单片机课程设计报告.docx
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单片机课程设计报告
单片机课程设计报告
班级：
计算机112班
姓名：
指导老师：
江西理工大学信息工程学院
2014/6/13
目录
一、引言1
二、设计要求2
三、题目分析2
四、硬件设计3
4.1关于AT89C513
4.1.1特性概述3
4.1.2管脚说明4
4.24×4矩阵键盘7
4.2.1矩阵式键盘介绍7
4.2.2键盘扫描原理8
4.3LED数码管9
4.4硬件连接11
五、软件设计12
5.1Keil12
5.2Proteus13
5.3程序流程图15
5.4源代码15
六、仿真结果19
心得体会22
参考文献22
题目:
4×4矩阵键盘
一、引言
随着21世纪的到来，资源危机接踵而至。
快速席卷整个国家，这一状况还将随着时间的推移和社会的发展而更加严重。
国家提倡资源节约型社会，资源危机已成为全球性的突出问题，利用科技手段缓解这一危机，将是人类主要的出路。
电子信息行业是人类社会的高科技行业之一，是设施现代化的基础，也是人类通往科技巅峰的直通路。
电子行业的发展从长远来看很重要，但最主要的还是科技问题。
国家设施的现代化的根本出路在于全面提高科技水平，现代的社会经营模式由传统模式向现代化、高科技模式转变，由粗放型向集约型方向转变，必须要求科技有一个大的发展，进行一次新的技术革命。
矩阵式键盘提高效率进行按键操作管理有效方法，它可以提高系统准确性，有利于资源的节约，降低对操作者本身素质的要求。
是它能准确、实时、高效地显示按键信息，以提高工作效率和资源利用率。
随着计算机技术和电子科技的迅猛发展，计算机和电子产品的价格日益降低，可靠性日益提高。
本文旨在设计一套能对按键信息进行自动实时显示的系
统。
矩阵式键盘乃是当今使用最为广泛的键盘模式，该系统以N个端口连接控制N*N个按键，即时在LED数码管上。
单片机控制的据这是键盘显示系统，该系统可以对不同的按键进行实时显示，其核心是单片机和键盘矩阵电路部分，主要对按键与显示电路的关系、矩阵式技术及设备系统的硬件、软件等各个部分进行实现。
4*4矩阵式键盘采用89C51单片机为核心，主要由矩阵式键盘电路、译码电路、显示电路等组成，软件选用汇编语言编程。
单片机将检测到的按键信号转换成数字量，显示于LED显示器上。
该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有更广阔的开发前景。
二、设计要求
（1）设计4×4矩阵键盘，共16个键；
（2）每个键位具有一个固定的键码，用十六进制表示为0H～FH；
（3）当按下一个键时用数码管显示其对应的键码。
三、题目分析
矩阵式键盘是当今使用最为广泛的键盘模式，该系统以N个端口连接控制N*N个按键，并通过单片机，显示在LED数码管上。
单片机控制键盘显示系统，可以对不同的按键进行实时显示，其核心是单片机、键盘矩阵电路和数码管显示电路。
4*4矩阵式键盘以AT89C51单片机为核心，主要由矩阵式键盘电路、显示电路等组成，软件选用C语言编程。
单片机将检测到的按键信号转换成数字量，显示于LED显示器上。
该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，广泛应用于各种场合。
每个按键有它的行值和列值 ，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。
矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和CPU通信。
每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻接VCC，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。
键盘处理程序的任务是：
确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。
两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。
四、硬件设计
系统模块图
4.1关于AT89C51
4.1.1特性概述
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图1AT89C51管脚图
AT89C51其具有以下特性：
（1）与MCS-51兼容
（2）4K字节可编程FLASH存储器
（3）寿命：
1000写/擦循环
（4）数据保留时间：
10年
（5）全静态工作：
0Hz-24MHz
（6）三级程序存储器锁定
（7）128×8位内部RAM
（8）32可编程I/O线
（9）两个16位定时器/计数器
（10）5个中断源
（11）可编程串行通道
（12）低功耗的闲置和掉电模式
（13）片内振荡器和时钟电路
AT89C51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O接口，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
4.1.2管脚说明
（1）VCC：
供电电压
（2）GND：
接地
（3）P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。
（4）P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
（5）P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
（6）P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
（7）ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
（8）PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
（9）/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
（10）XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
4.24×4矩阵键盘
4.2.1矩阵式键盘介绍
矩阵式键盘（或者叫行列式键盘）常应用在按键数量比较多的系统之中。
这种键盘由行线和列线组成，按键设置在行、列结构的交叉点上，行、列线分别接在按键开关的两端。
行列式键盘可分为非编码键盘和编码键盘两大类。
编码键盘内部设有键盘编码器，被按下键的键号由键盘编码器直接给出，同时具有防抖和解决重键的功能。
非编码键盘通常采用软件的方法，逐行逐列检查键盘状态，当有键按下时，通过计算或查表的方法获取该键的键值，通常，计算机通过程序控制对键盘扫描，从而获取键值，根据计算机扫描的方法可以分为定时扫描法和中断扫描法两种。
矩阵式键盘模式以N个端口连接控制N*N个按键，实时在LED数码管上显示按键信息。
显示按键信息，既降低了成本，又提高了精确度，省下了很多的I/O端口为他用，相反，独立式按键虽编程简单，但占用I/O口资源较多，不适合在按键较多的场合应用。
并且在实际应用中经常要用到输入数字、字母、符号等操作功能，如电子密码锁、电话机键盘、计算器按键等，至少都需要12到16个按键，在这种情况下如果用独立式按键的话，显然太浪费I/O端口资源，为了解决这一问题，我们使用矩阵式键盘。
本系统中的4*4矩阵式键盘结构简单，按键数较少，采用非编码式键盘，当有键按下时，由单片机通过程序扫描确定键值，并将获得的键值通过LED数码管显示出来，4*4矩阵式键盘结构及键值分布如下图：
4.2.2键盘扫描原理
（1）行扫描法
矩阵式键盘采用行列式结构，按键设置在行列的交点上。
当口线数量为8时，可以将根定义为行线，根定义为列线，形成4×4键盘可以配置1个按键。
矩阵式键盘的行线通过电阻接+5V。
当键盘上没有键闭合时，所有行线与列线是断开的，行线均呈高电平当键盘上某一键闭合时，该键对应的行线与列线短接，此时行线的状态将由被短接的列线的低电平所决定。
·判断有无键按下。
将列线设置为输出口，输出全0然后读行线状态，若行线均为高电平，则没有按键按下，若不全为高电平则有按键按下。
·判断按下哪个键。
先设置列线C0为低电平其余列线为高电平，读行线状态，如行线状态不全为1，则说明所按键在该列，否则不在该列其余类推。
·获得相应键号。
根据行号和列号算出按下键的键号：
键号=行首号+列号，行首号为行数乘以行号。
（2）线反转法
线反转法按键识别的根据是键号与键值的对应关系。
对于某一个按下的值，如2号键，首先使列线输出全0读行线，结果为E0H；然后使行线输出全0，读列线，结果为0BH。
两次读的结果拼成一个字节，即EBH该值为EBH。
4.3LED数码管
LED（发光二级管）显示器件是计算机控制控制系统中的廉价输出设备，它由多个发光二极管组成，能显示许多种字符。
由于制作材料不同，LED可以发出红、黄、篮、紫等各种单色光，一个发光二级管正常发光时的电流大约为10mA，本系统中使用的是七段共阴极LED数码管。
4*4键盘共有16个键，对其编号0~9，A~F，所以用一个7段数码管静态显示即可满足即时显示按键信息的要求。
所谓静态显示，就是当显示器件显示某个字符时，相应的显示段（发光二级管）恒定地导通或截止，直到显示另一个字符为止。
这种显示方式显示一个字符时，只需要微处理器送一次代码，因此占用机时少，而且显示稳定可靠，其缺点是，使用元器件相对较多，且线路比较复杂，相对而言成本较高，比较适合显示位数较少的情况。
表1.共阴极7段LED显示器件所能显示的部分字符与7段控制显示代码的对应关系
显示字符
控制显示代码（十六进制）
显示字符
控制显示代码（十六进制）
1
06
A
77
2
5B
B
7C
3
4F
C
39
4
66
D
5E
5
6D
E
79
6
7D
F
71
7
07
H
76
8
7F
P
73
9
6F
-
40
0
3F
不显示
00
4.4硬件连接
（1） 把“单片机系统“区域中的P3.0－P3.7端口用8芯排线连接到“4X4行列式键盘”区域中的C1－C4 R1－R4端口上；
（2） 把“单片机系统”区域中的P0.0/AD0－P0.7/AD7端口用8芯排线连接到“四路静态数码显示模块”区域中的任一个a－h端口上；要求：
P0.0/AD0对应着a，P0.1/AD1对应着b，……，P0.7/AD7对应着h。
硬件连接图
五、软件设计
5.1Keil
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面，并将这些部分组合在一起。
其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。
KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
C51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。
开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。
然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件（.OBJ）。
目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）。
ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。
使用独立的Keil仿真器时的注意事项有：
仿真器标配11.0592MHz的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。
仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。
仿真芯片的31脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM（其CPU的/EA引脚接至低电平）的目标系统中使用。
5.2Proteus
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
广泛应用于各个领域。
Proteus为用户提供了丰富的资源，主要有：
1．Proteus可提供的仿真元器件资源：
仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。
2．Proteus可提供的仿真仪表资源：
示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。
理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。
3．除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。
这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。
这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。
4．Proteus可提供的调试手段Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。
这些测试信号包括模拟信号和数字信号。
在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：
*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。
PROTEUS是单片机课堂教学的先进助手。
PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。
前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。
它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。
这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：
元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。
随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。
它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。
可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。
相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用。
使用Proteus软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用Proteus开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。
实践证明，在使用Proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。
因此，Proteus有较高的推广利用价值。
5.3程序流程图
5.4源代码
#include
unsignedcharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,
0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f,0x77,0x7c,
0x39,0x5e,0x79,0x71};
unsignedchartemp;
unsignedcharkey;
unsignedchari,j;
voidmain（void）
{
while
（1）
{
P3=0xff;
P3_4=0;
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
if（temp!
=0x0f）
{
for（i=50;i>0;i--）
for（j=200;j>0;j--）;
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
if（temp!
=0x0f）
{
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
switch（temp）
{
case0x0e:
key=3;
break;
case0x0d:
key=2;
break;
case0x0b:
key=1;
break;
case0x07:
key=0;
break;
}
temp=P3;
P0=table[key];
temp=temp&0x0f;
while（temp!
=0x0f）
{
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
}
}
}
P3=0xff;
P3_5=0;
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
if（temp!
=0x0f）
{
for（i=50;i>0;i--）
for（j=200;j>0;j--）;
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
if（temp!
=0x0f）
{
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
switch（temp）
{
case0x0e:
key=7;
break;
case0x0d:
key=6;
break;
case0x0b:
key=5;
break;
case0x07:
key=4;
break;
}
temp=P3;
P0=table[key];
temp=temp&0x0f;
while（temp!
=0x0f）
{
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
}
}
}
P3=0xff;
P3_6=0;
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
if（temp!
=0x0f）
{
for（i=50;i>0;i--）
for（j=200;j>0;j--）;
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
if（temp!
=0x0f）
{
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
switch（temp）
{
case0x0e:
key=11;
break;
case0x0d:
key=10;
break;
case0x0b:
key=9;
break;
case0x07:
key=8;
break;
}
temp=P3;
P0=table[key];
temp=temp&0x0f;
while（temp!
=0x0f）
{
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
}
}
}
P3=0xff;
P3_7=0;
temp=
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