【文章內(nèi)容簡介】 及發(fā)光二極體的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 埠，而且功耗更低。 3 數(shù)碼管與單片機動態(tài)掃描顯示接口圖 圖 顯示部分電路圖 4 限流電阻的選擇 LED 數(shù)碼管的工作電流為 3～ 10mA，當超過 30mA 時會將數(shù)碼管燒毀。因此需要在數(shù)碼管的每一段串入一個電阻進行限流。電阻的選擇范圍為 470 歐到 1K。 如電源電壓5V， 1k 限流電阻，一個二極管的結(jié)壓降為 ，電流為 。采用 1K限流電阻時流過數(shù)碼管每段的電流為 。 顯示部分驅(qū)動芯片 7047 介紹 第 15 頁 共 44 頁 由于單片機的驅(qū)動能力有限，這里需要另加驅(qū)動芯片來增強驅(qū)動能力以驅(qū)動四個七段 LED 數(shù)碼管，這里選用 7047。 5 4/7407 為集電極開路輸出的 六組驅(qū)動器。 邏輯圖如下 圖 7407邏輯圖 輸入部分的設計 鍵盤的設計 在單片機應用中，人機交互對話最通用的方法就是通過鍵盤進行的。操作者通過鍵盤向系統(tǒng)發(fā)送各種指令或置入必要的數(shù)據(jù)信息。因此鍵盤模塊設計的好壞，直接關系到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。目前少見專門針對單片機按鍵設計的文檔資料，因此本文結(jié)合工作 實際，系統(tǒng)地介紹了單片機應用中比較有價值的按鍵設計方法。 1 常用按鍵接口 常用的按鍵接口一般分為 “ 獨立式 按鍵接口設計 ” 、 專用芯片式設計 ” 和 “ 矩陣式接口設計 ” 幾種。具體采用哪種方式 ,應該根據(jù)所設計系統(tǒng)的實際情況而定 。 下面分別介紹不同接口方式的優(yōu)缺點及適用場合。 （ 1） 獨立式按鍵接口設計 獨立式按鍵接口設計優(yōu)點是電路配置靈活 ,軟件實現(xiàn)簡單 ,但缺點也很明顯 ,每個按鍵需要占用一根口線 ,若按鍵數(shù)量較多 ,資源浪費將比較嚴重 ,電路結(jié)構(gòu)也變得復雜。因此本方法主要用于按鍵較少或?qū)Σ僮魉俣纫筝^高的合。軟件實現(xiàn)時 ,可以采用中斷方式 ,也可以采用查詢方式 ,示意圖如圖所示。 第 16 頁 共 44 頁 圖 查詢方式及中斷方式鍵盤設計圖 （ 2） 專用芯片式設計 專用鍵盤處理芯片一般功能比較完善 ,芯片本身能完成對按鍵的編碼、掃描、消抖和重鍵等問題的處理，甚至象 8279 還集成了顯示接口功能。專用鍵盤處理芯片的優(yōu)點很明顯 ,可靠性高，接口簡單，使用方便，適合處理按鍵較多的情況。但在很多應用場合 ,考慮成本因素 ,可能并不是最佳選擇。 （ 3） 矩陣式接口設計 矩陣式按鍵設計適應于按鍵數(shù)量較多 ,又不想使用專用鍵盤芯片的場合這種方式 的按鍵接口由 行線和列線組成 ,按鍵位于行、列的交叉點上。這種方式的優(yōu)點就 是相對于獨立接口方式可以節(jié)省很多 I/ O 資源，相對于專用芯片式可以節(jié)省成本 ,且更為靈活。缺點就是需要用軟件處理消抖、重鍵等問題。接口示意圖如圖所示。矩陣式按鍵接口根據(jù)采用的按鍵識別方法不同基本有兩種接法 :線反轉(zhuǎn)法和掃描法。其中掃描法的列線始終為輸入 ,行線始終為輸出；線反轉(zhuǎn)法則需要改變列線和行線的方向。 第 17 頁 共 44 頁 圖 掃描及反轉(zhuǎn)法原理圖 2 按鍵編碼方式 按鍵接口 方式確定后 ,需要對按鍵進行編碼。按鍵編碼沒有特殊約定 ,只要有利按 鍵處理即可 ,同時應根據(jù)情況確定是否對按鍵進行緩沖。但對于矩陣式按鍵接口一般是先獲得按鍵的掃描碼，然后將其轉(zhuǎn)換為事先約定的按鍵編碼。 3 按鍵識別方法 不同的按鍵接口方式對應不同的按鍵識別方法 ,但無論哪種接口方式 ,按鍵的閉合 與否都反映在電壓的高低上 ,因此系統(tǒng)可以通過檢測不同的電平狀態(tài)來識別按鍵是否按下。實際設計時可以根據(jù)需要設定鍵閉合或斷開的電平狀態(tài)。例如 ,我們利用低電平表示鍵按下 ,高電平表示鍵釋放。對應上述三種按鍵接口方法 ,獨立式按鍵識別 方法很簡單 ,只需要檢測相應口線的電平即可 ,沒有鍵按下時為高電平 ,有鍵按下時為低電平 。而專用芯片則直接完成了該項工作 ,因此下面主要講述矩陣式按鍵接口方式對應的按鍵識別方法。 （ 1） 按鍵識別原理 如圖 2 所示 ,按鍵設置在行、列的交點上 ,行列線分別連接到按鍵開關的兩端 ,行 第 18 頁 共 44 頁 線或列線通過上拉電阻接到 + 5V 上。平時無按鍵動作時 ,處于高電平狀態(tài) ,而當有鍵按下時 ,電平狀態(tài)將發(fā)生改變。這一點是按鍵識別的關鍵所在。由于矩陣鍵盤中行線和線為多鍵共用 ,各按鍵均影響該鍵所在的行和列的電平 ,即各鍵相互間有影響 ,必須協(xié)調(diào)處理 。 （ 2） 掃描法識別按鍵 掃描法識別按鍵分兩步進行 :第一步 ,識別有無按鍵按下；第二步 ,若有鍵按下 ,識別 出該鍵。具體方法如下：識別鍵盤有無按鍵按下方法 :讓所有列線均為 0電平 ,檢查各行線是否有變化 ,如果有變化 ,則說明有鍵被按下 ,如果沒有變化 ,則說明無鍵被按下。識別具體按鍵的方法 :逐列置零電平 ,其余各列置為高電平 ,檢查各行線電平的變化 ,如果 某行電平由高電平變?yōu)榈碗娖?,則可確定此行此列交叉點處的按鍵被按下。 （ 3） 線反轉(zhuǎn)法識別按鍵 掃描法要逐列掃描查詢 ,若被按下的鍵處于最后一列時 ,要經(jīng)過多次掃描才能最后 按鍵的行列值。而線反轉(zhuǎn)法則很簡練 ,無論被按鍵處于第一列或是最后一列 ,均只需兩步便能獲得按鍵的行列值。 第一步 :將行線編程為輸入線 ,列線編程為輸出線 ,并使輸出線輸出為全零電平 ,則 行線中電平由高到低所在行為按鍵所在行。 第二步 :同第一步相反 ,將行線編程為輸出線 ,列線編程為輸入線 ,并使輸出線輸全 零電平 ,則列線中電平由高到低所在行為按鍵所在列。 綜合一、二兩步的結(jié)果 ,可確定按鍵所在行和列 ,從而識別所按的鍵。 該方法的優(yōu)點是 :非常簡單適用。 該系統(tǒng)中鍵盤的原理圖如下： 第 19 頁 共 44 頁 圖 本系統(tǒng)鍵盤設計圖 單片機接口的擴展 由于單片機接口有限，而鍵盤的設計又占用了不少接口，應該考慮到擴展此系統(tǒng)的I/O 接口。 8255A 是一種可編程的 I/O 接口芯片，通過鎖存器 74LS373 可以與 MCS51系統(tǒng)單片機以及外設直接相連，廣泛用作外部并行 I/O 擴展接口。 1 8255A 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8255A 內(nèi)部由 PA、 PB、 PC 三個 8位可編程雙向 I/O 口， A組控制器和 B組控制器，數(shù)據(jù)緩沖器及讀寫控制邏輯四部分電路組成。 8255A 結(jié)構(gòu)框圖和引 腳圖如下： 第 20 頁 共 44 頁 圖 8255A結(jié)構(gòu)圖及引腳圖 2 8255A 的引腳功能 數(shù)據(jù)總線（ 8條）： D0~D7，用于傳送 CPU 和 8255A 間的數(shù)據(jù)、命令和狀態(tài)字。 控制總線（ 6條）： RESET：復位線，高電平有效。 /CS：片選線，低電平有效。 第 21 頁 共 44 頁 /RD、 /WR： /RD為讀命令線， /WR 為寫命令線，皆為低電平有效。 A0、 A1：地址輸入線：用于選中 PA、 PB、 PC 口和控制寄存器中哪一個工作。 并行 I/O 總線（ 24條） ：用于和外設相連，共分三組。 3 8255A 控制字和狀態(tài)字 方式控制字：方式控制字用于設定 8255A 三個端口工作于什么方式，是輸入還是輸出方式。 8255A 有兩個控制字：方式控制字和 C口置位 /復位控制字。用戶通過程序可以把這兩個控制字送到 8255A的控制寄存器，以設定 8255A的工作方式和 C口各位狀態(tài)。 C 口置位 /復位控制字：本控制字可以使 C 口各位單獨置位或復位，以實現(xiàn)某些控制功能。 圖 8255A方式控制字及 C口置位 /復位字 4 74LS373 介紹 第 22 頁 共 44 頁 單片機系統(tǒng)中常用的地址鎖存器芯片 74LS373 以及 s 的 74hc373， 是帶三態(tài)緩沖輸出的 8D 觸發(fā)器，其引腳圖與結(jié)構(gòu)原理圖、電路連接圖如下： 圖 鎖存器引腳圖 74ls373是常用的地址鎖存器芯片，它實質(zhì)是一個是帶三態(tài)緩沖輸出的 8D觸發(fā)器，在單片機系統(tǒng)中為了擴展外部存儲器，通常需要一塊 74ls373 芯片， 74ls373 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 和 引腳圖 如下： 圖 318 鎖存器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 第 23 頁 共 44 頁 1 腳是輸出使能 (OE),是低電平有效 ,當 1腳是高電平時 ,不管輸入 11 1 18 如何 ,也不管 11腳 (鎖存控制端 ,G)如何 ,輸出 2(Q0)、 5(Q1)、 6(Q2)、 9(Q3)、12(Q4)、 15(Q5)、 16(Q6)、 19(Q7)全部呈現(xiàn)高阻狀態(tài) (或者叫浮空狀態(tài) )； 當 1 腳是低電平時 ,只要 11腳 (鎖存控制端 ,G)上出現(xiàn)一個下降沿 ,輸出 2(Q0)、 5(Q1)、 6(Q2)、 9(Q3)、12(Q4)、 15(Q5)、 16(Q6)、 19(Q7)立即呈現(xiàn)輸入腳 1 1 1 18 的狀態(tài) 。 鎖存端 LE 由高變低時，輸出端 8 位信息被鎖存，直到 LE 端再次有效。當三態(tài)門使能信號 OE 為低電平時，三態(tài)門導通，允許 Q0~Q7 輸出， OE為高電平時，輸出懸空。當 74LS373 用作地址鎖存器時，應使 OE 為低電平，此時鎖存使能端 C為高電平時，輸出 Q0~Q7 狀態(tài)與輸入端 D1~D7 狀態(tài)相同；當 C發(fā)生負的跳變時，輸入端 D0~D7 數(shù)據(jù)鎖入 Q0~Q7。 51單片機的 ALE 信號可以直接與 74LS373 的 C連接。 74ls373 與單片機接口： 圖 74LS373接口電路 1D~8D 為 8 個輸入端。 1Q~8Q 為 8 個輸出端。 第 24 頁 共 44 頁 G 是數(shù)據(jù)鎖存控制端；當 G=1 時，鎖存器輸出端同輸入端；當 G 由 “1” 變?yōu)?“0”時，數(shù)據(jù)輸入 鎖存器中。 OE 為輸出允許端；當 OE=“0” 時，三態(tài)門打開；當 OE=“1” 時，三態(tài)門關閉，輸出呈高阻狀態(tài)。 溫度控制部分的設計 由于本系統(tǒng)對溫度控制的精度要求不高，所以可以直接用單片機 I/O 口控制繼電器間接來控制加熱部分，而不必考慮加熱部分的功率控制。由于單片機 I/O 輸出電壓較低且輸出能力有限，所以考慮加一個電壓跟隨電路和一個電壓放大電路以提高其驅(qū)動能力和輸出電壓以便能確?？刂评^電器。 電壓跟隨電路和比例放大電路 電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說 ，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近 1。 電壓跟隨器的顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低，所以驅(qū)動能力強。 同相輸入放大電路如圖所示，信號電壓通過電阻 RS 加到運放的同相輸入端，輸出電壓 Vo通過電阻 R1 和 Rf 反饋到運放的反相輸入端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負反饋放大電路。根據(jù)虛短、虛斷的概念有 VN= VP= VS， i1= if (31） 于是求得 （ 32） 所以該電路實現(xiàn)同相比例運算。 圖 同相放大電路圖 第 25 頁 共 44 頁 此系統(tǒng)中的跟隨和放大電路如下： 圖 系統(tǒng)中驅(qū)動放大電路圖 繼電器控制電阻絲部分 選用繼電器 ADG1401， ADG1401/ADG1402 內(nèi)置一個單刀單擲（ SPST）開關。當邏輯輸入為 1 時， ADG1401 開關閉合， ADG1402 開關則斷開。當接通時，各開關在兩個方向的導電性能相同，輸入信號范圍可擴展至電源電壓范圍， 在斷開條件下，等于電源電壓的信號電平被阻止。 其功能框圖如下： 圖 繼電器結(jié)構(gòu)圖