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第 10 章 MCS-51 与键盘、显示器、拨盘的接口设计

第 10 章 MCS-51 与键盘、显示器、拨盘的接口设计. 一、 键盘接口原理. 二、 键盘 / 显示器接口设计实例. 利用并行 I/O 芯片实现键盘 / 显示器接口. 利用 8031 的串行口实现键盘 / 显示器接口. 利用通用键盘 / 显示器接口芯片 8279 实现键盘 / 显示器接口. 10.2 键盘接口原理. 键盘输入的特点. 1) ．按键的分类

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第 10 章 MCS-51 与键盘、显示器、拨盘的接口设计

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  1. 第10章 MCS-51与键盘、显示器、拨盘的接口设计 一、键盘接口原理 二、键盘/显示器接口设计实例 利用并行I/O芯片实现键盘/显示器接口 利用8031的串行口实现键盘/显示器接口 利用通用键盘/显示器接口芯片8279实现键盘/显示器接口

  2. 10.2 键盘接口原理 键盘输入的特点 1)．按键的分类 按键按照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。 按键按接口原理可分为键盘分编码键盘和非编码键盘。 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。 键盘上闭合键的识别由专用的硬件译码器实现，并产生键编号或键值的称为编码键盘，如BCD码键盘、ASCII码键盘等；靠软件识别的称为非编码键盘。

  3. 2)．键输入原理 微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。 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。

  4. 3)．按键结构与特点 行线电压信号通过键盘开关机械触点的断开、闭合， 输出波形如图10-6。 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。

  5. +5v +5v I/O 接 口 I/O 接 口 单片机 单片机 ＆ ＆ +5v +5v 开关 开关 消除抖动电路 消除抖动电路 ＆ ＆ 硬件去抖 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。右图是一种由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 10-6 硬件去抖电路 图 硬件去抖电路

  6. N 有按键信号？ Y 延时等待10ms N 仍有按键信号？ Y 键盘处理 N 按键释放？ Y 软件去抖 如果按键较多，常用软件方法去抖动，即检测出键闭合后执行一个延时程序，产生5～10 ms的延时；让前沿抖动消失后，再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按下。当检测到按键释放后，也要给5～10 ms的延时，待后沿抖动消失后，才能转入该键的处理程序。 图10-7 软件去抖

  7. 10.2.1 非编码键盘接口的工作原理 独立式按键接口和行列式键盘接口。 1.独立式键盘接口 各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检 测输入线的电平状态可很容易判断那个键被按下。 此种接口适于键数较少或操作速度较高的场合。 图10-7（a）为中断方式的独立式键盘工作电路 图10-7（b）为查询方式的独立式键盘工作电路。

  8. 图10-8为8255A扩展I/O口的独立式按键接口电路。 PA

  9. 图10-9用三态缓冲器扩展的I/O口的按键接口电路。图10-9用三态缓冲器扩展的I/O口的按键接口电路。 MOV DPTR,#0BFFFH MOVX A,@DPTR

  10. 对图10-9独立式键盘编程，软件消抖，查询方式检测键的状态。仅有一键按下时才有效才处理。对图10-9独立式键盘编程，软件消抖，查询方式检测键的状态。仅有一键按下时才有效才处理。 KEYIN: MOV DPTR,#0BFFFH ；键盘端口地址BFFFH MOVX A,@DPTR ；读键盘状态 ANL A,#1FH ；屏蔽高三位 MOV R3,A ；保存键盘状态值 LCALL DELAY10 ；延时10ms去键盘抖动 MOVX A,@DPTR ；再读键盘状态 ANL A,#1FH ；屏蔽高三位 CJNE A,R3,RETURN ；两次不同，抖动引起转RETURN ；确认是有键按下 CJNE A,#1EH,KEY2 ；相等，有键按下，不等转KEY2

  11. LJMP PKEY1 ;是K1键按下，转K1键处理 ；子程序PKEY1 KEY2: CJNE A,#1DH,KEY3 ;S2键未按下，转KEY3 LJMP PKEY2 ;S2键按下，转PKEY2处理 KEY3: CJNE A,#1BH,KEY4 ;S3未按下，转KEY4 LJMP PKEY3 ;S3按下，转PKEY3处理 KEY4: CJNE A,#17H,KEY5 ;S4键未按下，转KEY5 LJMP PKEY4 ;S4按下，转PKEY4处理 KEY5: CJNE A,#0FH,PASS ;S5未按下，转RETURN LJMP PKEY5 ;S5按下，转PKEY5处理 RETURN:RET ;重键或无键按下，从子程序返回 PKEY1： LJMP RETURN PKEY*的程序框架怎样

  12. 2. 行列式(矩阵式)键盘接口 按键数目较多的场合，行列式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口线。 由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。 为了编程的需要，更准确的叫法：扫描线和回读线。为了读到确定的值，回读线被定义在有上拉电阻的线上。

  13. 4×4矩阵键盘接口图

  14. 首先判别键盘中有无键按下： 由单片机Ｉ／Ｏ口向键盘送(输出)全扫描字，然后读入(输入)列线状态来判断。方法是： 向扫描线(图中水平线)输出全扫描字00H，把全部行线置为低电平，然后将回读线的电平状态读入累加器A中。如果有按键按下，总会有一根列线电平被拉至低电平，从而使列输入不全为1。 判断键盘中哪一个键被按下： 通过将扫描线逐行置低电平后，检查回读线输入状态。方法是： 依次给扫描线送低电平，然后查所有回读线状态，称行扫描。如果全为1，则所按下的键不在此行；如果不全为1，则所按下的键必在此行，而且是在与零电平列线相交的交点上的那个键。

  15. 具体描述 行扫描法识别键号（值）的原理 • 将第0行变为低电平，其余行为高电平时，输出编码为1110。然后读取列的电平，判别第0行是否有键按下。在第0行上若有某一按键按下，则相应的列被拉到低电平，则表示第0行和此列相交的位置上有按键按下。若没有任一条列线为低电平，则说明0行上无键按下。 • 将第1行变为低电平，其余行为高电平时，输出编码为1101。然后通过输入口读取各列的电平。检测其中是否有变为低电平的列线。若有键按下，则进而判别哪一列有键按下，确定按键位置。 • 将第2行变为低电平，其余行为高电平时，输出编码为1011。判别是否有哪一列键按下的方法同上。 • 将第3行变为低电平，其余行为高电平时，输出编码为0111。判别是否有哪一列键按下的方法同上。

  16. 如何将你知道的第i行、第j列按键被按下的信息存放在A中？以什么形式存放？读图10-10如何将你知道的第i行、第j列按键被按下的信息存放在A中？以什么形式存放？读图10-10 在扫描过程中，当发现某行有键按下，也就是输入的列线中有一位为0时，便可判别闭合按键所在列的位置，根据行线位置和列线位置就能判断按键在矩阵中的位置，知道是哪一个键按下。 行首键号 读图并归纳，得出： 按键的值=行号×每行的按键个数+列号。计数译码法 第0行的键值为：0行×4+列号（0～3）为0、1、2、3； 第1行的键值为： 1行×4+列号（0～3）为4、5、6、7； 第2行的键值为： 2行×4+列号（0～3）为8、9、A、B； 第3行的键值为： 3行×4+列号（0～3）为C、D、E、F。 4×4键盘行首键号为0、4、8、C，列号为0，1，2，3。 此公式是针对例图，若行、列与扫描线、回读线的对应关系改变了，公式要改变。

  17. 键的位置码及键值的译码过程 按键扫描的工作过程如下： ① 判断键盘中是否有键按下； ② 进行行扫描，判断是哪一个键按下，若有键按下，则调用延时子程序去抖动； ③ 读取按键的位置码； ④ 将按键的位置码转换为键值（键的顺序号）0、1、2…、F。 这样编键号有何好处？ 规划：行扫描过程结束后（发现有键按下）得到的行号存放在R0中，列号存放在R2中。

  18. 描述子程序为DECODE的功能，出、入口参数？

  19. 出口： EKEY键值（键号）在A中或？ KEY： MOV P1,#0F0H ；令所有行为低电平 MOV A，P1 ；读列值 ORL A，#0FH ；取列值，A中有0则有键闭合 CPL A ；A中有1则有键按下则有键闭合 JZ EKEY；无键按下时退出 LCALL DEL20 ms ；延时20 ms去抖动 SKEY： MOV A，#00 ；下面进行行扫描，1行1行扫 MOV R0，A ；R0作为行计数器，开始为0 MOV R1，A ；R1作为列计数器，开始为0 MOV R3 #0FEH ；R3为行扫描字暂存，低4位为行扫描字 SKEY2：MOV A，R3 MOV P1，A ；输出行扫描字，高4位全1 MOV A，P1 ；读列值 MOV R1,A ；暂存列值 ORL A，#0F0H ；取列值 CPL A ；高电平则有键闭合 S123： JNZ SKEY3 ；有键按下转SKEY3，无键按下时进行一行扫描

  20. INC R0 ；行计数器加1 MOV A，R3 RL A MOV R3，A ；形成下一行扫描字→R3 MOV A，R0 CJNE A，#04H，SKEY2；最后一行扫（4次）完了吗？ EKEY： RET 去SKEY2扫描下一行 EKEY是谁的出口？ 若有键闭合，则去SKEY3

  21. 列号译码 SKEY3： MOV A，R1 JNB ACC.4，SKEY5 JNB ACC.5，SKEY6 JNB ACC.6，SKEY7 JNB ACC.7，SKEY8 AJMP EKEY SKEY5：MOV A，#00H MOV R2,A；存0列号 AJMP DKEY SKEY6：MOV A，#01H MOV R2，A；存1列号 AJMP DKEY SKEY7：MOV A，#02H MOV R2，A；存2列号 AJMP DKEY SKEY8：MOV A，#03H MOV R2，A；存3列号 AJMP DKEY 去DKEY做什么？

  22. ；键位置译码 DKEY： MOV A，R0 ；取行号 MOV A，R0 ；取行号送A MOV B，#04H ；每一行按键个数 MUL AB ；行号×按键数 ADD A，R2 ；行号×按键数+列号=键值，在A中 AJMP EKEY 解读子程序的框架。 问：何时调用？

  23. 练习：设计一个2×2行列式键盘，并编写键盘扫描子程序。练习：设计一个2×2行列式键盘，并编写键盘扫描子程序。 解： 原理如图9-8所示。 ① 判断是否有键按下: 将列线P1.0、P1.1送全0，查P0.0、P0.1是否为0。 ② 判断哪一个键按下: 逐列送0电平信号，再逐行扫描是否为0。 ③ 键号=行首键号+列号 键盘扫描原理图

  24. 10.2.3 键盘的工作方式 单片机在忙于各项工作任务时，如何兼顾键盘的输 入，取决于键盘的工作方式。 原则：即要保证能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。 通常，键盘工作方式有3种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。

  25. 1. 编程扫描方式 只有当单片机空闲时，才调用键盘扫描子程序，扫描键盘。 工作过程： 事先写好键盘扫描子程序，在主程序中的适当位置安排调用子程序。如上所述，一旦有键按下，子程序会把键值算好，放如A中，主程序中应有相应的程序去对键值作出反应。 2. 定时扫描工作方式 利用单片机内的定时器，产生10ms的定时中断，在中断服务程序中对键盘进行扫描。

  26. 3.中断工作方式 只有在键盘有键按下时，才执行键盘扫描程序，如无键按下，单片机将不理睬键盘。 键盘所做的工作分为三个层次，如图10-13。 第1层：单片机如何来监视键盘的输入。三种工作方式：①编程扫描②定时扫描③中断扫描。 第2层：确定具体按键的键号。体现在按键的识别方法上就是：①扫描法；②线反转法。 第3层：执行键处理程序。

  27. 10.3 键盘/显示器接口设计实例 10.3.1 利用并行I/O芯片实现键盘/显示器接口 一般把键盘和显示器放在一起考虑。 图10-14：8031用扩展I/O接口芯片8155H实现的6位LED显示和32键的键盘/显示器接口电路。 8031外扩一片8155H。RAM地址：7E00H～7EFFH。 I/O口地址：7F00H～7F05H。 PA口为输出口，控制键盘列线的扫描，同时又是6位共阴极显示器的位选线。 PB口作为显示器段码输出口，PC口作为输入口，是键盘的回读线。 75452：反相驱动器，7407：同相驱动器。

  28. 1. 动态显示程序设计 内部RAM 6个显示缓冲单元： 79H～7EH存放要显示的6位数据。 8155H的PB口输出相应位的段码； 8155H的PA口输出位选码，如01H。 子程序流程如图10-15 。 8155H的初始化程序： MOV DPTR, #7F00H MOV A, #03H;P215 MOVX @DPTR, A

  29. 参考程序： DIR： MOV R0,＃79H ；置缓冲器指针初值 MOV R3,＃01H ；位选码的初值送R3 MOV A,R3 LD0： MOV DPTR,＃7F01H ；位选码→PA口（PA.0位） ；最左边LED亮 MOVX @DPTR,A INC DPTR ；数据指针指向PB口 MOV A,@R0 ；显示数据→A ADD A,＃0EH ；加偏移量（下条指令到表首间 ；所有指令占的单元数） MOVC A,@A＋PC ；根据显示数据来查表取段码 MOVX @DPTR,A ；段码→8155H PB口 ACALL DL1ms ；该位显示1ms

  30. INC R0 ；指针指向下一个数据单元 MOV A, R3 ；位选码送入A中 JB Acc.5, LD1 ；判断是否扫描到最右边的 LED RL A ；位选码向左移一位 MOV R3,A ；位选码送R3中保存 AJMP LD0 ; LD1： RET ; DSEG： DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH ；共阴极段码表 DB 7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH DB 39H,5EH,79H,71H,73H,3EH DB 31H,6EH,1CH,23H,40H,03H DL1ms： MOV R7,＃02H ；延时1ms子程序 DL： MOV R6,＃0FFH DL6： DJNZ R6,DL6 DJNZ R7,DL RET

  31. 2．键盘程序设计 （1）判别键盘上有无键闭合 （2）去除键的机械抖动 （3）判别闭合键的键号 （4）使CPU对键的一次闭合仅作一次处理 一直没有键闭合时程序的执行状况？影响显示吗？ 键盘程序的流程如图10-16。

  32. 判有无键闭合子程序，全“0”→ KS1： MOV DPTR ,#7F01H ；扫描口（PA口） MOV A,＃00H ；即列线全为低电平 MOVX @DPTR,A ; MOV DPTR ,#7F03H ；DPTR增2，指向PC口 MOVX A,@DPTR ；从PC口读行线的状态 CPL A ；行线取反，如无键按下，则A为0 ANL A,＃0FH ；屏蔽无用的高4位 RET 出口参数：A非零则有键闭合。

  33. 键盘子程序如下： 寄存器分配： R4列选码 R2列号计数器 KEYI： ACALL KS1 ；调用判有无键闭合子程序 JNZ LK1 ；有键闭合，跳LK1 • NI： ACALL DIR ；无键闭合，调用显示子程序 • AJMP KEYI LK1： ACALL DIR ；可能有键闭合，软件延迟12ms去抖 ACALL DIR ACALL KS1 ；调用判有无键闭合子程序 JNZ LK2 ；经去抖，判键确实闭合，跳LK2 ACALL DIR ；调用显示子程序延迟6ms AJMP KEYI ；抖动引起，跳KEYI LK2： MOV R2,＃0FEH ；列选码→R2 MOV R4,＃00H ；R4为列号计数器

  34. LK4： MOV DPTR,＃7F01H ；列选码→8155H的PA口 MOV A,R2 ; MOVX @DPTR,A ; INC DPTR ；数据指针增2，指向PC口 INC DPTR ; MOVX A,@DPTR ；读8155H PC口 JB ACC.0, LONE ；0行线为高，无键闭合，跳 ;LONE，转判1行 MOV A, ＃00H；0行有键闭合,首键号0→A AJMP LKP ；跳LKP，计算键号 LONE：JB ACC.1, LTW0 ；1行线为高，无键闭合，跳， ； LTW0转判2行 MOV A, ＃08H；1行有键闭合,首键号8→A AJMP LKP

  35. LTW0：JB ACC.2, LTHR ；2行线为高，无键闭合，跳 ；LTHR，转判3行 MOV A, ＃10H ；2行有键闭合,首键号10H→A AJMP LKP ；跳LKP，计算键号 LTHR：JB ACC.3,NEXT ；3行线为高，无键闭合， ；跳NEXT，准备下一列扫描 MOV A, ＃18H ；3行有键闭合,首键号18H→A LKP： ADD A,R4 ；计算键号：首键号＋列号=键号 PUSH ACC ；键号进栈保护 LK3： ACALL DIR ；调用显示子程序，延时6ms ACALL KS1 ；调用判有无键闭合子程序 JNZ LK3 ；判键释放否，未释放，则循环 POP ACC ；键已释放，键号出栈→A RET

  36. NEXT：INC R4 ；列计数器加1，为下一列扫描作准备 MOV A, R2 ；判是否已扫到最后一列（最右一列） RL A ；键扫描未扫到最后一列，，位选码左移一位 JNB ACC.7, KND ；键扫描已扫到最后一列，跳KND， ；重新进行整个键盘扫描 MOV R2, A ；位选码→R2 AJMP LK4 KND： AJMP KEYI ; 出现了意外，返回读键。 思考题：若希望LED上显示键入的内容，应如何构建主程序？ 若希望显示呈右滚屏，数据区应如何处理？

  37. 熟悉OC门的负载电阻与开关上拉电阻的典型值。熟悉OC门的负载电阻与开关上拉电阻的典型值。 读图练习

  38. 读图练习 10.3.2 利用8031的串行口实现键盘/显示器接口

  39. 10.3.3 利用通用键盘/显示器接口芯片8279实现键盘/ 显示器接口

  40. 读图猜8279的功能 1.键盘的形式以及对信号线的要求 SL0~SL3:输出信号 RL0~RL3:输入信号 2.键盘的形式以及对信号线的要求 SL0~SL3:输出信号 OUTA0~OUTA3:输出信号，输出段码 OUTB0~OUTB3:输出信号，输出段码 3.与8031之间的口线—并口 有读写控制线 有数据线 地址线A0及时钟线（锁存控制线）CLK 有中断请求线IRQ

  41. 1.8279的引脚及内部结构 8279的结构

  42. 8279的引脚及功能描述 • 8279是Intel公司为8位微处理器设计的通用键盘/显示器接口芯片，其功能是：接收来自键盘的输入数据并作预处理；完成数据显示的管理和数据显示器的控制。单片机应用系统采用8279管理键盘和显示器，软件编程极为简单，显示稳定，且减少了主机的负担。

  43. 2. 引脚功能介绍 (1)与CPU的接口引脚 • DB0～DB7：数据总线、双向、三态，与单片机数据 • 总线相连，在CPU和8279之间传送命令或数据。 • CLK：系统时钟，用于8279内部定时，以产生其工作 • 所需的时序。 • RESET：高电平时，8279被复位，复位后的状态如下： * 16个字符左边输入显示方式 * 编码扫描键盘、双键锁定方式 • CS*：片选

  44. A0：=1，写入的是命令字节; 读出的是状态字节。 十六个数据如何写入？ =0，写入或读出的字节均为数据。 • RD*、WR*：读、写控制引脚 • IRQ：中断请求线。在键盘方式中，当键盘RAM（先进先出）中存有按下键的数据时，IRQ为高电平，向CPU提出中断申请。 CPU每次从键盘RAM中读出一个字节数据时，IRQ就变为低电平。如果键盘RAM中还有未读完的数据，IRQ将再次变为高电平，再次提出中断请求。

  45. （2）扫描信号输出引脚 • SL0～SL3 扫描输出。用来扫描键盘和显示器。可编程设定 为编码输出，即SL0～SL3需外接4-16译码器，输出16 取1的扫描信号，也可编程设定为译码输出，即由SL0 ～SL3直接输出4取1的扫描信号。 （3）与键盘连接的引脚 • RL0～RL7 键盘矩阵的行信号输入线。 • SHIFT 输入线，通常用作键盘上、下档功能的控制键。 • CNTL/STB 输入线，高电平有效。在键盘方式时，通常用来作为键盘控制功能键使用。

  46. （4）与显示器连接的引脚 • OUTA0～OUTA3（A组显示数据）、OUTB0～OUTB3（B • 组显示数据）:向LED显示器输出的段码, 与扫描信号 • 线SL0～SL3同步。两组可独立使用，也可合并使用。 • BD*:消隐显示控制。 众多的功能要靠命令字来告知8279

  47. 8279的操作命令

  48. 3. 8279的基本功能部件 （1）扫描计数器 SL0～SL3 编码方式:扫描线SL0～SL3输出，经外部4-16译码器 译码后，为键盘和显示器提供16取1的扫描线。 译码方式:计数器的最低二位在8279内部译码后，从 SL0～SL3输出，为键盘和显示器提供4取1扫描线。 （2）键盘去抖动及回复缓冲器 RL0～RL7被接到键盘的行线。 在逐列扫描时，当某一键闭合，消抖电路延时等待10ms之后，再检验该键是否仍闭合。若闭合，则该键的行、列地址和附加的移位、控制状态一起形成键盘数据，送入8279内部的键盘RAM存储器。格式为：

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