单片机原理实验
实验四、定时器应用实验
――LED数码显示与矩阵键盘赋值程序设计
一、
1. 2. 3. 4.
实验目地
掌握定时器/计数器定时设计方法。
掌握矩阵键盘工作原理及读矩阵键盘和去抖程序设计方法。 掌握LED数码显示与矩阵键盘赋值程序设计方法。
进一步学习模块化的程序设计方法，掌握状态及其转移分析方法。
二、 实验设备
PC 兼容机1台、目标程序下载接口电路1套、AT89S52实验板1套；操作系统为WindowsXP，安装有单片机集成开发软件“WAVE 3.2”和下载器驱动软件。
三、 实验原理
1． 定时器及其中断 在实验三中，我们采用调用处延时程序实现5位LED数码管动态显示，并采用独立键盘对显示内容进行加1和减1设置。我们发现在这样一个简单的设计中，CPU很忙，每时每刻都在执行不可缺省的指令，没有时间作完成其它任务。若要增加系统的功能必须在主程序中增加模块，也就增加了CPU执行相应模块的时间，这将导致主程序每次循环的时间超过5mS，且每次循环的时间可能不相同。当系统增加的功能消耗CPU时间不多，主程序循环时间偏离5mS的误差较小，这样的设计方法仍不失是一种可行的方法，反之应放弃该方法。
解决上述问题的方法可以采用单片机的定时/计数器，若将定时/计数器T0设置为方式1定时器，定时时长为4mS，则定时/计数器工作方式寄存器TMOD=01H；若系统晶体振荡器频率为12MHz，则定时器初值为：
M?65536?定时时长?65536-4000?F060H
机器周期即TH0=F0H、TL0=60H。
2． 矩阵键盘工作原理及读键盘和去抖处理 在实验三中，独立键盘SW1和SW2的每个键均接独立K11K10K9ROW2接1条IO口，当系统所需按键较多，若每个按键均占用1条K7K6K5ROW1IO端口，则按键占用的CPU资源过多，系统实现难度较大。
K3K2K1ROW0解决上述问题的方法可以
CS3CS2CS1采用矩阵键盘电路。图4.1是
3*4矩阵键盘电路，其中K0～图4.1：3*4矩阵键盘电路
18
K8K4K0CS0 单片机原理实验
K3四键、K4～K7四键、K8～K11四键组成矩阵键盘的第0、1、2行，各行分别由选择控制口ROW0、ROW1、ROW2控制；(K0，K4，K8)三键、(K1，K5，K9)三键、(K2，K6，K10)三键、(K3，K7，K11)三键组成矩阵键盘的第0、1、2、3列，分别由4条数据线读取键状态。
由图4.1可见，读取键状态的4条数据线CS0～3与LED数码管动态显示电路5条扫描线中的4条共用。之所以能够共用CS0～3端口，是由于CPU读取按键状态所需时间很短(几十微秒)，而LED数码管动态显示每个数码管的点亮时间为几个毫秒，因此先短暂关闭数码显示(
矩阵键盘各行按键的键状态也是分时读取的。首先置
图3.6所示的读键状态及去抖等处理子程序流图对矩阵键盘仍然适用，所不同的是在内部RAM中应指定2字节KEY1和KEY2用于保存开关型的键状态；指定2字节EKEY1和EKEY2用于保存前沿型的键状态。KEY1和KEY2
关闭数码显示器 共可以保存16个键状态，而本实验板中矩阵键盘只有12个键，因此可以将2个独立按键的状态也
扫描0行按键
读K3~0键状态、新的键状态暂的读键状态及去抖处理子程序框仍可延用图3.6
存R6低4位 的流图，只需将图3.6中第一个功能框“读键、
转正逻辑、新的键状态暂存”可细化，如图4.2
扫描1行按键
读K7~4键状态、新的键状态暂;====读矩阵、独立按键子程序(延时去抖)====
存R6高4位 RDKEY: ORL P2,#0FFH ;关闭LED数码显示器
CLR ROW0 ;ROW0=0,扫描K0~3键
扫描2行按键
读K11~8键状态、新的键状态 NOP
暂存R7低4位 MOV A,P2 ANL A,#0FH ;K0~3键位保留
XRL A,#0FH ;求反转正逻辑 MOV R6,A ;新的键状态暂存R6 ORL P2,#0FFH CLR ROW1 ;ROW1=0,扫描K4~7键 ???? ;扫描第1、2行按键等
19
关闭矩阵键盘
单片机原理实验
ORL P2,#0FFH;关闭矩阵键盘 ORL P1,#0C0H
MOV A,P1 ;读独立按键
ANL A,#0C0H ;接独立键盘的位保留 XRL A,#0C0H ;求反转正逻辑 ADD A,R7
MOV R7,A ???? ;键状态变化判断、延时去抖、键前沿提取等 RET
3． 模块化程序设计方法――系统状态及其转移分析方法
单片机应用系统和程序构架与系统所要实现的功能有关，模块化程序设计方法仍是常用的方法。程序员首先要分析系统的功能，将系统分解为几个不同的工作状态，并用代码表示系统的工作状态，保存状态代码的内部RAM单元称为状态字(不妨记态字为STA)，处在不同工作状态时，系统执行不同的程序模块，实现不同的功能；其次要分析实现这些功能的控制量有哪些，包括按键、开关量(或逻辑信号)和模拟量(或模拟量)等，找出系统的工作状态发生变化的条件，即控制量满足什么条件时工作状态将发生什么变化，得出系统的状态转移表。在此基础上，利用“JMP @A+DPTR”指令，根据工作状态字STA的不同取值进行间接长转移(或称为散转)，从而实现系统工作状态的转移，完成工作任务的调度。下面举简例说明之。
在实验板上设计一个系统，实现以下功能：①上电时4位数码管显示“8952”1秒，指示灯全亮。②紧接着显示“学号”(低4位)，同时LD1灯亮表示当前显示内容为“学号”，此时按键K0~11无效，SW1和SW2键有效。③若按SW2键一次，LD2亮表示此时可以利用数码显示和按键K0~9进行赋值，K0~9键代表“0~9”数值键，每按1次数值键后，原4位显示数值在显示器上左移1位，新输入的数值从右边进入，输入数值的位数不限，但从显示器左边移出的数值不保留；若再按“SW2”键一次，显示器上显示的数值保存，重新显示“学号”，LD1亮。④在显示“学号”，LD1亮的情况下，若按下SW1键一次，系统显示最后输入的4位数值供查询，LD3亮表示查询，此时不能对显示数值进行修改，5秒后自动重新显示“学号”，LD1亮；若在自动重新显示“学号”之前，按住SW1键不抬起，将暂停5秒计时，按键松开后恢复计时，从而推迟重新显示“学号”。
对上述的系统功能进行分析，“功能①”规定了系统上电后1秒内的行为，这此功能可归为上电复位初始化内容；分析其它功能，可将系统分解为3个工作状态：第1种状态为待机状态，(STA)=0，显示“学号”、LD1亮；第2种状态为赋值状态，(STA)=1，显示输入的值、LD2亮；第3种状态为查询状态，显示最后输入的4位数值、LD3亮。在待机状态下，系统只响应SW1和SW2的键前沿，若按SW2键1次则系统转入赋值状态，若按SW1键1次则系统转入查询状态；在赋值状态下，系统响应K0~9和SW2的键前沿，若按K0~9中的任一键则进行赋值，若按SW2键则系统转回待机状态；在查询状态下，系统只响应SW1的键状态，若按SW1键不松开则暂停5秒计时，推迟返回待机状态。由上面的分析可得到系统的状态转移表，如表4.1所示。
20
单片机原理实验 表4.1：状态转移表举例
状态 显示及执行任务 可响应的控制量及其作用 状态转移及其条件 有SW1键则转入查询状态 有SW2键则转入赋值状态 待机状态 显示“学号”(低SW1和SW2键前沿，用于(STA)=0 4位)、LD1亮。 控制状态转移。 赋值状态 显示当前的输入(STA)=1 值、LD2亮。 K0~9和SW2的键前沿，分有SW2键则返回待机状态 别用于赋值和状态转移。 计时到则返回待机状态 查询状态 最后输入的4位SW1的键状态，用于控制5(STA)=2 数值、LD3亮。 秒计时器工作。 根据状态转移表，可以容易得到系统程序流程图，如图4.3所示，部分主程序清单如下：
;====变量及常数定义段====
复位入口 INCLUDE \ ;添加变量等定义模块
;=============== ORG 0000H 初始化 LJMP MAIN
N ORG 000BH 4mS到? LJMP T0SER ;转T0中断服务子程序
Y ORG 0030H
清定时标志,4mSMAIN: INCLUDE \;添加初始化模块
定时重设；读键状MLOOP: JNB TF0,$ ;4mS到？
态及去抖处理；数 CLR TF0 ;清定时标志
码管动态显示 MOV TH0,#0F0H ;4mS定时重设 MOV TL0,#60H LCALL RDKEY ;调用读键状态及去抖处理 ??(如其它控制 LCALL DISP ;调用数码管动态显示 量读取等) MOV A,STA ;根据状态值散转相应模块 ANL A,#03H
根据状态值散转相 RL A
应模块 MOV DPTR,#MTAB JMP @A+DPTR STA=0 待机模块 MTAB: AJMP WORK0 ;转移到待机模块
STA=1 AJMP WORK1 ;转移到赋值模块
赋值模块 AJMP WORK2 ;转移到查询模块
STA=2 AJMP WORK0 ;冗余
查询模块 ;====待机模块==== WORK0: ???? 图4.3：系统程序流图 AJMP MLOOP
21
单片机原理实验
;====赋值模块==== WORK1: ???? AJMP MLOOP ;====查询模块==== WORK2: ???? AJMP MLOOP
;====其它非通用子程序==== ????;详见赋值模块细化的DSBUPT ;====T0中断服务子程序==== T0SER: RETI
;====通用子程序段====
INCLUDE \添加读键状态及去抖处理子程序 INCLUDE \添加数码管动态扫描显示子程序 END
由图4.3及上述主程序清单可见，一般情况下，采用模块化方法设计程序时，程序有以下三个特点。其一是，每个模块只有唯一的入口和唯一的出口。其二是执行各模块只有2种方法，或用调用指令调用子程序模块，完成特定任务后返回调用处；或根据状态值，用间接长转移指令散转至相应工作模块，各工作模块执行后用无条件转移指令回到程序主循环的起点MLOOP处。其三是不能使用无条件转移指令由一个工作模块直接转入另一模块；工作模块间的转移是只能通过修改状态值，在下一次主循环中自动转入所需模块，详见以下对“赋值模块”的细化和相应程序清单。
在本系统中，有2个数据是必须保存的，其一是“学号”的低4位，其二是键盘输入的4位数值，这2个数据都是双字节的压缩DCB码。为此，在内部RAM中开辟4个字节单元用于存储这2个数据，其中
在本系统中，由于系统比“实验三”复杂，需要定义更多的变量，如键状态字2字节KEY1和KEY2、键前沿字2字节EKEY1和EKEY2、14个键状态位、14个键前沿位等，因此可将变量及常数的定义独立为1个模块“VARDFN.ASM”。
上面，我们从系统的角度分析了系统的状态，得到了状态转移表和模块化的主程序流图，也对系统的所有变量、数据格式进行定义，在此基础上可进一步细化各工作模块。在3个工作模块中“赋值模块”相对最复杂，下面此模块为例来讨论模块的细化问题。由表4.1的状态转移表可得“赋值模块”的流程图，如图4.4所示，程序清单如下。
WORK1: MOV R0,#SNUM0 ;数据2送显缓 ACALL DSBUDT
22