代码收藏家 基于 51 单片机的串行输出独立式按键显示器制作
摘要： 本文详细阐述了基于 51 单片机的串行输出独立式按键显示器的制作过程，涵盖硬件设计、软件编程以及系统调试等关键环节。该系统利用单片机的串行通信能力，实现独立式按键输入与显示输出功能，具有结构简洁、节省资源等特点，适用于多种小型电子设备的人机交互界面设计，为单片机学习者与开发者提供了一个实用的实践案例与技术参考。
一、引言
在嵌入式系统开发领域，51 单片机以其广泛的应用和成熟的技术生态占据重要地位。独立式按键显示器作为常见的人机交互组件，在各类电子设备中有着广泛应用。通过采用串行输出方式，可以有效减少单片机的 I/O 口占用，提高资源利用率，使系统设计更加灵活紧凑。本文将深入探讨基于 51 单片机的串行输出独立式按键显示器的制作方法。
二、系统设计原理
- 独立式按键原理
- 独立式按键是将每个按键单独连接到单片机的一个 I/O 口上。当按键未按下时，对应的 I/O 口通过上拉电阻保持高电平；当按键按下时，该 I/O 口与地接通，变为低电平。单片机通过不断检测这些 I/O 口的电平状态，即可判断是否有按键按下以及是哪个按键被按下。这种方式简单直接，但当按键数量较多时，会占用较多的 I/O 口资源。例如，在一个具有 4 个独立式按键的系统中，需要 4 个单片机的 I/O 口分别与这 4 个按键相连。
- 串行输出显示原理
- 本系统采用串行通信方式驱动显示模块，如串行接口的数码管驱动芯片（如 74HC595）或液晶显示屏模块（具有串行接口的）。以 74HC595 为例，它是一个 8 位串行输入并行输出的移位寄存器。单片机只需使用 3 个 I/O 口（数据引脚、时钟引脚、锁存引脚）就可以向 74HC595 发送串行数据，74HC595 将接收到的串行数据转换为并行数据输出，从而控制数码管的显示。例如，要在数码管上显示一个数字，单片机先将该数字对应的段码数据以串行方式发送给 74HC595，然后通过锁存信号将数据锁存到 74HC595 的输出寄存器，进而驱动数码管显示相应的数字。对于液晶显示屏的串行接口，其原理类似，单片机按照特定的串行通信协议向液晶显示屏发送显示数据和控制命令，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）构建最小系统。包括连接 11.0592MHz 或 12MHz 的晶振电路，为单片机提供稳定的时钟信号，以确保其正常运行。同时，配备复位电路，一般由电容和电阻组成，当系统上电或复位引脚接收到低电平信号时，电容放电使单片机复位，重新开始执行程序。此外，为单片机提供 5V 直流电源供电，并在电源引脚附近添加滤波电容，以减少电源纹波对系统的干扰。
- 独立式按键电路
- 根据系统所需按键数量，将独立式按键分别连接到单片机的不同 I/O 口。例如，若有 4 个按键，可将它们分别连接到 P1.0 – P1.3 口。每个按键一端连接到单片机 I/O 口，另一端通过上拉电阻（一般取值为 4.7K – 10K）连接到电源正端。这样，在按键未按下时，I/O 口读取到高电平；当按键按下时，I/O 口电平被拉低，从而实现按键状态的检测。
- 串行输出显示电路
- 以 74HC595 驱动数码管为例，将 74HC595 的串行数据输入引脚（DS）连接到单片机的一个 I/O 口（如 P2.0），时钟引脚（SH_CP）连接到另一个 I/O 口（如 P2.1），锁存引脚（ST_CP）连接到第三个 I/O 口（如 P2.2）。数码管的段选引脚（a – dp）连接到 74HC595 的并行输出引脚（Q0 – Q7）。若采用共阳极数码管，还需要在数码管的公共阳极连接限流电阻后接到电源正端。对于具有串行接口的液晶显示屏，按照其数据手册要求，将其串行数据引脚、时钟引脚等连接到单片机相应的 I/O 口，并连接好电源和地。
四、软件设计
- 按键扫描程序
- 编写按键扫描函数，在函数中首先对连接按键的 I/O 口进行初始化，设置为输入模式。然后通过循环不断读取各个按键对应的 I/O 口电平状态。如果检测到某个 I/O 口电平为低电平，说明对应的按键被按下。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），然后再次检测该按键的电平状态，如果仍然为低电平，则确认按键有效，并返回按键值。以下是一个简单的 4 个独立式按键扫描函数的伪代码示例：
unsigned char KeyScan()
{
unsigned char keyValue = 0xff;
// 读取 P1.0 - P1.3 口电平状态
if(P1_0 == 0)
{
delay(20);
if(P1_0 == 0)
keyValue = 0;
}
else if(P1_1 == 0)
{
delay(20);
if(P1_1 == 0)
keyValue = 1;
}
else if(P1_2 == 0)
{
delay(20);
if(P1_2 == 0)
keyValue = 2;
}
else if(P1_3 == 0)
{
delay(20);
if(P1_3 == 0)
keyValue = 3;
}
return keyValue;
}
- 串行输出显示程序
- 以 74HC595 为例，编写向其发送数据的函数。首先定义数据发送的时序，即先将数据送到数据引脚，然后在时钟引脚产生上升沿信号，将数据逐位移入 74HC595。当 8 位数据全部移入后，在锁存引脚产生上升沿信号，将数据锁存到 74HC595 的输出寄存器，从而驱动数码管显示。例如，以下是一个简单的向 74HC595 发送一个字节数据的函数伪代码：
void SendDataTo595(unsigned char data)
{
unsigned char i;
// 循环发送 8 位数据
for(i = 0; i < 8; i++)
{
// 将数据的最高位送到数据引脚
if(data & 0x80)
P2_0 = 1;
else
P2_0 = 0;
// 产生时钟上升沿
P2_1 = 1;
P2_1 = 0;
// 数据左移一位
data <<= 1;
}
// 锁存数据
P2_2 = 1;
P2_2 = 0;
}
若采用液晶显示屏的串行接口，根据其通信协议编写相应的初始化函数、写数据函数和写命令函数等，以实现对液晶显示屏的控制与显示。
3. 主程序设计
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）上进行元器件布局与焊接。将单片机芯片、晶振、电容、电阻、按键、74HC595 芯片（或液晶显示屏模块）等元器件准确放置在 PCB 板上，注意元器件的极性和方向。例如，电解电容的正负极、芯片的引脚 1 位置等。使用电烙铁将元器件焊接到 PCB 板上，确保焊点光滑、牢固，无虚焊、短路等问题。焊接完成后，仔细检查电路板，可使用万用表进行线路连通性测试和短路检查，确保硬件电路连接正确。
- 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、串行输出显示程序和主程序等模块。编写完成后，进行代码编译，检查是否存在语法错误。若有语法错误，根据编译器提示进行修改。在代码语法正确后，通过设置断点、单步执行等调试手段，检查程序逻辑是否正确。例如，在按键扫描函数中设置断点，观察按键按下时是否能正确检测到按键值并返回；在向 74HC595 发送数据函数中设置断点，检查数据是否正确发送和锁存，以及数码管是否显示正确内容。可以使用串口调试助手等工具输出调试信息，辅助分析程序运行情况，如输出当前检测到的按键值、发送到显示模块的数据等。若在调试过程中发现问题，仔细分析代码，找出错误原因并修正。
- 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，进行系统联调。观察整个系统的运行情况，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匹配等。如果在联调过程中发现问题，需综合考虑硬件和软件两方面因素进行排查。例如，如果按键按下无响应，可能是按键电路焊接不良、软件中按键扫描函数逻辑错误或单片机 I/O 口故障等；若显示异常，可能是显示模块与单片机连接问题、串行通信时序错误或显示驱动代码问题等。通过仔细检查硬件电路连接、调试软件代码，逐步排除故障，使系统正常稳定运行。
六、注意事项
- 硬件方面
- 在焊接过程中，要控制好电烙铁温度和焊接时间，避免因过热损坏元器件。特别是对于单片机芯片等敏感元器件，更要小心操作。在连接线路时，严格按照原理图进行，确保线路连接正确，避免短路和断路。对于串行通信线路，要注意信号的完整性，可在数据线和时钟线附近添加适当的滤波电容，减少干扰。在使用 74HC595 等芯片时，要确保其电源和地连接正确，且电源稳定性良好，否则可能影响数据传输和显示效果。
- 软件方面
- 在编写按键扫描程序时，要充分考虑按键抖动问题，采用合适的消抖方法，以提高按键检测的准确性。在串行输出显示程序中，要严格按照芯片的时序要求编写代码，如 74HC595 的数据移位和锁存时序，液晶显示屏的串行通信协议等，否则可能导致显示错误或不稳定。在主程序设计中，合理安排按键扫描和显示更新的时间间隔，避免因频繁扫描按键或快速更新显示而影响系统性能，导致按键响应延迟或显示闪烁等问题。
七、结论
基于 51 单片机的串行输出独立式按键显示器制作是一个具有实际应用价值的项目。通过合理的硬件设计、精心编写的软件程序以及细致的调试过程，能够构建一个功能完备、运行稳定的人机交互系统。该系统在小型电子设备中具有广泛的应用前景，如简易计数器、电子时钟、参数设置模块等。在制作过程中，无论是硬件的焊接与连接，还是软件的编程与调试，都需要严格遵循相关技术规范和注意事项，以确保系统的可靠性和性能。这一制作过程不仅有助于深入理解 51 单片机的串行通信和人机交互设计能力，也为进一步开发更复杂的单片机应用系统奠定了坚实的基础。
介绍一下51单片机的特点
写一篇51单片机交通灯控制系统的文章
推荐一些51单片机项目实战的教学视频
作者：漫游地球426
