4 4扫描式矩阵键盘设计

湖南科技大学

单片机课程设计

题目___ 4*4矩阵键盘____ 姓名_______杨泽伟______ 学院____机电工程学院____ 专业___测控技术与仪器___ 学号_____0703030204_____ 指导教师________戴巨川_______ 成绩____________________

二〇一二年五月二十九日制

摘要

随着21世纪的到来，电子信息行业将是人类社会的高科技行业之一，式设施现代化的基础，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。

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。是它能准时、实时、高效地显示按键信息，以提高工作效率和资源利用率。

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，显示在LED数码管上。单片机控制依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AT89C51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，将会有更广阔的开发前景。

目录

第一章：系统功能要求--------------------------------------------------------

1.1 4*4 矩阵式键盘系统概述------------------------------------------------

1.2 本设计任务和主要内容--------------------------------------------------- 第二章：方案论证--------------------------------------------------------------- 第三章：系统硬件电路的设计------------------------------------------------ 3.1 单片机控制系统原理-----------------------------------------------------

3.2 原理图绘制说明---------------------------------------------------------- 3.3 画出流程图----------------------------------------------------------------

3.4 原理图绘制--------------------------------------------------------------- 第四章：系统程序的设计------------------------------------------------------

4.1 程序的编写步骤----------------------------------------------------------- 4.2 编写的源程序-------------------------------------------------------------- 第五章：调试及性能分析------------------------------------------------------

第六章：心得体会---------------------------------------------------------------

参考文献----------------------------------------------------------------------------

第一章：系统功能要求

1.1 4*4 矩阵式键盘系统概述

AT89C51单片机对4*4矩阵键盘进行动态扫描，当有按键盘的键时，可将相应按

键值（0~F ）实时显示在数码管上。

由p1.0—p1.3(列)和p1.4—p1.7（行）组成4*4矩阵键盘，p0口接LED 静态显示电路。由于p0口内部无上拉电阻，因此必须外部接上上拉电阻，其值的选择可以根据LED 数码管发光电流及其亮度来决定。

通过编写4*4键盘的驱动程序，当有键盘按下时，能够在数码管显示器与按键的键值对应的数字。

最常见键盘布局如下图1.1所示。一般由16个按键组成，在单片机中正好可以用一个p 口实现16个按键功能，这也是单片机系统中最常见的形式，本设计就采用这个键盘模式。

图1.1

1.2 本设计任务和主要内容

本论文主要研究单片机控制的键盘识别显示系统，分别对按键信息和显示电路以及软、硬件各个部分进行研究。 主要内容如下：

1.2.1 根据矩阵式键盘的特点，进行键盘控制系统的整体研究与设计；

1.2.2 熟练掌握protues 软件的使用，并能够按要求对设计的电路进行仿真，实现相应的功能；

1.2.3 LED 实时显示按键的信息；

1.2.4 采用软件编程的方法实现按键信息的提取和显示。

0 1 6 7 3 2 4 5 B D

9 E

A F

8 C

第二章：方案论证

2.1 用proteus 仿真软件进行仿真

2.1.1 按照设计任务在proteus 7professional 中绘制电路原理图。

2.1.2 根据设计任务的要求编写程序，画出程序流程图，并在proteus下进行仿真，实现相应功能。

2.1.3 以AT89C51为核心，设计系统硬件电路，并根据所设计的电路制作实物。

第三章：系统硬件电路的设计

3.1 原理图绘制说明

3.1.1 用AT89C51单片机对4*4矩阵键盘进行动态扫描，当按键盘的键时，可以将相应的按键值（0~F）实时显示在数码管上。4*4矩阵键盘是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线，在行线和列线的交叉点上设置一个按键，每个按键有它的行值和列值。

3.1.2 在“单片机系统”区域中，把单片机的P1.0－P1.7端口通过8联拨动拨码开关连接到“4×4行列式键盘”区域的相应端口上。

3.1.3 在“单片机系统”区域中，把单片机的P0.0－P0.7端口连接到“静态数码显示模块”区域中的任何一个a－g端口上；要求：P0.0对应着a，P0.1对应着b，……，P0.6对应着g。

3.2 画出流程图

流程开始先对第一列进行扫描，如果没有按键，再对第二列、第三列、第四列分别进行扫描，如果没有返回到开始；如果第一列有按键，分别对第一行、第二行、第三行、第四行进行扫描，若有按键按下分别显示0、1、2、3；第二列、第三列、第四列类似第一列，分别对第一行、第二行、第三行、第四行进行扫描，有按键相应的显示出数值。

判断有无按键按下的方法是：

第一步，置列线P1.4—P1.7为输入状态，从行线P1.0—P1.3输出低电平，读入列线数据，若某一列线为低电平，则该列线上有键闭合。

第二步，行线轮流输出低电平，从列线P1.4—P1.7读入数据，若有某一列为低电平，则对应行线上有按键按下。

综合一二两步的结果，可以确定按键的编号。

但是键闭合一次只能进行一次键功能操作，因此必须等到按键释放后，再进行键功能操作，否则按键一次，有可能会连续多次进行同样的操作。

流程图如下:

Y

N

N

N

Y N Y Y

图3.1

3.3 原理图绘制

3.3.1 打开protrus 仿真软件，进入主界面，然后新建一个图纸文件，软件默认为A4纸张，符合我们的要求，所以不需要修改。

3.3.2 开始绘图，点击按钮P ，弹出选择添加的器件框图，在Keywords 里直接输入所需器件的名称或者在Category 的下面各个选项里一次查找所需的器件名称，然后点击ok 将所需器件添加进去。

扫描一行

该行该列是否有按键按下 扫描下一行

扫描下一行

延时去抖

扫描下一行

四列全部扫描完？

四行全部扫描完？

返回表示无键按下

扫描下一行 开 始

再次扫描原列

是否与原值相符？

释放按键

根据行列号求键值

返 回

扫描一列

根据键值查询数码显示值表

3.3.3 依次添加AT89C51芯片，共阳极的7段数码管，16个按键，8个电阻R0~R7，一个晶片，3个电容，地及电源。

3.3.4 按照设计的要求正确的连接电路，连接时注意管脚的分配及AT89C51的工作原理。

3.3.5 对连接好的电路图进行仿真，如果有错误要先按下暂停，然后对电路进一步的调整与修改，再进行仿真，保存原理图文件。

用protrus仿真软件所画的仿真图如下：

图3.2 仿真原理图

第四章：系统程序的设计

4.1 程序的编写步骤

4.1.1 判断是否有键按下；

4.1.2 识别被按下的键；

4.1.3 查数码显示编码表；

4.2 编写的源程序

#include

#define uchar unsigned char //数据类型的宏定义

#define uint unsigned int //数据类型的宏定义

sbit P07=P2^1;

Unsigned; chart code

table[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6, 0xA1,0x86,0x8E,0xBF};

//共阳数码管显示字型码数组 1011 1111 "-"

void delay1ms(uint i)

{

uchar j;

while(i--)

{

for(j=0;j<115;j++) //1ms基准延时程序

{

;

}

}

}

void display(unsigned char i)

{

P07=1; //选通最有端的数码管显示

P0=~table[i]; //显示i参数传来的字型码

}

void main(void)

{

unsigned char temp;

display(16); //初始显示 "-"

while(1)

{

//P1=0xff; //先向P1口写1；端口读状态

P1=0xf0;

temp=P1;

if(temp!=0xf0)

{

delay1ms(15);

if(temp!=0xf0)

{

P1=0xfe;

temp=P1;

switch(temp)

{

case(0xee):display(0);break;

case(0xde):display(4);break;

case(0xbe):display(8);break;

case(0x7e):display(12);break;

}

P1=0xfd;

temp=P1;

switch(temp)

{

case(0xed):display(1);break;

case(0xdd):display(5);break;

case(0xbd):display(9);break;

case(0x7d):display(13);break;

}

P1=0xfb;

temp=P1;

switch(temp)

{

case(0xeb):display(2);break;

case(0xdb):display(6);break;

case(0xbb):display(10);break;

case(0x7b):display(14);break;

}

P1=0xf7;

temp=P1;

switch(temp)

{

case(0xe7):display(3);break;

case(0xd7):display(7);break;

case(0xb7):display(11);break;

case(0x77):display(15);break;

}

}

}

}

}

第五章：调试及性能分析

5.1 仿真结果：将此程序在汇编器中生成的“.hex”文件，导入AT89C51芯片中，用鼠标右键点击AT89C51，然后点鼠标左键，弹出编辑元件的框图，在programfile里添加.hex文件，再点OK。

5.2 点击“开始”按键，进行仿真，点击右边4*4按键，则数码管显示0~F，仿真结果符合实验要求，仿真结果如下图所示：

图5.1 仿真结果显示图（图中显示4）

5.3 系统实现的功能

5.3.1 基本功能：通过键盘输入，在数码管上显示相应的数值；

5.3.2 功能优势：键盘输入，单片机控制，数码管显示，在数码管连接方面克服了共阳极数码管显示不清晰的困难。

第六章：心得体会

通过本次单片机课程设计，我不仅加深了对单片机理论知识的理解，学会了学以致用的重要性；而且还学会了如何去加强锻炼创新精神，同时也提高了自身的动手能力，让我深刻的意识到理论与实际结合的重要性。

在本次设计过程中，虽然设计的题目不是很难，但在实际操作过程当中也遇到了不少困难，通过遇到的困难也让我不断地去查找资料，不断地区询问同学，不断地去开动自己的脑子，从而也不断地超越自我，让自己的知识能够得到不断地完善；同时更重要的是，在这一设计过程当中，让我懂得了在学习的道路上会遇到很多的阻碍，但关键的是能做到坚持不懈，不轻易放弃；最终达到自己想要的目标。

单片机的学习对于我们专业来说非常的重要，通过本次设计也让我更加清晰了对专业的了解，理论知识再丰富，没有实际的操作经验也是不行的；本次设计也运用到了proteus仿真软件，由于之前没有学过该仿真软件，所以在操作的过程中遇到了很多困难，但庆幸的是通过不断的学习，对proteus软件也有了很大的了解，也学会了一些简单的操作，所以也让我意识到，如果你想学好，通过自己的努力就一定会学好。

当然在本次设计过程中，也遇到了很多的困难，比如很多关于单片机的基础知识学的不是很好，对最小系统也不是很了解；也由于时间有点紧，还要制作实物，很多需要动手的实际操作都是第一次接触，所以可能本次的设计并没有达到自己预期的目的，但通过本次设计也让我更加明白了结果并不是那么的重要，我们更应该注重的是过程。当然在设计过程中也少不了团队的合作，要是没有团队的帮助，我想我一个人也不可能在短时间内完成设计要求；所以在此也要感谢在设计中给予我帮助的指导老师和同学们。

参考文献

【1】李朝青等；单片机原理及串口外设接口技术；北京航空航天大学出版社，2008年1月；【2】姜志海、刘连鑫；单片机微型计算机原理及应用；北京；机械工业出版社；

【3】洪志刚等；单片机应用系统设计；北京；机械工业出版社；

【4】王秋爽、曾绍龙等；单片机开发基础与经典设计实例；北京；机械工业出版社；

【5】赵星寒等；从0开始教你学单片机；北京；北京航空航天大学出版社；

四、文字编印与排版要求

4.1 页面要求

4.1.1 页面

设计（论文）需用A4纸（210 mm×x297 mm）印刷，页眉20 mm、页脚15 mm，上页边距为30 mm，左、右、下页边距为25 mm。

4.1.2 页眉

从目录页开始往后须有页眉，为“湖南科技大学本科生课程设计（论文）”。页眉五号宋体，居中。

4.1.3 页码

前置部分的目录用罗马数字编写页码，格式为“-i-”、“-ii-”、“-iii-”……等。正文第一页往后各部分用阿拉伯数字连续编写页码。格式为“-1-”、“-2-”、“-3-”……等，页码置于页脚，均用五号Times New Roman字体，居中放置。

4.2 正文字体和字号及段落

各章题序及标题：宋体加粗，小二号，段前段后各空0.5行；

各节的题序及标题：宋体加粗，四号，段前段后各空0.5行；

各条的题序及标题：宋体加粗，小四号，段前段后各空0.5行；

款、项及标题：均采用宋体加粗，小四号，段前段后不空行，1.25倍行距，首行缩进2字符，与内容同行；

内容：用宋体，小四号，段前段后不空行，1.25倍行距，首行缩进2字符。

4.3 正文层次

正文层次的编排建议用以下格式：

章第三章※※…※

……内容1、每章（或附录）另起页，章编号用大写数字。

节X.1 ※※…※

……内容2、节标题顶格，X为阿拉伯数字的章编号。

条X.1.1 ※※…※

……内容3、条标题顶格，X为阿拉伯数字的章编号。

款、项（1）※※…※……内容4、款（项）标题空2格起排。

内容……内容5、各层次题序及标题不得置于

页面的最后一行（孤行）。

4.4 公式编排

公式原则上居中书写。公式序号按章编排，如第一章第1个公式序号为“（1.1）”，如附录A中的第一个公式为“（A.1）”等。公式中第一次出现的物理量应给予注释。

文中引用公式时，一般用“见式（1.1）”或“由公式（1.1）”。

公式较长时最好在等号“=”处转行，如难实现，则可在＋、－、×、÷运算符号处转行转行时运算符号书写于转行式前。

公式序号的右侧符号与右边线顶边排写，公式序号与对应的公式用点线连接。

4.5 插表编排

一律使用三线表。表格不加左、右边线。表序按章编排，如第一章第1个插表的序号为“表1.1”等。表序与表名之间空一格，表名中不允许使用标点符号，表名后不加标点。表序与表名置于表上，居中书写。

表头设计应简单明了，起行空一格、转行顶格、句末不加标点。

全表如用同一单位，将单位符号移至表头右上角，加圆括号。

表中数据应正确无误，书写清楚。数字空缺的格内加“－”字线（占2个数字），不允许用“＂”、“同上”之类的写法。

4.6 插图编排

插图应与文字紧密配合，文图相符，技术内容正确，编排美观。选图要力求精练。插图应符合国家标准及专业标准。

每个图均应有图题（由图号和图名组成）。图号按章编排，如第一章第1图的图号为“图1.1”等。

插图处的空白页不够排写该图整体时，可将其后文字部分提前排写，将图移至次页最前面。

4.7 参考文献

参考文献书写格式应符合GB7714-87《文后参考文献著录规则》。常用参考文献编写项目和顺序规定如下（所有标点符号均为半角）：

参考文献（4个字居中，宋体四号加粗），具体文献条目每条另起行，顶格，用五号宋体。