第10章 基于单片机的 嵌入式接口设计 10.1 键盘接口设计 10.2 数码管（LED）显示器 10.3 液晶显示（LCD）接口设计 第10章 基于单片机的 嵌入式接口设计 10.1 键盘接口设计 10.2 数码管（LED）显示器 10.3 液晶显示（LCD）接口设计 10.4 模数（ADC）、数模（DAC）接口设计 10.5 单片机常用总线接口设计及实例

10.1 键盘接口设计 键盘接口电路是嵌入式系统设计非常重要的一环，是人机交互的重要界面。键盘能实现向单片机输入命令等功能

10.1.1 键盘的工作原理 键盘由一组常开的按键开关组成。每个按键都被赋予一个代码，称为键码。常用的键盘按译码方法分为两种类型：编码式键盘和非编码式键盘。由于编码键盘硬件电路复杂，目前小型的嵌入式系统常采用非编码键盘。对非编码式键盘按连接方式分为独立式和矩阵式两种

按键抖动 目前，按键绝大部分是利用了机械触点的合、断作用。机械触点由于机械弹性作用的影响在闭合和断开瞬间均有抖动过程，而使电压信号出现抖动，如图10-1所示。抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5ms~10 ms 在扫描键盘过程中，必须想办法消除按键抖动，否则将会引起按键被误读。消除抖动一般有硬件和软件两种方法

硬件去抖动 RC去抖动电路

硬件去抖动 Vcc 双稳电路去抖动

软件去抖动 如果按键较多，则常用软件方法去抖动，即检测到有键按下时，则调用一个5ms~10ms的延迟子程序，然后再次判断按键是否被按下，若此时判断键盘仍被按下，则认为键盘真正被按下，若此时判断键盘没有被按下，说明为键盘抖动或干扰

10.1.2 独立式按键

10.1.3 矩阵式按键 矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列交叉点上，由于51单片机输入输出口（P0～P3）都是8根引脚，一般情况下，单片机键盘接口电路都是利用其中一个输入输出口，故大多数情况下都是按照4×4构成一个16个按键的矩阵键盘电路。

矩阵式键盘矩阵式按键表 以4×4矩阵键盘为例详细说明矩阵式键盘的设计方法和技巧，在实际应用中，4×4键盘主要由数字0～9和功能键组成。这里给出一个比较常用的键盘排列方式，如下表所示。 按键表

矩阵式键盘接口电路

如何判断按键的是否被按下 采用非编码键盘，51单片机的CPU必须对所有按键进行监视，一旦发现按键按下，CPU应通过程序加以识别，并转入相应键的处理程序，实现该键功能。 矩阵键盘按键的识别方法：让所有列线均置为低电平，检查各行电平是否有变化，如果有变化，则说明有键被按下，如果没有变化，则说明无键被按下

如何判断具体那个键被按下 识别具体按键的方法时：逐列置低电平，其余各列置高电平，检查各行电平的变化，如果某行电平由高电平变为低电平，则可以确定此行此列交叉点的按键被按下。

键盘的编码

获得行信号 JugeKeyPressed: CLR A MOV P1,#0FFH ANL P1,#00001111B MOV A,P1 ORL A,#11110000B CPL A RET ;A为0,表明没有按键

检测有无按键 JugeKeyBoard: LCALL JugeKeyPressed JZ JugeKeyEnd LCALL Delay10ms SETB KeyPressed;按键标志位 JugeKeyEnd: RET

按键识别,获得键盘码 JugeWhichKey: MOV ScanTimes,#4 MOV A,#11101111B ScanLoop: ORL P1,#11111111B ANL P1,A MOV WhichCol, A; WhichCol高四位放列信号 MOV A,P1 MOV InputKey, A; InputKey低四位放行信号,高四位保留 ;锁存器内容,还是原来的列信号 ORL A,#11110000B CPL A JZ ScanNextRow LJMP FindKey ScanNextRow:MOV A, WhichCol RL A MOV WhichCol, A DJNZ ScanTimes,ScanLoop CLR KeyPressed LJMP JugeKeyOver

10.2 数码管（LED）显示器 （a） 数码管外形图（b）共阴数码管 （c）共阳数码管

静态显示电路 图10-6　四位静态显示电路

动态显示电路 图10-7　四位动态显示的电路

10.2.2 LED显示驱动技术 LED的驱动问题其实是一个非常重要的问题，如果驱动器驱动能力差，显示亮度就降低。而且动态和静态显示方式对驱动电路要求是不一样的。 如果是静态显示，不需要考虑LED驱动，一般情况下只要将单片机I/O口与数码管的段代码连接，如图10-6所示电路即可。 但是动态显示就需要考虑LED驱动，因为动态显示是由段和位选信号共同配合完成的，因此必须同时考虑段和位的驱动能力，并且段的驱动能力决定位的驱动能力。 常用的驱动电路有两种，采用集成电路芯片如SN7407或采用简单的三极管放大电路

三极管放大驱动电路

非门驱动电路

10.3 液晶显示（LCD）接口设计 10.3.1 点阵式液晶显示器的基本原理 10.3.2 液晶显示器引脚 10.3.3 时序波形 10.3.1 点阵式液晶显示器的基本原理 10.3.2 液晶显示器引脚 10.3.3 时序波形 10.3.4 显示模块控制字 10.3.5 单片机和液晶模块硬件接口设计 10.3.6 单片机和液晶模块的软件设计

10.3.1 点阵式液晶显示器的基本原理 图10-11 “单”的点阵显示软件界面

10.3.2 液晶显示器引脚 图10-12 液晶显示器的外围引脚图

10.3.3 时序波形 图10-13 写操作时序

10.3.3 时序波形 图10-14 读操作时序

10.3.4 显示模块控制字 显示开/关指令 当DB0=1时，LCD显示RAM中的内容；DB0=0时关闭显示 显示起始行（ROW）设置指令 10.3.4 显示模块控制字 显示开/关指令 当DB0=1时，LCD显示RAM中的内容；DB0=0时关闭显示 显示起始行（ROW）设置指令 页（PAGE）设置指令

10.3.4 显示模块控制字 列地址（Y Address）设置指令 读状态指令 该指令用来查询液晶显示模块内部控制器的状态，各参量含义如下： 10.3.4 显示模块控制字 列地址（Y Address）设置指令 读状态指令 该指令用来查询液晶显示模块内部控制器的状态，各参量含义如下： BUSY：1-内部在工作 0-正常状态 ON/OFF：1-显示关闭 0-显示打开 RESET： 1-复位状态 0-正常状态 在BUSY和RESET状态时，除读状态指令外，其它指令均不对液晶显示模块产生作用。在对液晶显示模块操作之前要查询BUSY状态，以确定是否可以对液晶显示模块进行操作

10.3.4 显示模块控制字 写数据指令 读数据指令 读、写数据指令每执行一次读、写操作，列地址就自动增一。必须注意的是，进行读操作之前，必须有一次空操作，紧接着再读才会读出所要读的单元中的数据

10.3.5 单片机和液晶模块硬件接口设计 通过单片机对LCD显示器的显示RAM进行写操作就可以在液晶模块上显示相应的字符，单片机对液晶显示可以采用两种不同的访问方式，直接访问和间接访问两种，针对不同的访问方式有不同电路设计和软件设计，现分别介绍

直接访问方式 图10-15 直接访问方式

间接访问方式 图10-16 间接访问方式

10.4 模数（ADC）、数模（DAC） 接口设计 10.4.1 ADC0809芯片结构 10.4.2 ADC0809的工作原理 10.4.4 D/A转换器DAC0832结构 10.4.5 D/A转换器DAC0832与单片机的接口技术

10.4.1 ADC0809芯片结构 图10-17　ADC0809的引脚图

10.4.2 ADC0809的工作原理 图10-18　ADC0809工作时序图

10.4.3 A/D转换器的接口设计实例 由于ADC0809片内无时钟信号，时钟信号由CLOCK端送入，最佳的时钟频率为640KHZ，在ADC0809与单片机的接口中，时钟信号通常由单片机的ALE信号4分频得到，由于单片机的ALE是晶振频率的6分频，若单片机的晶振频率为12MHz，则ALE的4分频为500KHz左右，满足ADC0809的CLOCK端的频率要求，一般采用两级D触发器来完成，如使用芯片74LS74实现四分频电路。 ADC0809与单片机的接口电路有三种形式：查询方式、中断方式和等待延时方式。这三种方式各有千秋，用户可以根据实际需要来选择

查询方式和中断方式电路 图10-19　ADC0809与单片机地连接图

等待延时方式 图10-20　等待延时方式A/D转换原理图

10.4.4 D/A转换器DAC0832结构 图10-21　DAC0832的引脚图

10.4.5 D/A转换器DAC0832与单片机的接口技术 常用DAC0832与单片机有三种基本的接口方法：即直通方式、单级缓冲器连接方式和双级缓冲器连接方式

直通方式 图10-23　直通方式接口电路

单缓冲器连接方式 图10-24 DAC0832单级缓冲器方式

双级缓冲器连接方式 图10-25　双级缓冲器连接方式

10.5 单片机常用总线接口设计及实例 10.5.1 概述 10.5.2 I2C总线的基本特征 10.5.3 I2C总线的数据传输格式 10.5 单片机常用总线接口设计及实例 10.5.1 概述 10.5.2 I2C总线的基本特征 10.5.3 I2C总线的数据传输格式 10.5.4 单片机模拟I2C总线 10.5.5 I2C总线接口设计实例 10.5.6 单片机对24LC256的写操作

10.5.1 概述 在单片机应用中，单片机中的数据需要与外部器件进行通信，即单片机对外部器件进行读写操作。对外部器件读写操作一定要按照一定的数据传输接口规范来进行，数据传输接口是数据传输的硬件基础，也是数据通信、计算机网络的重要组成部分。目前的数据通信方式主要有并行和串行两种方式，并行通信基本上是按照三总线（地址总线、数据总线、控制总线）方式去实现，串行方式目前有很多种，主要有232串行接口、SPI接口、I2C总线接口、USB接口等。 MCS-51单片机片内集成了4个并行I/O口和一个串口，随着电子技术的快速发展，新的数据传输接口标准和协议不断涌现，51单片机片内并没有集成这些接口，而面临的现实问题是必须完成与这些新的接口芯片进行数据传输。为了解决这个问题必须对单片机的数据传输接口进行扩展。

10.5.2 I2C总线的基本特征 I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向、二线制、同步串行总线。它只需两根信号线（串行数据线和串行时钟线）来实现连接于总线上的器件之间的通信。由于I2C总线连线少、结构简单。因此被广泛应用于消费类电子产品、通信产品、仪器仪表及工业控制系统中 图10-26　I2C总线结构图

I2C总线特性 ◆ 仅需两根信号线：串行数据线SDA 和串行时钟线SCL。 ◆ 每个连接到总线的器件都对应一个特定的地址，采用软件寻址方式，同时总线上的每个器件确定主从关系。主控制器可用作主控发送器或主控接收器。 ◆ I2C总线是一种真正的多主机总线，含有错误检测和总线仲裁功能,可以防止2个或更多主控制器同时启动数据传输而造成数据被破坏。 ◆ 串行8 位双向数据传输的数据传送速率可由标准I2C 模式下的100Kbit/s，快速模式下的400Kbit/s，直至高速模式可高达3.4Mbit/s。 ◆ 片上的滤波器可滤除总线数据线上的毛刺，保证数据可靠传输。 ◆ 连接到同一总线上的IC 数目只受到总线的最大电容400PF限制

10.5.3 I2C总线的数据传输格式 图10-29　I2C的四个阶段

10.5.5 I2C总线接口设计实例 I2C总线实际上已经成为一个国际标准,在超过100 种不同的IC上实现，而且得到超过50家公司的许可。如今利用I2C总线接口的芯片很多，例如时钟芯片、EEPROM芯片，IC卡等。对于所有采用I2C总线接口的芯片其使用基本类似，基本思路都是对具有I2C总线的芯片进行读写操作。本节以24C256芯片为例，详细介绍51单片机如何实现对I2C总线接口芯片的读写操作。

I2C总线接口芯片24LC256 图10-30　芯片引脚图

10.5.6 单片机对24LC256的读写操作 图10-31　写操作时序

10.5.6 单片机对24LC256的读写操作 图10-32　随机读操作