第6章 MCS-51单片机的人机接口
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基于单片机开发的可定制人机交互界面页数:7
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基于51单片机的人机接口电路设计(贺铁梅)2012.09.08
基于51单片机的人机接口电路设计一、功能描述键盘和显示是单片机应用系统中实现人机对话的一种基本形式，两种接口设计的好坏，直接影响到人机接口的友好程度。
在对一个系统进行操作时，往往离不开人与机器的对话，人机接口界面可以满足人与机器之间的交流。
可以通过按键将所需要信号与信息输入给系统，经过系统处理后，所期待的效果又可以通过屏幕来显示出来，这样就可以很好的达到人与机器的交流目的。
二、硬件电路图基于51单片机的人机接口电路如图1.1所示。
电路结构包括基本的复位电路、晶振电路、串口程序下载电路、键盘电路及屏幕显示电路。
图1.1 基于51单片机的人机接口电路设计显示电路键盘控制AT89C51图1 人机接口电路结构框图复位电路 晶振电路三、接口定义接口定义说明包括单片机的I/O 口的定义、中断的选择。
在键盘电路中引入了外部中断方式0，减少了CPU 的工作强度。
屏幕接口电路采用的是并行工作方式，51单片的的I/O 口较多，采用并行方式可以增大数据传输的速度，可以将信息实时显示。
具体接口定义如表1.1所示。
表1 A T89C51接口定义I/O 口 定义引脚号 引脚名 接口说明 备注 1~8 P1口 接矩阵键盘 10 RXD 接MAX232 11TXD 接MAX23212 /INT0 接74ls13四输入与非门输出引入中断21 P2.0 接屏幕的RST 22 P2.1 接屏幕的RS 23 P2.2 接屏幕的RW 24 P2.3 接屏幕的E32~38 P0口接屏幕的数据口DB0~DB7 中断类型 中断方式 按键中断中断方式0四、程序流程图1、主程序在主程序中，执行两个任务：1）初始化，键盘初始化，屏幕初始化；2）判断中断是否发生。
程序开始，进行初始化，若有中断发生，则屏幕有相应的显示；若无中断发生，则屏幕不显示或保留原显示，继续等待中断发生。
主程序流程图如图2.1所示。
2、初始化初始化函数主要包括键盘初始化和屏幕初始化。
MCS-51单片机的人机界面接口技术知识讲解
Y
图
输入键号
A
返回
-
图 8
6 定 时 扫 描 方 式 程 序 框 图
-
图 8
7 中 断 方 式 键 盘 接 口
3．键盘扫描方式 扫描法：在判定有键按下后逐列（或逐行）置 低电平，同时读入行（或列）的状态，如果行 （或列）的状态出现非全1状态，这时0状态的行、 列交点的键就是所按下的键。特点是逐列（或逐 行）扫描查询。这时相应行（或列）应有上拉电 阻接高电平。 反转法：只要经过两个步骤就可获得键值。反 转法原理如图8-8所示。
l 硬件译码器LED显示器接口（如图8-14所示） l 软件译码LED显示器接口（如图8-15 ~8-16所 示）
图8-14 利用硬件译码器的七段LED接口电路
图8-15 通过8155扩展I/O口控制的 8位LED动态显示接口
-
图 8 16 动 态 显 示 子 程 序 流 程 图
返回本节
8.2.2 LCD显示器接口
电路。每根I/O口线上按键的工作状态不会影响 其他I/O口线的工作状态。独立式按键电路如图 8-1所示。 2．独立式按键的软件结构
包括按键查询、键功能程序转移。FP0～FP7 为功能程序入口地址标号，PROM0～PROM7分 别为每个按键的功能程序。
图8-2为使用扩展I/O的独立式按键电路，按键 数量可多可少。
a b c d e f Rdpa b c d e f Rdp a b c d e f Rdp a b c d e f Rdp a b c d e f Rdp
…
3.8
3.8
3.8
3.1 N位LED显示器
I/O（1）
I/O（2）
I/O（3）
I/O（4）
绪论
度等打交道，需要将这些物理量转换成计算机可以处理的
数字量。
MCS-51单片机原理、接口及应用
绪论
（2）硬件系统 为了提高性价比，单片机系统一般不会直接选用通用的硬 件平台，而是根据需要自行开发出针对性强的精简的硬件 系统。 （3）软件系统
单片机系统一般直接和自然界的物理量如温度、重量、速
度等打交道，需要将这些物理量转换成计算机可以处理的 数字量。
MCS-51系列单片机成为当时单片机应用的主流产品，而
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。 随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片
机，90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到
了巨大的提高。随着Intel i960系列特别是后来的ARM系 列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地
⑥在各种大型电器中的模块化应用
医用呼吸机
MCS-51单片机原理、接口及应用
绪论
0.2.3 单片机的发展历史及未来方向
单片机的发展历史不长，它的产生和发展与微处理器
的产生与发展大体是同步的。
初始阶段，Intel公司在1971年11月推出了4位微处理 器Intel 4004，内含随机存储器RAM和只读存储器ROM。
绪论 （1） 运算器 运算器又称为算术逻辑单元ALU（Arithmetic logic unit）， 用来进行算术或逻辑运算以及位移循环等操作，它是CPU的 执行部件。 （2）控制器 控制器主要由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器 ID和可编程逻辑阵列PLA等部件组成。 控制器的主要功能有两项：一是按照程序逻辑要求，控制程 序中指令的执行顺序；二是根据指令寄存器中的指令码控制 每一条指令的执行过程。
MCS-51系列单片机共有二十几种芯片，主要包括51子系
第15讲：MCS-51单片机系统的人机接口设计
?独立式键盘的硬件与编程?行列式键盘的硬件与编程?七段led的驱动原理与硬软件设计1非编码键盘?若干个按键组成的开关矩阵它是单片机最简单的信息输入装置操作员通过键盘向单片机系统输入数据或命令实现简单的人机通信按键是以开关的状态来设置控制功能和输入数据
单片机与控制技术
电气学院：胡学军
第06章：人机接口设计【教材第8章】
2、LED显示技术
LED显示器用于显示工业控制参数、 过程状态。 1）LED数码管 共阴极LED和共阳极LED 当LED字段引线与数据线连接，每个 显示字形对应一个字形码。
a
b
h
COM D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 h g f e d c b a
LED的字形码(字段码)
显示字符 共阴极 共阳极
本讲小结
1、非编码键盘（独立式、行列式）的硬件与编程 2、七段LED的显示原理（静态显示、动态显示） 3、掌握利用8155扩展键盘和显示器的方法！（教材实例） 4、掌握利用8255扩展键盘和显示器的方法！（课后习题T5）
课后习题：
P252
D1
D2
D3
D4
D5
a f g e c d h
COM COM COM
显示缓冲区 地址 内容
b
7AH 7BH 7CH 7DH 7EH 7FH
D0 D1 D2
显示缓冲区与多位LED对应关系：
显示程序 DIS： MOV R0，#7AH ；指向显示缓冲区起始单元 MOV R3，#01H ；字位码初值→R3 MOV A，R3 ；取字位码 DLP： MOV DPTR，#PAAR；指向字位口 (PA口) MOVX @DPTR，A ；输出字位码，显示其中1位 MOV A，@R0 ；取一个显示数据 ADD A，#0CH ；查表偏移量 MOVC A，@A+PC ；取出字形码 INC DPTR ；指向字段口(PB口) MOVX @DPTR，A ；输出字形码 ACALL DLY1MS ；延时1ms INC R0 ；指向显缓区下一单元 MOV A，R3 ；修改字位码 RL A ；显示下一位 MOV R3，A JNB ACC.6，DLP ；未显示到最右边LED，继续显示 RET ；全部扫描一遍，结束 DTAB：DB 0C0H，0F9H，0A4H ；字形表 DB 0B0H，99H， DLY1MS：… ；延时1ms子程序
单片机与控制技术
电气学院：胡学军
第06章：人机接口设计【教材第8章】
2、LED显示技术
LED显示器用于显示工业控制参数、 过程状态。 1）LED数码管 共阴极LED和共阳极LED 当LED字段引线与数据线连接，每个 显示字形对应一个字形码。
a
b
h
COM D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 h g f e d c b a
LED的字形码(字段码)
显示字符 共阴极 共阳极
本讲小结
1、非编码键盘（独立式、行列式）的硬件与编程 2、七段LED的显示原理（静态显示、动态显示） 3、掌握利用8155扩展键盘和显示器的方法！（教材实例） 4、掌握利用8255扩展键盘和显示器的方法！（课后习题T5）
课后习题：
P252
D1
D2
D3
D4
D5
a f g e c d h
COM COM COM
显示缓冲区 地址 内容
b
7AH 7BH 7CH 7DH 7EH 7FH
D0 D1 D2
显示缓冲区与多位LED对应关系：
显示程序 DIS： MOV R0，#7AH ；指向显示缓冲区起始单元 MOV R3，#01H ；字位码初值→R3 MOV A，R3 ；取字位码 DLP： MOV DPTR，#PAAR；指向字位口 (PA口) MOVX @DPTR，A ；输出字位码，显示其中1位 MOV A，@R0 ；取一个显示数据 ADD A，#0CH ；查表偏移量 MOVC A，@A+PC ；取出字形码 INC DPTR ；指向字段口(PB口) MOVX @DPTR，A ；输出字形码 ACALL DLY1MS ；延时1ms INC R0 ；指向显缓区下一单元 MOV A，R3 ；修改字位码 RL A ；显示下一位 MOV R3，A JNB ACC.6，DLP ；未显示到最右边LED，继续显示 RET ；全部扫描一遍，结束 DTAB：DB 0C0H，0F9H，0A4H ；字形表 DB 0B0H，99H， DLY1MS：… ；延时1ms子程序
第5章 MCS–51单片机的接口与应用 99页 5.8M
(1) 用键盘连接的I/O线的二进制组合表示键码。例如用4行、
4列线构成的16个键的键盘，可使用一个8位I/O口线的高、低4 位口线的二进制数的组合表示16个键的编码，如图5.4(a)所示。 各键相应的键值为88H、84H、82H、81H、48H、44H、42H、 41H、28H、24H、22H、21H、18H、14H、12H、11H。这种键 值编码软件较为简单直观，但离散性大，不便安排散转程序的 入口地址。
第5章 MCS–51单片机的接口与应用 JNB ACC.2，K2 JNB ACC.3，K3 JNB ACC.4，K4 JNB ACC.5，K5 JNB ACC.6，K6 ；检测2号键是否按下，按下转 ；检测3号键是否按下，按下转 ；检测4号键是否按下，按下转 ；检测5号键是否按下，按下转 ；检测6号键是否按下，按下转
；0号键功能程序
；0号键功能程序执行完返回 ；0号键功能程序
JMP START
……………………… PROM7： ……………………… JMP START …
；1号键功能程序执行完返回
；7号键功能程序 ；7号键功能程序执行完返回
第5章 MCS–51单片机的接口与应用
5.1.4 行列式键盘
行列式键盘又叫矩阵式键盘。用I/O口线组成行、列结构， 按键设置在行列的交点上。例如4×4的行列结构可组成16个键 的键盘。因此，在按键数量较多时，可以节省I/O口线。 1．行列式键盘的接口 行列式键盘的接口方法有许多，例如直接接口于单片机的 I/O口上；利用扩展的并行I/O接口；用串行口扩展并行I/O口接 口；利用一种可编程的键盘、显示接口芯片8279进行接口等。 其中，利用扩展的并行I/O接口方法方便灵活，在单片机应用系
MOVX @DPTR，A
MCS-51单片机的人机接口
1.2 LED显示接口
显示接口是应用系统实时自动地向操作人员提供必要状态信息 的手段和途径之一，能使操作人员及时地观察到系统的运行情 况和对操作命令的响应结果
基于运行环境、可靠性、体积、功耗、成本等综合因素考虑， 发光二极管LED和数码管使用最为广泛，LCD以其显示信息丰 富也有较多应用
1.2.1 单个LED接口
所有情况
行反转法
可加快按键的识别速度 行线和列线所连接的并行端口都应是双向端口 先让连接行线的并行口工作在输出方式，让连接列线的并行口
工作在输入方式。通过程序向行线上全部送0，然后读入所有列 线的值。若有某键按下，必定某位列线值为0 之后，程序重新设置两个并行口的数据传输方向，并将刚才读 得的列线数据从列线所接并行口输出，然后读入所有行线的值
会自动增1或减1
状态标志位：指示LCD是否忙 光标/闪烁控制：用于控制光标是否显示和闪烁频率
1.3.2 LCD模块的CPU接口
LCD模块引线定义
引线号
符号
1 2 3 4 5 6 7～14
VSS VDD VEE RS R/W# E DB0~DB7
名称
功能
地 电源 液晶驱动电压 寄存器选择 读/写选择 片选
单片机原理与应用
人机接口
要了解系统的运行状态、适时干预系统处理过程 最常见的人机接口是键盘和显示器
键盘和显示电路通常由开发人员自行设计
1.1 键盘接口
利用按键可以向单片机输入数据和命令、选择系统功能 是人工操作介入单片机程序运行的主要手段 一组按键称为键盘 硬件上需要解决键盘与单片机的接口电路 软件则要实现对不同按键输入的识别解释功能
动态显示
将所有的段选线并联在一起，由一个8位输出口控制，而每位的 共阴极或共阳极点分别由单独的I/O口线控制
单片机的人机接口原理与应用
12ms子程序：
MOV R7, #18H
TM： MOV R6, #0FFH
TM1: DJNZ R6, TM1 ; 2us×256
DJNZ R7, TM ; 2us×256×24＝12 . 288ms
RET
《测量与机电控制》核心课程
§6.1 单片机的人机接口
二、独立式键盘：
通过三态缓冲器与单片机连接
§6.2 LED数码显示器与单片机的接口
一、基本知识 LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。在微机应用
系统中通常使用的是七段LED （每段一个LED） 。这种显示块有 共阴极与共阳极两种。DP小数点可以不用。
《测量与机电控制》核心课程
§6.2 LED数码显示器与单片机的接口
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 DP0 a b c d e f g
《测量与机电控制》核心课程
§6.1 单片机的人机接口
KEYIN： MOV DPTR, #7FFFH
MOVX A, @DPTR ；读键盘
ANL A，#1FH ；屏蔽高三位
MOV R3，A
LCALL D-10ms ；延时10ms
MOVX A, @DPTR ；重读键盘
ANL A，#1FH
CJNE A，R3，PASS；不等则为抖动
0111
╳ EH ╳ DH ╳ BH ╳ 7H
则每个键的键值（列-行组合）：
FE ╳ E 、FD ╳ E 、 FB╳ E 、 F7╳ E 、EF ╳ E、DE ╳ E、BF ╳ E、 7FFE╳╳ED 、FD ╳ D 、 FB╳ D 、 F7╳ D 、EF ╳ D、DE ╳ D、BF ╳ D、
7F╳ D FE ╳ B
I/O（4）
MCS51的片内接口及定时器计数器
参考程序如下：
ORG 0000H LJMP MAIN
ORG 0100H MAIN：
MOV TMOD，#09H MOV TH0，#00H MOV TL0，#00H BACK1： JB P3.2，BACK1 SETB TR0
BACK2： JNB P3.2，BACK2
BACK3： JB P3.2，BACK3 CLR TR0 MOV 70H，TL0 MOV 71H，TH0 SJMP $
P1=～K;} Return; }
5.2 MCS-51定时/计数器及其应用
51系列内部有2个16位的定时/计数器T0、T1
52系列内部有3个16位的定时/计数器T0、T1、T2
功能：
定时 计数
可编程 串行口的波特率发生器
定时/计数器的可编程特性：
⑴ 确定其工作方式是定时还是计数
⑵ 预置定时或计数初值
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计数初值X的计算方法： 计数方式：
N= 2n－X（X即为要求计数的次数）
定时方式： （2n － X）×T = 定时值
∴ X = 2n －定时值 / T 其中T为机器周期，时钟的12分频， 若晶振为6MHz，则T = 2µs， 若晶振为12MHz，则T = 1µs
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BACK：
MOV A，P0 ；读P0口开关状态，并送入累加器A
CPL A
；对累加器A求反
MOV P1，A
；从P1口输出
SJMP BACK ；循环执行
C51参考程序如下： Sfr P0=0x80; Sfr P1=0x90; Void main(){ Volatile unsigned char k; P0=0xff; P1=0; While(1) { K=P0;
MCS-51单片机显示器接口
共阳极 字段码
C0H F9H A4H B0H 99H 92H 82H F8H 80H 90H 88H 83H
显示字符
C d E F P U T y L H 8． “灭”
共阴极 字段码
39H 5EH 79H 71H 73H 3EH 31H 6EH 38H 76H FFH 00
共阳极 字段码
C6H A1H 86H 8EH 8CH C1H CEH 91H C7H 89H 00H FFH
a
A
P1.4
b
B
P1.5
c
C
P1.6
d e
D
P1.7
+5V
f LT
g RBO
RBI
74LS47
P2.4
A
a
P2.5
B
b
P2.6
C
c
P2.7 +5V D
d e
LT f RBO g
RBI
a
f gb
e
c
d Dp
a
b
+5V
c
d COM e
f
g
Dp
a
b c
+5V
d COM e
f
g
Dp
例： 编程在4个七段LED数码管上显示1234。
1、静态软译码连接法
2、静态硬译码连接法 3、动态硬译码连接法 4、动态软译码连接法
a
f gb
e
c
d Dp
静态软译码连接法思考：编程在4个七段LED数码管上显示30H，31H单元
中的内容。（30H，31H单元中分别存有2位BCD码）答。案 f
a gb
静态软译码连接法下，4个LED数码管与单片机的连接图 ：e
MCS-51单片机第七章 人机交互通道配置及其接口技术
描完。
要注意的两个问题：
1.字型码通常通过查表指令MOVC来求得.
2.换位显示时通Be常ijin要g In加sti一tute段of程Pe序tro-使che所mi有cal的TecLhEnDol全ogy灭.
动态显示程序流程图
采用动态扫描方式依次循环点亮各位数码管，构成
多位动态数码管显示电路。
1
开始
指向段选口，送字型码
DJNZ R2，$
DJNZ R1，AGAIN ；2μs
NOP
；1μs
NOP
；1μs
NOP
；1μs
NOP
；1μs
NOP
；1μs
RET
；2μs
END
；2μs×48 ×10
Beijing Institute of Petro-chemical Technology
7.2.2 LED数码管及其应用
共阳极
共阴极
7.2.2 LED数码管及其应用
显示0～9程序
DELAY: MOV R7, #10
ORG 0000H
MAIN : MOV R0, #0
MOV R4, #10
;存要显示的数 ;存循环次数
DEL0: MOV R6, #200 DEL1: MOV R5, #250 DEL2: DJNZ R5, DEL2
…
WTAB： DB 3FH，06H，5BH
…
P1.0～1.7 MCS-51
aa
bf
b
g
he
c
dh
；指向字形码表首地址 ；取显示缓冲区中数据 ；查表显示译码 ；输出显示
；字形码表
COM
Beijing Institute of Petro-chemical Technology
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
名称
功能
地 电源 液晶驱动电压 寄存器选择 读/写选择 片选
0V 5V±10％ 保证VDD－VEE＝4.5～5V电压差 1：数据；0：命令 1：读；0：写 下降沿锁存数据
数据
和CPU进行数据传输
LCD模块命令
6.3.3 LCD模块与MCS-51的接口
D7～D0直接连接数据总线，即P0口 R/W#和RS分别连接系统地址总线低位的A1和
A0，即从地址锁存器输出的最低两位地址 片选E由最高位地址P2.7与单片机读写信号共
同确定
写命令寄存器地址为8000H 写数据寄存器地址为8001H 读状态寄存器地址为8002H 读数据寄存器地址为8003H 软件
初始化 显示字符
注意检查是否到行尾
显示字符串
行反转法
可加快按键的识别速度 行线和列线所连接的并行端口都应是双向端口 先让连接行线的并行口工作在输出方式，让连
接列线的并行口工作在输入方式。通过程序向 行线上全部送0，然后读入所有列线的值。若 有某键按下，必定某位列线值为0 之后，程序重新设置两个并行口的数据传输方 向，并将刚才读得的列线数据从列线所接并行 口输出，然后读入所有行线的值
6.2.2 LED数码显示器接口
七段LED的段选码
显示字符 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A b
共阴极字型码 共阳极字型码
3FH
C0H
06H
F9H
5BH
A4H
4FH
B0H
66H
99H
6DH
92H
7DH
82H
07H
F8H
7FH
80H
6FH
90H
77H
88H
7CH
83H
显示字符 C d E F P U г y H L 灭 —
6.1.1 按键的抖动
由于机械触点的弹性作用，按键闭合及断开的 瞬间不会马上稳定地通、断
一般5～10ms
按键的抖动
软件去抖就是在首次检测到有按键按下后，先 执行一个延时子程序，然后再次检测该按键是 否仍保持闭合状态，若保持闭合状态才确认为 键真正按下
硬件去抖通常用RS触发器
6.1.2 独立式键盘接口
数据寄存器：存储CPU送来的字符代码数据 地址计数器：存放DDRAM或CGRAM的单元地址
会自动增1或减1
状态标志位：指示LCD是否忙 光标/闪烁控制：用于控制光标是否显示和闪烁频率
6.3.2 LCD模块的CPU接口
LCD模块引线定义
引线号
符号
1 2 3 4 5 6 7～14
VSS VDD VEE RS R/W# E DB0~DB7
6.2 LED显示接口
显示接口是应用系统实时自动地向操作人员提 供必要状态信息的手段和途径之一，能使操作 人员及时地观察到系统的运行情况和对操作命 令的响应结果
基于运行环境、可靠性、体积、功耗、成本等 综合因素考虑，发光二极管LED和数码管使用 最为广泛，LCD以其显示信息丰富也有较多应 用
6.2.1 单个LED接口
6.3.1 LCD显示模块简介
从用户角度来看 DDRAM：显示数据RAM CGROM：字符发生器ROM CGRAM：字符发生器RAM DDRAM地址寄存器：存储待显示字符的显示位置
当LCD是双行显示时，每行40个位置，第一行地址为00H～27H， 第二行地址为40H～67H
指令寄存器：存放CPU送来的命令码，也寄存DDRAM和 CGRAM的地址
就是所有按键之间在电路上没有联系，各自独 立
6.1.3 矩阵式键盘接口
行扫描法
行线连接到某个输出口，而列线连接到输入口 先使第0行输出为0，其余行输出为1，然后看
第0行是否有按键闭合，可通过检查列线电平 得知 使第1行输出为0，其余行输出为1，检查第1行 中是否有按键按下 如此最多重复4次，就得到了是否有按键按下、 哪个按键按下的所有情况
第6章 MCS-51单片机 的人机接口
键盘、LED、LCD显示接口
人机接口
要了解系统的运行状态、适时干预系统处理过 程
最常见的人机接口是键盘和显示器
键盘和显示电路通常由开发人员自行设计
6.1 键盘接口
利用按键可以向单片机输入数据和命令、选择 系统功能
是人工操作介入单片机程序运行的主要手段 一组按键称为键盘 硬件上需要解决键盘与单片机的接口电路 软件则要实现对不同按键输入的识别解释功能
动态显示
将所有的段选线并联在一起，由一个8位输出 口控制，而每位的共阴极或共阳极点分别由单 独的I/O口线控制
6.3 LCD显示模块接口
将LCD控制器、RAM、ROM和LCD显示器用 印刷电路板(PCB)连接到一起，称为液晶显示 模块(LCM)
用户只需向LCM送入相应的命令和数据就可实 现所需要的显示
共阴极字型码 共阳极字型码
39H
C6H
5EH
A1H
79H
86H
71H
8EH
73H
8CH
3EH
C1H
31H
CEH6EHຫໍສະໝຸດ 91H76H89H
38H
C7H
00H
FFH
—
—
6.2.3 静态显示与动态显示
N个LED数码管可构成N位LED显示器
静态显示
共阴极或共阳极点连接在一起，接地或VCC； 每位的段选线(a～dp)与一个8位并行输出口连 接