图3-3 单片机最小系统
3.3 矩阵键盘设计
一组键或者一个键盘，需要通过接口电路和CPU相连接，CPU可以采用查
询接口或者中断的方式了解有没有键被按下，并检查是哪个键被按下。无论是查询方式还是中断方式都要用到单片机的I/O口。由于单片机I/O口较少的原因，当系统中需要用到较多按键时，为了能够更合理更有效地利用单片机的I/O口，一般采用矩阵键盘的方式来实现多按键的功能。
图3-4是4x4矩阵键盘在PROTEUS中的电路原理仿真图。
图3-4 4x4矩阵键盘
矩阵键盘又叫做行列式键盘。行列式键盘的硬件结构比较简单，由行输出口和列输出口构成行列式键盘，按键设置在行、列交点上。图3-4中，P1.0～P1.3是行输出口，P1.4～P1.7是列输出口。行输出口和列输出口不相交，只有当键被按下时相应的行和列才能相连。如此，只要检测行和列是否相连就可以知道是否有键按下。
由于按键设置在行、列线交点上，行、列分别连接到按键开关的两端，平时无键按下时，行线处于高电平，假设列线为低电平，当有键按下时，按下的键就会将相应的行和列连通，使得对应的行线被列线拉低，也变为低电平。这就是识别矩阵键盘是否有键被按下的关键。
当确定有键被按下时，通过逐行扫描，读出I/O口的值可以知道哪一行的值被改变了，被改变了的行即是被按下的按键所在行。同时，由于每个键都有它的行值和列值，行值和列值得组合就是这个按键的编码，当算法一定时，每个按键的编码是固定的，且各个按键的编码互不相同，所有通过读I/O的值还能具体知道是哪一个键被按下，这样就实现了键盘的识别。
3.4 LCD显示模块设计
在单片机应用系统中，常用的显示设备有单个发光二极管、八段LED
显示器、液晶显示器（LCD）、屏幕显示器（CRT）等。在本次设计中，基于设计所要实现的功能和节约成本等实际情况，我采用LCD1602作为本次设计的显示器。
LCD1602是一种字符型液晶显示器，是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式液晶显示器。LCD1602的显示容量为16x2个字符（可以显示2行，每行显示16个字符），芯片工作电压为4.5～5.5V，工作电流为2.0mA（5.0V），模块最佳工作电压是5.0V。
LCD1602具有16个引脚，如表3-1所示。在LCD1602的有关设计中，主要是通过编写程序控制LCD1602的4、5、6引脚来实现数据或者指令的写入和执行，再通过数据或者指令的写入和执行来进一步实现LCD1602的显示功能。
表3-1是LCD1602的16个引脚和引脚对应功能。
表3-1 LCD1602引脚说明
引脚号 引脚名 功能 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 VSS VCC VEE RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 A K 电源地 电源（+5V） 对比调整电压 0：输入指令；1：输入数据 0：向LCD写指令或者数据；1：从LCD读取信息 使能信号，1：读取信息，1→0：执行命令 数据总线（最低位） 数据总线 数据总线 数据总线 数据总线 数据总线 数据总线 数据总线（最高位） LCD背光电源正极 LCD背光电源负极 作为一个字符型液晶显示器，LCD1602内部自带有一个字符发生存储器，此字符发生存储器就相当于一个字符集。LCD1602的字符集中存有160个不同的字符，这些字符包括了英文大小写字母、阿拉伯数字、标点符号等一些经常用到的字符。字符集中的每一个字符都对应有一个固定的ASCII码值，通过显示ASCII码对应的字符图像就能够实现对应字符的显示。
图3-5是PROTEUS中显示模块的仿真图。
由于LCD要正常工作必须提供足够的电流，因此在实际应用为了保证显示器能够正常工作，应在数据端口接一上拉电阻。图3-5中RP1同时还是P0口的上拉电阻。
图3-5 LCD模块仿真图
3.5 掉电存储模块
3.5.1 I2C总线
I2C总线为同步串行数据传输总线，用于单片机的外围扩展。I2C总线
上所有的外围器件都有规范的器件地址，器件地址有7位组成，它和1位方向为构成了I2C总线器件的寻址字节。寻址字节格式如下：
表3-2 I2C寻址格式
D7
D6 D5 D4 A2 A1 A0 R/W ——D7～D4是I2C总线的器件地址，由厂家在器件出厂时给定,对于AT24C
——
系列固定为1010。A2～A0根据电路中A2，A1，A0引脚接电源或者接地而不同，接地则相应位为0，接电源则相应位为1。R/W位为I2C总线的数据方向位，决定I2C总线的数据传送方向，高电平为接收，低电平为发送。
图3-6为I2C总线的数据传送时序。
SDA SCL 1 起始信号 2 3 4 5 6 7 8 9 ACK P 停止信号
图3-6 I2C总线数据传送时序
起始信号：时钟线SCL为高电平，数据线SDA出现由高向低的负跳变
时，启动I2C总线。
停止信号：时钟线SCL为高电平，数据线SDA出现由低向高的正跳变
时，停止I2C总线。
应答信号位ACK：I2C总线进行数据传送时，每成功传送一个字节的数
据后，接收器件都必然产生一个应答信号，即在第9个时钟周期时将SDA线拉低，表示其已经成功接收到一个8个数据。图3-6中的第9个时钟脉冲对应于应答位。应答位对应的数据线SDA上是低电平时为应答信号，是高电平则为非应答信号。为非应答信号时，证明器件没有成功接收到一个8位数据。
数据传送位：图3-6中的第1～8个时钟脉冲为一个字节的8位数据传
送位。脉冲为高电平时，串行传送数据；脉冲为低电平时，不传送数据，允许总线上数据线SDA的电平发生变化。在I2C数据传输过程中，只有当SCL为低电平时才允许SDA变化，当SCL为高电平时，不允许SDA电平改变。当然，起始信号和停止信号是例外。因此，当SCL为高电平时，SDA的变化被看成是起始信号或者停止信号。