3.3.6键盘接口
在单片机的应用系统中，通常都有人—机对话功能。它包含人对系统的状态干预、数据的输入以及应用系统向人报告运行状态与运行结果等。键盘成为人—机联系的必要手段，此时需要配置适当的键
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盘输入设备。
3.3.6.1 键盘工作原理
键盘中的每个按键都是一个常开的开关电路，当所设置的功能键或数字键按下时，则处于闭合状态。对于一组键或一个键盘，需要通过接口电路与单片机相连，以便将键的开关状态通知单片机。单片机可以采用查询或中断方式检查有无键的输入以及是哪个键被按下，并通过转移指令转入执行该键的功能程序，执行完再返回到原始状态。
3.3.6.2 独立式按键
独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线的工作状态都不会影响其他I/O口线的工作状态。
3.3.6.3行列式键盘
独立式按键电路每一个按键开关占用一根I/O口线。当按键数较多时，要占用较多的I/O口线。因此，在按键数大于8时，通常采用行列式（也称“矩阵式”）键盘电路。最简单的键盘，每个键对应I/O端口的一位，没有什么键闭和时，各位均处于高电位。当有一个键按下时，就是对应位接地而成为低电位，而其它位仍为高电位。这样，CPU只要检测到某一位为“0”，便可判别出对应键已经按下。但是，当键盘上的键较多时，引线太多，占用的I/O端口也太多。比如，一个有64个键的键盘，采用这种方法来设计时，就需要64条连线和8个8位并行端口。所以，这种简单结构只用在仅由几个键的小键盘中。通常使用的键盘结构是矩阵式。设有m * n个键盘，那么，采用矩阵式结构以后，便只要条引线就行了。比如，有m + n 个键，那么，只要用两个并行端口和16条引线便可以完成键盘的连接。 3.3.6.4显示接口
为了方便人们观察和监视单片机运行情况，通常需要利用显示器作为单片机的输出设备，以显示单片机的键输入值、中间信息以及运算结果等。
在单片机应用系统中，常用的显示器主要有LCD（液晶显示器）和LED（发光二极管显示器）。这两种显示器都具有耗电省，配置灵活，线路简单，安装方便，耐振动，寿命长等优点。
3.3.6.5 液晶显示器
液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)是一种极低功耗的显示器。由于其具有清晰度高，信息量大等特点，从而使得它越来越广泛地应用在小型仪器的显示中。
把LCD与驱动器组装在仪器的部件的英文名称为LCD Module，简称LCM。LCM一般分为三类，即段码型液晶模块、点阵字符液晶模块和点阵图形液晶模块。
3.3.6.6 LED点阵显示屏
LED点阵显示屏的构成型式有多种，其中典型的有两种。一种把所需展示的广告信息烧写固化到EPROM芯片内，能进行固定内容的多幅汉字显示，称为单显示型；另一种在机内设置了字库、程序库，
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具有程序编制能力，能进行内容可变的多幅汉字显示，称可编程序型。
目前，国内的LED点阵显示屏大部分是单显示型，其显示的内容相对较少，显示花样较单一。一般在产品出厂时，显示内容就已写入显示屏控制系统中的EPROM芯片内，当需要更换显示内容时就非常困难，这样使该类型的显示屏使用范围受到了限制。国内的另一种LED显示屏——可编程序型LED显示屏，虽然增加了显示屏系统的编程能力，显示内容和显示花样都有所增加，但也存在着更换显示内容不便的缺点。随着社会经济的迅速发展，如今的广告牌都存在着显示内容丰富、信息量大、信息更换速度快等特点。因此传统的LED显示屏控制系统已经越来越不能满足现代广告宣传业的需要。而利用PC机
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通信技术控制LED显示屏，则具有显示内容丰富，信息更换灵活等优点。
① 8*8点阵
为8×8单基色点阵的结构图，从内部结构可以看出8×8点阵共需要64个发光二极管，且每个发光二极管是放置在各行和列的交叉点上。当对应的某一列置高电平，另一列置低电平时，则在该行和列的交叉点上相应的二极管就亮。
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8×8点阵LED外观及引脚图，其等效电路如图9所示，只要其对应的X、Y轴顺向偏压，即可使
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LED发亮。例如如果想使左上角LED点亮，则Y0=1，X0=0即可。应用时限流电阻可以放在X轴或Y轴。
②8*8点阵显示原理
从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。8*8的点阵共有64个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，如果我采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，8*8的点阵需要64/8=8个锁存器。这个数字很庞大，因为我们仅仅是8*8的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数
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字。因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另外一种称为动态扫描的显示方法。
动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如8行）的同名列共用一套驱动器。具体就8*8的点阵来说，把所有同1行的发光管的阳极连在一起，把所有同1列的发光管的阴极连在一起（共阳极的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，第8行之后，又重新燃亮第1行，反复轮回。当这样轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能够看到显示屏上稳定的图形了。
采用扫描方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动器。显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目
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多。当列数很多时，并列传输的方案是不可取的。
采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给列驱动器，只有当一行的各列数据都以传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输）和列数据显示两部分。对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下留给行显示的时间就太少了，以致影响到LED的亮度。解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。即在显示本行各列数据的同时，传送下一列数据。为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有所存功能。经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。
注：总硬件电路图见附录B。
3.4 外围电路设计
3.4.1 控制器AT89C51
复位电路：
RST引脚是复位信号输入端，高电平有效。采用上电加按钮复位，因为本系统设计考虑到该系统比较重要，所以除了采用上电复位的方式外，应该还有按钮复位备用复位方式以防止系统死机时能。如下图3.9所示：
图3.9上电复位和按键复位
时钟电路：
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时钟是时序的基础，AT89C51核片内由一个反相放大器构成振荡器，可以由它产生时钟，时钟可以由两种方式产生内部方式和外部方式。本系统采用内部方式，在XTAL1和XTAL2端外接石英晶体作为定时元件，内部反相放大器自激振荡，产生时钟。时钟发生器对振荡脉冲二分频。电容采用30pF电容。如下图3.10所示：
图3.10内部时钟电路
3.4.2 键盘电路设计
1、 键的识别
为了识别键盘上的闭合键，通常采用两种方法，一种称为行扫描法，另一种称为行反转法。 （1）行扫描法的原理 ：
行扫描法识别闭合键的原理如下：先使第0行接地，其余行为高电平，然后看第0行是否有键闭合，这是通过检查列线电位来实现的，即在第0行接地时，看是否有条列线变成低电平。如果有某条列线变为低电平，则表示第0行和此列线相交位置上的键被按下；如果没有任何一条列线为低电平，则说明第0行上没有键被按下。此后，再将第1行接地，，然后检测列线中是否有变为低电平的线。如此往下逐行扫描，直到最后一行。在扫描过程中，当发现某一行有键闭合时，也就是列线输入中有一位为0时，便在扫描中途退出，而将输入值进行移位，从而确定闭合键所在的列线位置。根据行线位置和列线位置便能再扫描法来确定具体位置。将行线和一个并行接口相接，CPU每次使并行输出接口的某一位为0，便相当于将某一行线接地，而其他位为1，则相当于使其他行线处于高电平。为了检查列线上的电位，将列线和一个并行输入输出口相接，CPU只要读取输入输出口中的数据，就可以设法判别出第几号键被按下。
（2）程控扫描法
从上面的原理中知道，程控扫描法是由程序控制键扫描的方法。程控扫描的任务是：
①首先判断是否有键按下。其方法是使所有的行输出均为低电平，然后从端口A读入列值 。如果没有键按下，则读入的列值为FFH；如果有键按下，则读入的列值不为FFH。
②去除键抖动。若有键按下，则延时5～10ms，再一次判断有无键按下，如果此时仍有键按下，则认为键盘上有一个键处于稳定闭合期。
③若有键闭合，则求出闭合键的键值. 求键值的方法是对键盘逐行扫描。
（3）行反转法的原理。
行反转法也是识别闭合键的常用方法，它的原理如下所述。这了叙述方便，以4×4=16键的键盘为例。图3.11是行反转法的工作示意图：
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图3.11行反转法连接图
从图中可以看到，用行反转法识别闭合键时，要将行线接一个并行口，先让它工作为输出方式，将列线接到一个并行口，先让它工作在输出方式。程序使CPU通过输出端口往各行线上全部送低电平，然后读入列线的值。如果此时有某一个键被按下，则必定会使某一列线值为0，然后，程序再对两个并行端口进行方式设置，使接行线的并行端口工作在输出方式，而使接列线的并行端口工作在输出方式，并且将刚才读得的列线值从所接的并行端口输出，再读取行线的输入值，那么，在闭合键所在的行线上的值必定为0。这样，当一个键被按下时，必定可以读得一对唯一的行值和列值。在键盘设计时，除了以键码的识别以外，还有抖动问题需要解决。
有软件方法可以很容易解决抖动问题，这就是通过延迟来等待抖动消失，这之后，再读入。
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4 系统软件设计
4.1程序设计语言的介绍
单片机能执行的程序可以用很多种语言编写。从语言结构及其与单片机的关系两方面可分为三大类：分别是机器语言、汇编语言和高级语言。
机器语言
机器语言是一种用二进制代码“0”和“1”表示指令和数据 的最原始的程序设计语言。由于计算机只能识别二进制代码，因此，这种语言与计算机的关系最为直接，计算机能够快速识别并立即执行，响应速度最快。但这种语言编写程序非常繁琐、费时，且不易看懂，不便记忆，容易出错。
汇编语言
汇编语言是一种用助记符来表示的面向机器的程序设计语言。不同的机器所使用的汇编语言一般是
不同的。这种语言比机器语言更加直观、易懂、易用，且便于记忆。但是由于不同机器的汇编语言不同，这种语言有一定的局限性，移植性差。
高级语言
高级语言是一种面向过程且独立于计算机硬件结构的通用计算机语言。目前在单片机应用最广泛的是C语言。
4.2主函数程序设计
一个完整的程序中只有一个main函数，首先调用初始化函数进行初始化，然后判断并调用显示子程序使液晶1602显示、蜂鸣器鸣响报警。程序流程如图4.1所示。
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