3为N位动态显示硬件连接图。八枚 段逸 I/O图4-3 N位动态LED显示原理图与静态显示方式不同，动态显示方式是把段选线的对应位连接到一起，
7、接到一个8位输出I/O 口线上，每一位的位选线接到一根独立的I/O 口线上，这样N位显示器共需要 8+N根I/O 口线（8根段选线，N根位选线）。显示时段选码由同一 8位I/O 口输出，具体哪一 位显示由位选码决定。由于段选码并联接在一起，因此同一时刻只能有一位LED显示字符，其他位不显示，即只能有一位位选线有效。为了能显示N位字符，必需N位LED数码管等间隔时间轮流发光显示，只要显示间隔时间比较短，利用人眼视觉暂留的特点可造成N位同时显示的效果。动态显示与静态显示相比有需要I/O 口线少、功耗小等优点，但控制程序较复杂，显示亮度低。问题：根据显示电路的要求，应如何选用数码管的显示控制方式？4
8、.3.3 LED显示器与单片机接口LED显示电路与单片机的接口分静态显示接口电路和动态显示接口电路两类，每一类中又可分为软件译码和硬件译码两种控制方式。由于静态显示电路和静态显示控制程序比较 简单，因此静态显示电路在此不作介绍。软件译码方法是指将要显示的字符通过程序的方 法译成七段LED显示字型码，通过I/O 口直接输出LED的段选码；硬件译码是指将要显示 的字符直接输出给硬件译码电路，通过硬件译码电路再把BCD码或十六进制码转换成七段LED显示字型码。（1）软件译码显示接口图4-4为通过8255A并行可编程扩展接口构成的8位LED显示电路。其中 8255A的PA口用于段选码的输出，PB 口用
9、于位选码的输出，采用软件译码动态显示方式。P00031fiLEVrOFtSTFZ * 7*RDBESTCS=，HP卄F肩Z二 口 u巳CFdpdoPB3conicwnTcoml ccmS comfi图4-4软件译码动态显示电路在该硬件电路中，反相器为位驱动器，LED的段限流电阻未画出。按图所示电路进行连接时所用8255A的各端口地址为：PA 口地址：7FFCHPB 口地址：7FFDH控制口地址：7FFFHPA、PB口均设定为输出工作方式,其控制字为10000000B。控制程序如下DISP: MOV DPTR,#7FFFH;选择8255A的控制口MOV A,#80H；PA PB 口控制字为80H
10、MOVX DPTR,A；8255A初始化MOV R0,#TAB1;指向显示字符表MOV R7,#08H;显示位数送R7MOV B,#01H;显示初始位位选线 COM有效LOOP : MOV DPTR,#7FFDH；指向B 口MOV A,BMOVX DPTR,A;输出位选线RL AMOV B,AMOV A,R0;取显示字符INC RO；指向下一个显示字符MOV DPTR,#TAB2;指向七段LED显示字型表MOVC A,A+DPTR;取显示七段字型码MOV DPTR,#7FFCH；指向A 口MOVX DPTR,A;输出段显码LCALL DELAY;调延时子程序DJNZ R7,LOOP;8位未显示
11、完继续上述程序为一次显示 8位字符程序，若要不断显示可重复上述程序。(2)硬件译码电路硬件译码是采用硬件译码电路的方法完成显示字符到显示七段码的转换。硬件集成译码电路类型较多，有 BCD-7段译码器、BCD-7段译码驱动器、BCD-7段锁存译码驱动器、十 六进制-7段锁存译码驱动器等。表4-2给出了常用的硬件译码集成电路及其性能。表4-2常用的硬件译码集成电路元件名称功能驱动能力备注74LS46、47BCD七段译码/输出驱动器段驱动8mA输出开路74LS48BCD七段译码/输出驱动器段驱动8mA输出需上拉电阻74LS49BCD七段译码/输出驱动器段驱动8mAOC输出4511BCD七段译码/输出
12、驱动器段驱动8mACMOS器件，输出锁存MC14558BCD七段译码无驱动能力MC14547BCD七段译码/输出驱动器段驱动8mAMC14513BCD七段译码/输出驱动器段驱动12mA输出锁存ICM7212BCD七段译码/输出驱动器段驱动8mA可静态驱动四位共阳极LEDICM72188位动态BCD七段译码器段驱动20mA位驱动170mA可动态驱动8位共阳极LED 动态扫描频率250HZ硬件译码驱动器与单片机及显示器的接口见图4-5。在该图中硬件译码驱动电路采用BCD-七段码/输出锁存/驱动集成芯片 MC14513位选驱动采用同向驱动器 7407。 BCD码与位选信号输出均通过P1 口。MC11
13、513图4-5硬件译码驱动器与单片机及显示器的接口问题：(1) LED显示器与单片机接口，应选用哪种译码方式？为什么4.3.4 LED的驱动电路LED是电流控制显示器件，若想使LED发光则必需保证有足够大的电流流过LED的各段。流过LED的电流大时，LED发光亮度高；流过LED的电流小时，LED发光亮度就低，为了 LED 能够长期可靠地工作应使流过LED的电流为其额定电流。为 LED显示器提供电流的电路称为LED的驱动电路。由于显示分为静态显示和动态显示两种，因此驱动电路也分为静态驱 动电路和动态驱动电路两种。静态显示由于位选线接在一起，因此静态显示只有段码驱动 电路，驱动电路比较简单。图4-
14、6为共阴极静态显示一段驱动电路原理图。5V-Vces-Vdle电阻.苴值由 凌死二板世$慙定电 舐决罡.苴斎算公式 为!图4-6静态显示驱动电路由于动态显示器驱动电路的位选线不再接在一起，且流过LED各段的电流也为非恒定的直流电流，因此动态显示器LED的驱动电路与静态显示器的驱动电路有很大的不同。动态显示电路的驱动电路分为段驱动电路和位驱动电路两种。段驱动电路与静态显示器的段 驱动电路相同，考虑到所有的段电流均流过位选线，因此位驱动电路的驱动能力应为段驱动能力的8倍（最严重情况8段全亮）。图4-7为动态显示时的驱动电路原理图，其中驱动采用了达林顿复合驱动电路。驱动电路可采用分立元件电路，也可采
15、用集成驱动电路，此外有些硬件译码电路本身 包括驱动电路。在实际应用系统中可根据实际情况选择显示驱动电路的类型。电阻图4-7动态驱动电路问题：在LED显示电路设计中，段码驱动和位码驱动应选用何种驱动方式？有什么差别？工作任务：如何用74HC373芯片设计一种廉价的基于总线的LED显示电路？4.3.5键盘抖动及其消除方法键盘是单片机应用系统中不可缺少的输入设备。通过键盘可向单片机应用系统输入数 据和控制命令，键盘是操作人员控制干预单片机应用系统的主要手段。根据键盘组成形式 可分为独立式键盘、矩阵式键盘及拨码式键盘几种。键盘可工作于循环扫描方式、定时扫 描方式或中断方式。键盘一般是由一组机械按键按照
16、一定的规律组合而成，通过按键的通、断作用输入开 关电压信号。按键由断开到闭合及由闭合到断开时，由于机械触点的弹性作用，按键的动 作不是立刻完成的，在闭合及打开的瞬间有机械抖动的发生，抖动时间一般为510ms,表现在输入电压信号上为输入信号是抖动的不稳定的电平信号，其信号波形见图4-8。键被按下按下抖动释放抖动图4-8 按键抖动波形按键闭合稳态时间由操作人员的按键时间决定，一般为零点几秒到几秒之间。为了躲开键抖动的影响，保证在按键闭合稳定状态下读取键值，需要对键盘进行削抖 处理。常用的削抖措施有硬件削抖和软件削抖两种。硬件削抖是采用硬件电路的方法对键盘的按下抖动及释放抖动进行削抖，经过削抖电 路
17、后使按键的电平信号只有两种稳定的状态。常用的削抖电路有触发器削抖电路、滤波削 抖电路两种。硬件削抖电路见图 4-9。图4-9 硬件削抖电路硬件削抖电路解决了键抖动问题，但当应用系统所需按键比较多时，硬件削抖电路将 变得复杂，成本也比较高，因此硬件削抖一般只适用于按键比较少的应用系统中。当系统 中需要键盘数量比较多时可采用软件削抖方法对键盘抖动进行消除。软件削抖的基本原理是当第一次检测到有键按下时，根据键抖动时间的统计规律先采 用软件延时的方法延时一段时间（一般可取10ms）,然后再确认键是否仍保持闭合状态，如仍保持闭合状态则键真正被按下，此时可读取键值，否则可视为干扰，对其不予理睬。采 用软件
18、削抖方法可省去硬件削抖电路，但键盘的工作速度将被降低。4.3.6独立式键盘图4-10是通过8031单片机P1 口组成的具有8个按键的独立式键盘。从图中可看出， 独立式键盘的各个按键之间彼此是相互独立的，每一个按键连接一根I/O 口线。独立式键盘电路简单，软件设计也比较方便，但由于每一个按键均需要一根I/O 口线，当键盘按键数量比较多时，需要的I/O 口线也较多，因此独立式键盘只适合于按键较少的应用场合。I/O口状态独立式键盘可工作在查询方式下，通过P1 口读入键状态，当有键被按下时相应的口线变为低电平，而未被按下的键对应的I/O 口线保持为高电平，这样通过读 I/O可判断是否有键按下和哪一个键
19、被按下。4.3.7矩阵式键盘矩阵式键盘由行线、列线及位于行列线交叉点上的按键等部分组成。当应用系统需要 的按键数量比较多时可采用矩阵式键盘。(1) 工作原理图4-11为一 4x4矩阵式键盘的基本结构。图4-11 矩阵式键盘工作原理该键盘需要4根行线和4根列线共8根I/O 口线，由于采用矩阵式结构，与独立式按键不同，一根 I/O 口线已经不能确定哪一个键被按下，需要通过联接到键上的两根 I/O 口 线的状态确定键的状态，同时键的两端均接到 I/O 口线上不能一端接 I/O 口线一端接地， 因此必需采用行线与列线信号状态分别处理综合考虑才能判断键闭合的位置。常用的键位 置判别方法有扫描法和线反转法
20、两种。(2) 键识别方法 键识别方法是指当键被按下时如何确定是哪一个键被按下。常用的键识别方法有扫描法和线反转法，下面我们以图 4-11 为例加以说明。 扫描法设图4-11的行线H1H4连接到51单片机P1 口的P1.0P1.3，列线L1L4连接到P1 口的P1.4P1.7上，可通过如下程序判断哪一个键被按下。KEY: MOV P1,#0FHMOV A,P1ANL A,#0FHCJNE A,#0FH,KEY0SJMP KEYKEY0: LCALL DELAY10MOV A,P1ANL A,#0FHCJNE A,#0FH,KEY1SJMP KEYKEY1: MOV P1,#11101111BMO
21、V A,P1ANL A,#0FHCJNE A,#0FH,KEY11MOV P1,#11011111BMOV A,P1ANL A,#0FHCJNE A,#0FH,KEY11；列输出低电平，行输出高电平；读 P1 口状态；保留行状态；有键按下转 KEY0；无键按下等待，转键检测;调10mS延时取抖；不是抖动转键值判断;是抖动到键检测;第一列键被按下判断;第一列键被按下转 KEY1 1处理;第二列键被按下判断;第二列键被按下转 KEY1 1处理;第四列键被按下判断MOVP1,#01111111BMOVA,P1ANLA,#0FHCJNEA,#0FH,KEY11LJMPKEYKEY11： MOV A,P
22、1 键值处理;第四列键被按下转 KEY1 1处理;均不是转到键检测;读键值从程序中我们可看出，键扫描法实际上是先使列(行)线全输出低电平，然后判断行 （列）线状态，若行线全为高电平，表示无键被按下；若行线不全为高电平表示有键被按 下，然后依次使列线为低电平，再判断行线状态，当行线全为高电平时，表示被按下的键 不在本列；当行线不全为高电平时，表示被按下的键在本列，把此时的行线状态与列线状 态和在一起即为被按下的键的位置。线反转法 扫描法对键的识别采用逐行（列）扫描的方法获得键的位置，当被按下的键在最后一行时需要扫描 N次（N为行数），当N比较大时键盘工作速度较慢，而线反转法则不论键盘 有多少行和
23、多少列只需经过两步即可获得键的位置。我们仍以图 4-11 为例，线反转法的第 一步与扫描法相同均是把列线置低电平，行置高电平然后读行状态；第二步与第一步相反 把行线置低电平，列线置高电平然后读列线状态，若有键按下则两次所读状态的结果即为 键所在的位置。这样通过两次输出和两次读入可完成键的识别，比扫描法要简单。KEY: MOV P1,#0FH；列输出低电平，行输出高电平MOVA,P1；读 P1 口状态ANLA,#0FH；保留行状态CJNEA,#0FH,KEY0；有键按下转 KEY0SJMPKEY；无键按下等待，转键检测KEY0: LCALL DELAY10;调10mS延时取抖MOVA,P1ANL
24、A,#0FHMOVB,ACJNEA,#0FH,KEY1；不是抖动转键值判断SJMPKEY;是抖动到键检测KEY1: MOV P1,#0F0H;行输出低电平，列输出高电平MOVA,P1ANLA,#0F0HORLA,B键值处理（3）键盘工作方式在实际应用系统中，键盘只是系统的一部分，键的识别也只是CPU工作内容的一部分。系统在工作中采取何种方式对键盘进行识别，读取键状态这就是键盘工作方式。键盘工作 方式主要有扫描方式和中断方式两种。扫描方式 键盘的扫描方式又可分为编程扫描和定时扫描。编程扫描是指在特定的程序位置段上 安排键盘扫描程序读取键盘状态，此时用户可输入数据和控制命令。定时扫描是指利用单 片
25、机内部或扩展的定时器产生定时中断，在中断中进行键盘扫描的工作方式。不论哪一种 扫描方式，键盘程序都应当完成：键是否被按下判断，按键削抖处理；求键位置等。中断方式中断方式是指，当无键按下时，CPU处理其他工作而不必进行键的扫描；当有键被按下时，通过硬件电路向CPU申请键盘中断，在键盘中断服务程序中完成键盘处理。该种方法可提高CPU的工作效率。工作任务：（1）如何用74HC245设计一组独立式按键，使其连接于单片机并行总线上？4.4任务实施4.4.1设计显示和按键电路的原理图按照要求设计一组廉价的LED显示电路和独立式按键电路，并使其连接于单片机扩展的并行总线上，尽量设计多个方案，进入后面的工作步
26、骤，对多个方案进行比较选择。4.4.2对显示和按键电路进行软件仿真对上面设计好的电路使用proteus软件进行仿真，验证其可行性，选择能够实现的方案进行下一步的成本核算。4.4.3显示和按键电路的元件清单和成本核算将设计好的原理图的元件清单整理好填入下表中，进行成本核算。序号编号元件名称参数和圭寸装数量单价（元）合计（元）123456789101112总计4.4.4焊接显示和按键电路的电路板经过上面的软件仿真和成本核算，确定最终的方案，开始制作电路板。按照接线图将 元件焊到万能板上，完成电路板的制作。在进行焊接之前一定要认真规划电路板上元件的分布，例如：显示必须在电路板的上边，而按键必须在电路
27、板的下边。可以利用 protel 软件先进行原理图和 PCB 的制作，然后 参照 PCB 电路，完成万用板电路的焊接。注意： 此时不能完成本情景全部电路的焊接工作，需要按本情境中的功能模块先焊接 一部分，例如：可以首先完成显示电路的焊接，然后进入后面的工作过程，此部分电路通 过程序调试后，再回到本步骤进行按键电路的焊接，然后再次进入后面的工作过程。焊接完成后，对电路板的焊接工艺进行评价。4.4.5 对焊接完成的电路板进行测量 通电前测量： 接通电源之前， 用万用表通断档测量电路板上电源 VCC 和 GND 之间是 否短路，如果短路排除故障，再次进行测量。同时组内各位成员分别检查电路的连接是否
28、正确，检查完毕后进入后面的过程。提示： 在接通电源之前，必须认真清理电路板上的导线头、剪下的元器件引脚以及焊 锡屑等容易造成短路的杂物，同时清理电路板下面桌子上的杂物，切勿将焊接好的电路板 放到导体上面，以免造成短路。4.4.6 编写程序调试显示和按键电路 将前面工作过程制作完成的按键和显示电路与单片机最小系统电路的并行总线对接，使用 Keil C51 为按键和显示电路编写控制程序。 写完程序后下载到单片机中使其工作。 观 察按键和显示电路的现象是否和程序设计意图一致，如果现象不正确，记录并认真分析、 查找错误的原因，修改程序或电路。4.5 总结评价4.5.1 中期评价1. 评价内容 以组为单位每人讲解：1）在这个任务中，具体作了那些工作？2）在整体任务中的作用是什么 ?3）与哪些工作做了具体衔接？4）对其他工作了解了什么？ 讲解后由其他组同学提问，选出一位书记员记录问题及回答情况。各组全部讲解、提 问完毕后，指导教师总结出现频率较高的问题后，每个同学自我评分，其他同学打分。2.修改、完善出现的问题，对出现的问题给予说明。4.5.2 后期评价 对出现的问题修改、完善后，除提交成果外，还需要提交以下资料：1）对项目的掌握程度；2）还有哪些地方需要改进；3）项目中学到的知识在其他领域的应用等内容。 指导教师根据每个同学自我评分、其他同学打分、提交成果及提交资料给予总结评价。