代码收藏家技术教程 2024-12-18

基于 51 单片机的并行输出矩阵式按键显示器制作

摘要： 本文详细介绍了基于 51 单片机制作并行输出矩阵式按键显示器的全过程。该装置整合了矩阵式按键输入与显示输出功能，在工业控制、人机交互等领域有着广泛应用。文中阐述了系统的硬件设计原理、软件编程思路以及制作过程中的注意事项，旨在为单片机爱好者和相关工程技术人员提供一个实用的制作参考范例，帮助其深入理解 51 单片机在实际项目中的应用。

一、引言

在现代电子设备中，人机交互界面的设计至关重要。矩阵式按键显示器作为一种常见的人机交互组件，能够实现多个按键输入与信息显示的功能，且具有结构紧凑、节省端口资源等优点。基于 51 单片机的并行输出矩阵式按键显示器制作，不仅能让我们深入了解单片机的 I/O 控制与数据处理能力，还能为后续开发更复杂的人机交互系统奠定基础。

二、系统设计原理

矩阵式按键原理
矩阵式按键采用行列扫描的方式来检测按键动作。以 4×4 矩阵式按键为例，将 16 个按键排列成 4 行 4 列的矩阵形式。通过单片机的 8 个 I/O 口分别连接矩阵的 4 行与 4 列。当没有按键按下时，所有行线与列线之间均处于断开状态。当有按键按下时，对应的行线与列线导通，通过逐行或逐列扫描，给行线或列线施加电平信号，然后检测列线或行线的电平变化，即可确定是哪个按键被按下。例如，先将第一行行线置为低电平，其余行线置为高电平，然后检测列线电平，如果某一列线变为低电平，则说明该列与第一行交叉处的按键被按下；接着依次扫描其他行，即可完成整个矩阵式按键的检测。
显示原理
显示部分采用常见的数码管或液晶显示屏（LCD）。以数码管为例，若采用共阳极数码管，其 8 个段选引脚（a – dp）分别连接到单片机的 8 个 I/O 口，用于控制数码管显示的字符形状；另外，还需要若干个 I/O 口用于位选控制，即选择要显示的数码管。通过动态扫描的方式，快速切换不同位数码管的显示，利用人眼的视觉暂留效应，使多个数码管看起来像是同时显示。例如，若有 4 个数码管，先选择第一位数码管，输出其对应的段选数据，然后延时一段时间（一般为 1 – 5 毫秒），再选择第二位数码管，输出其段选数据并延时，依次类推，循环扫描，实现多位数码管的动态显示。对于液晶显示屏，则需要根据其特定的控制指令和时序，通过单片机的 I/O 口向其发送数据和命令，以实现字符、图形等信息的显示。

三、硬件设计

单片机最小系统
选用 51 单片机芯片，如 AT89C51 或 STC89C52 等，构建最小系统。包括为单片机提供稳定的时钟信号的晶振电路，晶振频率可根据系统需求选择，常见的有 11.0592MHz 或 12MHz。连接复位电路，确保单片机在开机或异常情况下能够正确复位，复位电路一般由一个电容和一个电阻组成，通过电容的充放电过程来实现复位操作。同时，为单片机提供合适的电源供电，一般为 5V 直流电源。
矩阵式按键电路
根据矩阵式按键的行列结构，将行线和列线连接到单片机的 I/O 口。为了避免按键抖动对检测结果的影响，在每个按键的两端并联一个电容，起到硬件消抖的作用。同时，在行线或列线上串联限流电阻，防止电流过大损坏单片机 I/O 口。例如，将 4 个行线分别连接到单片机的 P1.0 – P1.3 口，4 个列线分别连接到 P1.4 – P1.7 口。当进行按键扫描时，通过设置 P1 口的输出和输入模式，实现对行线和列线的电平控制与检测。
显示电路
若采用数码管显示，根据数码管的类型（共阳极或共阴极）连接段选和位选引脚到单片机的 I/O 口。如使用共阳极数码管，可将段选引脚 a – dp 连接到单片机的 P2 口，位选引脚通过三极管驱动电路连接到单片机的 P3 口。三极管起到电流放大的作用，能够提供足够的电流来驱动数码管正常显示。对于液晶显示屏，按照其数据手册要求，连接数据总线（如 8 位或 4 位数据总线）和控制引脚（如 RS、RW、E 等）到单片机的相应 I/O 口，并添加必要的上拉电阻或下拉电阻，以确保信号的稳定传输。

四、软件设计

按键扫描程序
编写按键扫描函数，首先对矩阵式按键进行初始化，设置相关 I/O 口为输出模式，并将所有行线置为高电平。然后进入扫描循环，在循环中，逐行将行线置为低电平，其余行线保持高电平，接着将列线设置为输入模式，并读取列线的电平状态。如果某一列线为低电平，则说明有按键按下，根据当前行和列的信息，确定按下的按键编号。为了消除按键抖动，在检测到按键按下后，可采用软件延时一段时间（一般为 10 – 20 毫秒），然后再次检测按键状态，如果仍然为按下状态，则确认按键有效，并将按键值返回给主程序。例如，以下是一个简单的 4×4 矩阵式按键扫描函数的伪代码：

unsigned char KeyScan()
{
    unsigned char row, col;
    // 初始化行线为输出高电平
    P1 = 0xf0; 
    // 逐行扫描
    for(row = 0; row < 4; row++)
    {
        // 置当前行为低电平
        P1 &= ~(1 << row); 
        // 延时一段时间，等待电平稳定
        delay(10); 
        // 读取列线状态
        col = P1 & 0x0f; 
        if(col!= 0x0f)
        {
            // 有按键按下，进行消抖处理
            delay(20); 
            col = P1 & 0x0f; 
            if(col!= 0x0f)
            {
                // 根据行和列确定按键编号并返回
                return (row * 4 + ((~col) & 0x0f)); 
            }
        }
        // 恢复行线为高电平
        P1 |= (1 << row); 
    }
    return 0xff; // 无按键按下时返回 0xff
}

显示程序
对于数码管显示，编写显示函数。首先根据要显示的内容确定每个数码管的段选数据，可通过建立一个数码管显示码表来实现。例如，对于共阳极数码管，数字 0 – 9 的显示码分别为 0xc0、0xf9、0xa4 等。然后在显示函数中，通过位选控制选择要显示的数码管，将对应的段选数据输出到数码管的段选引脚，延时一段时间后，切换到下一个数码管进行显示，循环往复，实现动态显示。以下是一个简单的数码管动态显示函数的伪代码：

void Display(unsigned char *num, unsigned char n)
{
    unsigned char i, j;
    // 循环扫描显示每个数码管
    for(i = 0; i < n; i++)
    {
        // 位选，选择第 i 个数码管
        P3 = ~(1 << i); 
        // 段选，输出第 i 个数码管的显示数据
        P2 = num[i]; 
        // 延时一段时间，保证显示稳定
        delay(2); 
    }
}

对于液晶显示屏显示，根据其控制指令编写相应的初始化函数、写数据函数和写命令函数等，然后在主程序中根据需要调用这些函数来实现特定信息的显示。

主程序设计
主程序主要完成系统的初始化工作，包括单片机 I/O 口初始化、定时器初始化（如果需要定时刷新显示）等。然后进入一个无限循环，在循环中调用按键扫描函数，检测是否有按键按下。如果有按键按下，则根据按键值执行相应的操作，如切换显示内容、调整参数等。接着调用显示函数，将需要显示的信息输出到显示器上。例如，如果按键用于切换显示不同的传感器数据，当检测到按键按下后，主程序根据按键值更新要显示的数据数组，然后调用显示函数将新的数据显示在数码管或液晶显示屏上。

五、制作过程

硬件制作
根据硬件设计原理图，在印刷电路板（PCB）上进行元器件的布局与焊接。首先，将单片机芯片、晶振、电容、电阻等元器件按照布局要求放置在 PCB 板上，注意元器件的极性和方向不要弄错。然后，使用电烙铁将元器件焊接到 PCB 板上，焊接过程中要确保焊点牢固、无虚焊、短路等问题。对于矩阵式按键和显示电路部分，要特别注意线路连接的正确性，尤其是行线、列线与单片机 I/O 口的连接。在焊接完成后，仔细检查电路板，可使用万用表等工具进行线路连通性测试和短路检查。
软件编程与调试
在 Keil 等集成开发环境中编写软件代码，按照上述软件设计思路，分别编写按键扫描程序、显示程序和主程序等模块。编写完成后，进行代码的编译与调试。首先检查代码是否存在语法错误，如果有语法错误，根据编译器提示进行修改。在代码语法正确的基础上，通过设置断点、单步执行等调试手段，检查程序的逻辑是否正确。例如，在按键扫描函数中设置断点，观察按键按下时是否能够正确检测到按键值；在显示函数中设置断点，检查显示数据是否正确输出到显示器上。可以使用串口调试助手等工具输出一些调试信息，帮助分析程序运行过程中的问题，如输出当前检测到的按键值、显示的数据内容等信息，以便更直观地了解程序的执行情况。如果在调试过程中发现问题，仔细分析代码，找出错误原因并进行修正。
系统联调
在硬件制作完成且软件调试通过后，将编写好的程序下载到 51 单片机中，进行系统的联调。观察整个矩阵式按键显示器的运行情况，检查按键是否灵敏、显示是否正常、显示内容与按键操作是否对应等。如果在联调过程中发现问题，需要综合考虑硬件和软件两方面的因素，进行全面的故障排查和问题解决。例如，如果发现按键按下后无响应，可能是按键电路焊接问题、软件中按键扫描函数逻辑错误或者单片机 I/O 口损坏等原因，需要对硬件电路进行检查、对软件代码进行调试，必要时更换单片机芯片进行测试。

六、注意事项

硬件方面
在焊接过程中，要注意电烙铁的温度和焊接时间，避免因过热导致元器件损坏。对于贴片元器件，要使用合适的焊接工具和技巧，确保焊接质量。在连接线路时，要仔细核对原理图，避免线路接错或短路。特别是矩阵式按键和显示电路的连接，线路较多，容易出现错误。同时，要注意电源的稳定性，可在电源输入端添加滤波电容，减少电源纹波对系统的影响。
软件方面
在编写按键扫描程序时，要充分考虑按键抖动的问题，采用合适的消抖方法，以确保按键检测的准确性。在显示程序中，要注意显示的刷新频率，过高或过低的刷新频率都会影响显示效果。对于液晶显示屏，要严格按照其数据手册要求的时序和指令进行编程，否则可能导致显示异常。在主程序设计中，要合理安排按键扫描和显示更新的时间间隔，避免因程序执行时间过长而导致按键响应延迟或显示闪烁等问题。

七、结论

基于 51 单片机的并行输出矩阵式按键显示器制作是一个综合性较强的项目，涉及到硬件电路设计、软件编程以及系统调试等多个环节。通过深入理解矩阵式按键和显示的原理，精心设计硬件电路，合理编写软件代码，并进行细致的调试与联调，能够成功制作出一个功能完善的矩阵式按键显示器。该装置不仅可以应用于简单的人机交互场景，如电子设备的参数设置、状态显示等，还能为进一步学习和开发更复杂的单片机应用系统提供宝贵的经验和基础。在实际制作过程中，要严格遵循相关的技术规范和注意事项，确保系统的稳定性和可靠性。

把文章中51单片机并行输出矩阵式按键显示器制作的硬件设计原理展开描述

写一篇500字左右的51单片机并行输出矩阵式按键显示器制作的应用文章

推荐一些51单片机并行输出矩阵式按键显示器制作的教学视频

作者：漫游地球426