第9章 应用系统配置及接口技术
若输入是非电的模拟信号，还需要通过传感器转换成电信号并加以放大，把模拟量转换成数字量。该过程称为“量化”，也称为模／数转换。
实现模／数转换的设备称为模／数转换器(Ａ／Ｄ)，将数字量转换成模拟量的设备称为数／模转换器(Ｄ／Ａ)。
图9－1所示为具有模拟量输入、模拟量输出以及键盘、显示器、打印机等配置的89C51应用系统框图。为节省I/O口线，89C51片外扩展应尽量采用串行外设接口芯片。
图9－1 系统前向、后向人机通道配置框图
9.1 人机通道配置与接口技术
单片机应用系统通常都需要进行人机对话。这包括人对应用系统的状态干预与数据输入，还有应用系统向人显示运行状态与运行结果等。如键盘、 显示器就是用来完成人机对话活动的人机通道。
9.1.1 键盘接口及处理程序
键盘分编码键盘和非编码键盘。
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。
键盘中每个按键都是一个常开开关电路，如图9-2所示。
当按键K未被按下时，P1.0输入为高电平；当K闭合时，P1.0输入为低电平。
图9-2 按键电路
通常按键所用的开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，电压信号波形如图9-3所示。
由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。
因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，如图9-3所示。抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5～10 ms。这是一个很重要的时间参数，在很多场合都要用到。
图9-3 按键时的抖动
键抖动会引起一次按键被误读多次。为了确保CPU对键的一次闭合仅做一次处理，必须去除键抖动。在键闭合稳定时，读取键的状态，并且必须判别；在键释放稳定后，再作处理。按
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键的抖动，可用硬件或软件两种方法消除。
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。
1. 键盘结构
键盘可以分为独立连接式和行列式(矩阵式)两类，每一类按其译码方法又都可分为编码及非编码两种类型。这里只介绍非编码键盘。
1) 独立式非编码键盘接口及处理程序
独立式按键是指各按键相互独立地接通一条输入数据线，如图9-4所示。这是最简单的键盘结构，该电路为查询方式电路。
当任何一个键按下时，与之相连的输入数据线即被清0(低电平)，而平时该线为1(高电平)。要判别是否有键按下，用单片机的位处理指令十分方便。
这种键盘结构的优点是电路简单；缺点是当键数较多时，要占用较多的Ｉ／Ｏ线。
图9-4 独立连接式非编码键盘
图9-4所示查询方式键盘的处理程序比较简单。程序中没有使用散转指令，并且省略了软件去抖动措施，只包括键查询、键功能程序转移。P0F～P7F为功能程序入口地址标号，其地址间隔应能容纳JMP指令字节；PROM0～PROM7分别为每个按键的功能程序。
程序清单(设Ｉ／Ｏ为P1口)：
START： MOV A，#0FFH；输入时先置P1口为全1 MOV P1,A MOV A，P1；键状态输入 PL1： JNB ACC.0,P0F；0号键按下转P0F标号地址 JNB ACC.1，P1F；1号键按下转P1F标号地址 JNB ACC.2，P2F；2号键按下转P2F标号地址 JNB ACC.3，P3F；3号键按下转P3F标号地址 JNB ACC.4，P4F；4号键按下转P4F标号地址 JNB ACC.5，P5F；5号键按下转P5F标号地址 JNB ACC.6，P6F；6号键按下转P6F标号地址 JNBA CC.7，P7F；7号键按下转P7F标号地址 LJMP START；无键按下返回 P0F： LJMP PROM0 ┊ ┊
P1F： LJMP PROM1 ；入口地址表 P7F： LJMP PROM7 PROM0：? ；0号键功能程序 LJMP START ；0号键执行完返回
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PROM1：? LJMP START ? ┊
PROM7：? LJMP START
由程序可以看出，各按键由软件设置了优先级，优先级顺序依次为0～7。 【例9-1】 设计一个有4个独立式按键的键盘接口，并编写键扫描程序。 解： 电路原理图如图9-5所示。
图9-5 键盘接口电路原理图
程序清单：
KEY： MOV P1，#0FFH；P1口为输入，各位应先置位为高电平 MOV A，P1；读取按键状态 CPL A；取正逻辑，高电平表示有键按下 ANL A，#0FH JZ KEY；A=0时无键按下，重新扫描键盘 LCALL D10 ms；有键按下延时去抖动 MOV A，P1；读取按键状态 CPL A；取正逻辑，高电平表示有键按下 ANL A，#0FH；再判别是否有键按下 JZ KEY；A=0时无键按下重新扫描键盘 MOV B，A；有键按下，键值送B暂存 MOV A，P1 CPL A ANL A，#0FH；判别按键释放 KEY1：JNZ KEY1；按键未释放，等待 LCALL D10ms；释放，延时去抖动 MOV A，B；取键值送A JB ACC.0，PKEY1；K1按下转PKEY1 JB ACC.1，PKEY2；K2按下转PKEY2 JB ACC.2，PKEY3；K3按下转PKEY3 JB ACC.3，PKEY4；K4按下转PKEY4 EKEY：RET
PKEY1：LCALL K1；K1命令处理程序 RET
PKEY2：LCALL K2；K2命令处理程序 RET
PKEY3：LCALL K3；K3命令处理程序 RET
PKEY4：LCALL K4；K4命令处理程序 RET
D10ms：MOV R7，#10H；10 ms延时子程序
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DS1： MOV R6，#0FFH DS2： DJNZ R6，DS2 DJNZ R7，DS1 RET
2) 行列式键盘接口及工作原理
为了减少键盘与单片机接口时所占用I/O线的数目，在键数较多时，通常都将键盘排列成行列矩阵形式，如图9-6所示。
以图9-6所示的4×4键盘为例，说明行扫描法识别哪一个按键被按下的工作原理。
图9-6 4×4矩阵键盘接口图
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： 向行线(图中水平线)输出全扫描字00H，把全部行线置为低电平，然后将列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是通过将行线逐行置低电平后，检查列输入状态实现的。方法是： 依次给行线送低电平，然后查所有列线状态，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。
（1） 行扫描法识别键号（值）的原理 行扫描法识别键号的工作原理如下：
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。
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。
（2） 键盘扫描工作过程 按键扫描的工作过程如下： ① 判断键盘中是否有键按下；
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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。 图9-7所示为4×4键盘扫描流程图。
图9-7 4×4键盘扫描流程图
键的位置码及键值的译码过程
上述行扫描过程结束后得到的行号存放在R0中，列号存放在R2中。
键值（号）的获得（译码）通常采用计数译码法。这种方法根据矩阵键盘的结构特点，每个按键的值=行号×每行的按键个数+列号，即键号（值）=行首键号+列号第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。
所以键值译码子程序为DECODE，该子程序出口： 键值在A中。 （3） 键盘扫描子程序（参见图9-7）出口： 键值（键号）在A中 KEY： MOV P1,#0F0H；令所有行为低电平 KEY1： MOV R7，#0FFH ；设置计数常数 DJNZ R7，KEY1 ；延时 MOV A,P1；读取P1口的列值
ANL A，#0F0H；判别有键值按下吗？ CPL A；求反后，有高电平就有键按下 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 NOP NOP
NOP；3个NOP操作使P1口输出稳定
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