【文章內(nèi)容簡介】 8751片內(nèi) ROM 固化程序時，作為施加較高編程電壓（ 12V~21V）的輸入端 [7]。 輸入輸出引腳： P0P3： 4 個 8 位雙向輸入輸出端口，每個端口都有鎖存器、 輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。 4 個端口都可以做輸入輸出口使用，其中， P0 和 P2 通常用于對外部存儲器的訪問。在這種方式下，把 P0 口作為地址 /數(shù)據(jù)總線使用，分時輸出外部存儲器的地址和傳送 8 位數(shù)據(jù)。當(dāng)擴(kuò)充外部存儲器的地址為 16 位時， P2 口作為地址總線的高 8 位地址使用。 (1)P0 口 (3932 腳 )： 統(tǒng)稱為 P0 口。在不接片外存儲器與不擴(kuò)展 I/O 口時，可作為準(zhǔn)雙向輸入 /輸出口。在接有片外存儲器或擴(kuò)展 I/O 口時， P0 口分時復(fù)用為低 8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。 (2) P1 口 (18 腳 )： 統(tǒng) 稱為 P1 口，可作為準(zhǔn)雙向 I/O 口使用。對于 52 子系列， 與 還有第二功能： 可用作定時器 /計數(shù)器 2 的計數(shù)脈沖輸入端 T2， 可用作定時器 /計數(shù)器 2 的外部控制端 T2EX。 (3) P2 口 (2128 腳 )： 統(tǒng)稱為 P2 口，一般可作為準(zhǔn)雙向 I/O 口使用；在接有片外存儲器或擴(kuò)展 I/O 口且尋址范圍超過 256 字節(jié)時， P2 口用作高 8 位地址總線。 (4) P3 口 (1017 腳 )： 統(tǒng)稱為 P3 口。除作為準(zhǔn)雙向 I/O 口使用外，還可以將每一位用于第二功能，而且 P3 口的每一條引 腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能 [7]。 AT89C51 單片機 工作的基本時序 機器周期和指令周期 ： （ 1） 振蕩周期 : 也稱時鐘周期 , 是指為單片機提供時鐘脈沖信號的振蕩源的周期 。 （ 2） 狀態(tài)周期 : 每個狀態(tài)周期為時鐘周期的 2 倍 , 是振蕩周期經(jīng)二分頻后得到的。 （ 3） 機器周期 : 一個機器周期包含 6 個狀態(tài)周期 S1~S6, 也就是 12 個時鐘周期。在一個機器周期內(nèi) , CPU 可以完成一個獨立的操作。 （ 4） 指令周期 : 它是指 CPU 完成一條操作所需的全部時間。 每條指令執(zhí)行時間都是有一個或 幾個機器周期組成。 MCS 51 系統(tǒng)中 , 有單周期指令、雙周期指令和四周期指令。 AT89C51 單片機 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及存儲器配置 : 基于單片機的鍵盤控制設(shè)計 7 AT89C51 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 23 MCS51 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 CPU：由運算和控制邏輯組成，同時還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊 功能寄存器； RAM：用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)； ROM：用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格； I/O 口：四個 8 位并行 I/O 口，既可用作輸入，也可用作輸出； T/C：兩個定時 /記數(shù)器，既可以工作在定時模式，也可以工作在記數(shù)模式。 AT89C51 單片機的存儲器配置 （ b） 圖 24 單片機的內(nèi)部存儲器配置 基于單片機的鍵盤控制設(shè)計 8 從用戶的角度存儲器分 3 個邏輯地址空間： （ 1）片內(nèi)外統(tǒng)一編址的 64KB 程序存儲器地址空間 0000H~FFFFH 即（ a）圖； （ 2） 256B 的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器地址空間 00H~FFH（包括低 128B 的內(nèi)部 RAM 地址00H~7FH 和高 128B 的特殊功能寄存器地址空間）即（ b）圖； （ 3） 64KB 的外部數(shù)據(jù)存儲器或擴(kuò)展 I/O 接口地址空間 0000H~FFFFH （ 4） 畫出 RAM 的組成 RAM 共有 256 個單元，按功能分為兩部分低 128 單元（單元地址 00H~7FH）和高128 單元（單元地址 80H~FFH）。其中高 128 單元是供給專用寄存器使用，因這些寄存器的功能已作為專門規(guī)定故此稱之為特殊功能寄存器 SFR—11 個 SFR 有位尋址作用，而且要說明低 128 單 元是單片機的真正 RAM 存儲器 [8]。 表 RAM 的組成 30H~7FH 通用 RAM 區(qū) 20H~2FH 位尋址區(qū)（ 00H~7FH） 18H~1FH 工作寄存器 3 區(qū)（ R7~R0） 10H~17H 工作寄存器 2 區(qū)（ R7~R0） 08H~0FH 工作寄存器 1 區(qū)（ R7~R0） 00H~07H 工作寄存器 0 區(qū) (R7~R0) 低 128 單元是單片機的真正 RAM 存儲器，按其用途劃分為三個區(qū)域： ⒈ 通用寄存器區(qū) 通用寄存器為 CPU 提供了就近數(shù)據(jù)存儲的便利，有利于提高單片機的運算速度。此外，使用 通用存儲器還能提高程序編制的靈活性，因此在單片機的應(yīng)用編程中應(yīng)充分利用這些寄存器，以簡化程序設(shè)計，提高程序運行速度。 ⒉ 位尋址區(qū) 內(nèi)部 RAM 的 20H~2FH 單元，即可作為一般 RAM 單元使用，進(jìn)行字節(jié)操作，也可以對單元中每一位進(jìn)行位操作，因此把該區(qū)稱之為位尋址區(qū)。 ⒊ 工作寄存區(qū) 用戶存儲數(shù)據(jù)的。 AT89C51 單片機鍵盤設(shè)計方案論證 （ 1）此鍵盤利用 AT89C51 單片機的 P1 口接 4*4 矩陣式鍵盤， 以 － 作輸入線，以 － 作輸出線；在數(shù)碼管上顯示每個按鍵的 “0－ F”序號。其中需 要接電阻起到電路保護(hù)作用 。 基于單片機的鍵盤控制設(shè)計 9 圖 25 鍵盤設(shè)計 （ 2）以 37,38,39 引腳接其顯示電路，以 22 號引腳接其發(fā)聲電路，以起到報警或者提示作用。 （ 3） 本設(shè)計既能實現(xiàn)常規(guī)數(shù)字的顯示，同時還能實現(xiàn)作為電子琴，不同的鍵表示不同的音符；還能夠?qū)崿F(xiàn)簡單計算功能。 其中 ,鍵 C,D,E,F 分別作為計算功能中的加減乘除運算符 ,而 A 作為復(fù)位鍵 ,B 則作為數(shù)字計算及 電子琴之間的功能切換按鈕。 （ 4） 我們利用單片機可以用很少元件實現(xiàn)相同功能，而且單片機性能穩(wěn)定，可操作性強?？梢灾挥?P0 口連接上拉電阻，完成驅(qū)動 LED 的功能，利用 P3 口的 XTAL1晶振電路 ， XTAL2 接移位脈沖做時鐘信號。利用單片機程序判斷按鍵是否有效，利用74LS164 移位寄存 8 段數(shù)碼管，實現(xiàn) 按鍵數(shù)字 顯示， 當(dāng)切換鍵盤控制功能時啟動 蜂鳴器 ，同時發(fā)光二極管發(fā)光 。 通過單片機實現(xiàn)功能可以更人性化，只需單電源供電更方便， 容易實現(xiàn)。電路結(jié)構(gòu)簡單，外圍擴(kuò)展的電路不是很多，鍛煉我們所學(xué)的知識應(yīng)用到現(xiàn)實生活當(dāng)中。為我們 提供實踐的機會。單片機是電子專業(yè)發(fā)展的方向，更好的使用單片機可以是我們的產(chǎn)品小型化，使用更方便，性能更穩(wěn)定，功能更齊全，所以我們選用單片機加一定的外圍設(shè)備實現(xiàn)本次課程設(shè)計的要求 [8]。 基于單片機的鍵盤控制設(shè)計 10 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn) 圖 31 設(shè)計原理圖 AT89C51 單片機 的最小系統(tǒng)設(shè)計 最小系統(tǒng) 設(shè)計 基于單片機的鍵盤控制設(shè)計 11 圖 32 51 單片機的最小系統(tǒng)圖 時鐘頻率電路的設(shè)計 單片機必須在時鐘的驅(qū)動下才能工作 .在單片機內(nèi)部有一個時鐘振蕩電路 ,只需要外接一個振蕩源就能產(chǎn)生一定的時鐘信號送到單片機內(nèi)部的各個單元 ,決定單片機的工作速度。 圖 33 外部振蕩源電路 一般選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲 10ms 后振蕩器起振 ,在 XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為 3V 左右的正弦波時鐘信號 ,其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個電容 C1,C2 的作用有兩個 :一是幫助振蕩器起振 。二是對振蕩器的 頻率進(jìn)行微調(diào)。 C1,C2 的典型值為 30PF。 單片機在工作時 ,由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期。其大小是時鐘信號頻率的倒數(shù) ,常用 fosc 表示。如時鐘頻率為 12MHz,即 fosc=12MHz,則時鐘周期為 1/12181。s。 本設(shè)計選用 f=。 復(fù)位電路的設(shè)計 復(fù)位方式比較 使 CPU 進(jìn)入初始狀態(tài)，從 0000H 地址開始執(zhí)行程序的過程叫系統(tǒng)復(fù)位。 從實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位的方法來看，系統(tǒng)復(fù)位可分為硬件復(fù)位和軟件復(fù)位 [9]。 硬件復(fù)位必須通過 CPU 外部的 硬件電路給 CPU 的 RESET 端加上足夠時間的高電位才能實現(xiàn)。上電復(fù)位，人工按鈕復(fù)位和硬件看門狗復(fù)位均為硬件復(fù)位。硬件復(fù)位后，各專用寄存器的狀態(tài)均被初始化，且對片內(nèi)通用寄存器的內(nèi)容沒有影響。但是，硬件復(fù)位還能自動清除中斷激活標(biāo)志，使中斷系統(tǒng)能夠正常工作，這樣一個事實卻容易為不少編碼人員所忽視。 軟件復(fù)位就是用一系列指令來模擬硬件復(fù)位功能，最后通過轉(zhuǎn)移指令使程序從0000H 地址開始執(zhí)行。對各專用寄存器的復(fù)位操作是容易的，也沒有必要完全模擬，可根據(jù)實際需要去主程序初始化過程中完成。而對中斷激活標(biāo)志的清除工作常被遺 忘，因為它沒有明確的位地址可供編程軟件復(fù)位是使用軟件陷阱和軟件看門狗后必須進(jìn)行的工作，這時程序出錯完全有可能發(fā)生在中斷子程序中，中斷激活標(biāo)志已置位，它將阻止同級中斷響應(yīng)。由于軟件看門是高級中斷，它將阻止說要中斷響應(yīng)，由此可見清除中斷激活標(biāo)志的重要性。 基于單片機的鍵盤控制設(shè)計 12 復(fù)位方式選擇 為便于人工操作，及令設(shè)計更人性化。 本設(shè)計選擇手動硬件復(fù)位方式， 因而加上手動復(fù)位按鈕， 其設(shè)計原理圖如圖所示， 圖 34 復(fù)位電路 數(shù)碼管的結(jié)構(gòu) 數(shù)碼管由 7 個發(fā)光二極管組成 ,行成一個日字形 ,它門可以共陰極 ,也可 以共陽極 .通過解碼電路得到的數(shù)碼接通相應(yīng)的發(fā)光二極而形成相應(yīng)的字 ,這就是它的工作原理 . 基本的半導(dǎo)體數(shù)碼管是由 7 個條狀的發(fā)光二極管（ LED）按圖 1 所示排列而成的，可實現(xiàn)數(shù)字 0～ 9及少量字符的顯示。另外為了顯示小數(shù)點，增加了 1 個點狀的發(fā)光二極管，因此數(shù)碼管就由 8 個 LED 組成，我們分別把這些發(fā)光二極管命名為 a,b,c,d,e,f,g,dp。 其中數(shù)碼管的顯示可以分為兩種：靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示的段選位和位選位均單獨連接，因此占用的 I/O 接口多，無法擴(kuò)展多個數(shù)碼管，在這種采用這種方式，必須要給 LED 恒定的電壓，要求電壓一直保持，所以一般在 LED 和單片機之間加鎖存器，這種顯示方式亮度高，編程較簡單，結(jié)構(gòu)清 晰，管理也較簡單，占用的 CPU 時間少。 ② 動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共端 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是 哪 個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪 流控制各個數(shù)碼管的 COM 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為 1～ 2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，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)定的顯示數(shù)據(jù)，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 端口，而且功耗更低 [10]。 從電路上，按數(shù)碼管的接法不同又分為共陰和共陽兩種。圖 11 是共陰和共陽極數(shù)基于單片機的鍵盤控制設(shè)計 13 碼管的內(nèi)部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。其數(shù)碼管的 外形如下圖所示： 圖 35 數(shù)碼管的共陰和共陽極接法 共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 (COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM 接到地線 GND 上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮 共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極 (COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM 接到 +5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。 數(shù)碼管的設(shè)計選擇 由于本設(shè)計比較簡單，為便于操作，及功能實現(xiàn)的簡易化，設(shè)計中只需選用靜態(tài)顯示方式，并且是共陰極接法。也就是只要是 其中 某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮 。 鍵盤掃描電路的設(shè)計 鍵盤的作用 鍵盤是人與微機系統(tǒng)打交道的主要設(shè)備。關(guān)于鍵盤硬件電路的設(shè)計方法也可以在文獻(xiàn)和書籍中找到，配合各種不同的硬件電路，這些書籍中一般也提供了相應(yīng)的鍵盤掃描程序。站在系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計的立場上來看，僅僅完成鍵盤掃描，讀取當(dāng)前時刻的鍵盤狀 態(tài)是不夠的，還有不少問題需要妥善解決，否則，人們在操作鍵盤就容易引起誤操作和操作失控現(xiàn)象。在單片機應(yīng)用中鍵盤用得最多的形式是獨立鍵盤及矩陣鍵盤。它們各有自己的特點，其中獨立鍵盤硬件電路簡單，而且在程序設(shè)計上也不復(fù)雜，一般用在對硬件電路要求不高的簡單電路中。 矩陣鍵盤與獨立鍵盤有很大區(qū)別，首先在硬件電路上它要比獨立鍵盤復(fù)雜得多，而且在程序算法上比它要煩瑣，但它在節(jié)省端口資源上有優(yōu)勢得多，因此它更適合于多按基于單片機的鍵盤控制設(shè)計