51单片机之按键和数码管

?前言：

在学习了如何使用51单片机控制LED之后，我们进一步来学习使用按键来控制LED。

?独立按键

😀独立按键的原理

下图是我们普中单片机开发板A2的独立按键原理图：
可以看到之所以称之为独立按键，是因为每个按键单独占用一个I/O口。

默认的情况，我们的P31口由于有上拉电阻会输出一个高电平，当按下按键K1后，P31那条支路回导通，此时P31会输出低电平，看下面这张图片，它是51单片机的准双向IO口内部图，可以帮助你更好的理解上面那段话：

红色的框就是一个IO口，当按键没有按下，回路是一条断路，由于有VCC和上拉电阻的存在会输出高电平，但是当按键按下，按键回路导通，电压为0，所以输出一个低电平。这里提一嘴，单片机IO口输出的是电压。

通过软件编程判断与该按键对应的IO口的电平情况我们就可以完成一些功能。

😀软件实现按键控制LED灯的亮灭

先上代码：

#include"reg52.h"
typedef unsigned int u16;
typedef unsigned char u8;

sbit k1 = P3^1;//设置按键K1对应的单片机IO口
sbit LED = P2^0;

void delay(u16 i)
{
	while(i--);
}
void key_scan()//按键扫描
{
	if(0 == k1)
	{
	    delay(1000);//消抖，10ms
	    if(0 == k1)
		{
		   LED = ~LED;
		}
		while(!k1); 
	}
}

void main()
{
	while(1)
	{
	  key_scan();
	}
}

实验效果演示：

由于按键按下的时候，由于机械具有一定的弹性，它不会马上按下去，松开也是不会马上松开，而是会有5~10ms的抖动。

上述程序是传统的消抖方法，存在占用cpu过多的问题，如果小伙伴有兴趣，可以去学习一些更加优的消抖程序。

?数码管

😊数码管显示数字或者字母的原理

我的开发板是八段的数码管，8段数码管是由字母a,b,c,d,e,f,g,dp八段组成的数码管，它比七段数码管多了一段也就是小数点（dp），8段对应8个LED，想要显示相应的字母或者数字，让相应的LED亮就可以了，我们主要介绍一下8段数码管。

8段数码管按照这8个LED共同接的是阴极还是阳极，又分为共阴数码管和共阳数码管，下面我们来借助原理图具体的介绍一下他们两个，它们显示不同的数字或者字符的段码（该字符或者数字的二进制代码）。

🐉共阳极数码管

阳极就是正极，共阳极意思就是标号a~dp的各个并联的支路是有一个共同的阳极，如果你希望某个位置亮就应该给对应IO口输出低电平。

下面我们给出对应的段码：以0来举例子：

理解了0的共阳极16进制码，其它的想必小伙伴们也能自己写出来，下面我们给出0~f的段码：

🐉共阴极极数码管

共阴和共阳对应，a~dp有一个共同的阴极。

我们以1为例子，给出1的段码推导：

0~f的共阴段码表为：

🐉4位1体数码管

我的开发板刚好就是共阴的，这是它的原理图：

红色的数字是网络标号，相同代表连在一起。

我们的板子的数码管采用的是4个数码管封装在一起的模式，简称四位一体，如果用正常的方式来控制它们就需要8个IO口，这太占用资源了，我们单片机一共就只有32个IO口，这里我们的板子用到了74138芯片，这种芯片使用3个IO口就可以控制8个IO口。

4位一体中的8段数码管共用共同的a~dp由P00~P07控制其值，我们通过改变P0改变码值。

通过上图我们可以得到，这个74138由单片机的P22、P23、P24三个IO口控制，通过控制这三个IO口的值，我们就可以控制哪个位置的数码管点亮，这是它的真值表：

A2是高位，A0是低位，这个74138芯片还有E1、E2、E3三个引脚，其中E1、E2上面有一个非的符号，表示低电平有效，E3表示高电平有效，如果没有正确设置E1、E2、E3，我们的输出LED1~LED8都是高电平，数码管是不会工作的，因为LED1~LED8实际上是数码管的阴极，它和它控制的数码管的a~dp位置都是并联的，每一个位置的LED方向已经确定（指向阴极），发光二极管的特性：正向导通反向截止。但是说了这么多，E1、E2、E3都不用我们设置，板子在制的时候已经就接好了。

要怎么控制这个位码呢？A2A1A0是二进制数，它们十进制的值为i，Y_i就为高电平取反就是它的输出，为低电平。与LED_i+1相连的数码管会显示对应的值。

上面的知识我们在软件编程里会用到的，通过给74HC138的A0~A3管脚对应的IO口赋值控制哪一个位点亮，然后通过给P0赋段码值，控制点亮的内容。

😊静态数码管

程序实现的功能：让最后一个数码管显示数字1

 #include "reg52.h" // 引入 8051 单片机的头文件

typedef unsigned int u16; // 定义无符号整型变量 u16
typedef unsigned char u8; // 定义无符号字符型变量 u8

sbit LSA = P2^2; // 定义 P2^2 引脚为 LSA
sbit LSB = P2^3; // 定义 P2^3 引脚为 LSB
sbit LSC = P2^4; // 定义 P2^4 引脚为 LSC


u8 code smgduan[] = { 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,
                      0x66,0x6d,0x7d,0x07,
                      0x7f,0x6f,0x77,0x7c,
                      0x39,0x5e,0x79,0x71};// 数码管段码数据表，0~f

u8 code Digital_tube_number[][3] = {{0,0,0},{1,0,0},{0,1,0},{1,1,0},{0,0,1},{1,0,1},{0,1,1},{1,1,1}}; // 位码数据表


// 数码管动态显示函数
void Dynamic_digital_tube(u8 wei,u8 duan)
{
   //设置数字或者字母显示的位置
   LSA =  Digital_tube_number[wei][0];
   LSB =  Digital_tube_number[wei][0];
   LSC =  Digital_tube_number[wei][0];
   P0 = smgduan[duan];//设置P0为相应的段码值，显示该数字或字母
}

int main()
{
	while(1) // 主循环
	{
	  	Dynamic_digital_tube(0,1); // 调用动态数码管显示函数
	}
   return 0; // 返回 0，表示正常结束
}

效果演示：

这段代码相信大家很容易看懂，就是先设置位码，再设置段码。

😊动态数码管

程序实现的功能：让前面的几个数码管，同时显示数字5201314

🦑动态数码管的原理

相信大家会有疑惑，明明74LS138一次只能输出一个位置为低电平，如何让不同的位置同时显示数字呢？其实这和之前我们LED不能正常闪烁的原理是一样的，利用了人眼只能看到50HZ左右的变化，太快了人眼是无法观测到的，也就是说实际上是依次点亮的，但是对于我们的眼睛来说，就好像同时显示一样，由于数码管点亮的位置一直在变所以又叫做动态数码管。

#include "reg52.h" // 引入 8051 单片机的头文件

typedef unsigned int u16; // 定义无符号整型变量 u16
typedef unsigned char u8; // 定义无符号字符型变量 u8

sbit LSA = P2^2; // 定义 P2^2 引脚为 LSA
sbit LSB = P2^3; // 定义 P2^3 引脚为 LSB
sbit LSC = P2^4; // 定义 P2^4 引脚为 LSC


u8 code smgduan[] = {0x06,0x4f,0x06,0x66,0x6d,0x5b,0x3f}; // 数码管段码数据表，1314520
u8 code Digital_tube_number[][3] = {{0,0,0},{1,0,0},{0,1,0},{1,1,0},{0,0,1},{1,0,1},{0,1,1},{1,1,1}}; // 位码数据表

// 延时函数，参数 i1 为延时时间
void delay(u16 i1)
{
   while(i1--); // 空循环实现延时
}

// 数码管动态显示函数
void Dynamic_digital_tube()
{
    u8 i;
	for(i = 7; i >= 1; --i) // 从 7 到 1 循环
	{
	  LSA = Digital_tube_number[i][0]; // 设置 LSA 引脚的状态
	  LSB = Digital_tube_number[i][1]; // 设置 LSB 引脚的状态
	  LSC = Digital_tube_number[i][2]; // 设置 LSC 引脚的状态
	  P0 = smgduan[7-i]; // 在数码管显示对应的段码数据
	  delay(100); // 延时 1000微秒（1ms）
	  P0 = 0x00; // 关闭所有段，熄灭数码管
	} 
}

int main()
{
	while(1) // 主循环
	{
	  	Dynamic_digital_tube(); // 调用动态数码管显示函数
	}
   return 0; // 返回 0，表示正常结束
}

效果演示：

动态数码管模块的几个关键的解释：

🦑延时的目的

细心的小伙伴可能会发现，在我们的Dynamic_digital_tube函数中，在设置位选和段选之后，我们延时了1ms，可能你不理解为什么要这样去做，我们删除这个延时语句，看效果：

可以看到数字明显变暗了，可能原因是你程序执行的太快了，理想的二极管还没有稳定的导通，就已经将段码清零了。

注意不能延时的太长，否则数码管依次点亮的过程我们的眼睛就能察觉到了。

🦑消影处理

我们动态扫描程序执行的顺序是设置位码->设置段码->设置位码->设置位码。

如果在执行一次之后不把段码清0（都设置为低电平，让其什么都不显示），设置新的位码后，由于程序执行到设置新的段码需要一定的时间，新的数码管会显示之前的段码对应的数字，就会出现重影。

不消影的效果：

可以看到重影的情况还是非常严重，所以一个位置显示之后必须把段码设置为0x00，也就是让数码管什么都不显示。

?矩阵键盘

有时候我们想使用很多按键，但是没有那么多IO口，这个时候就需要使用矩阵按键，它的1行或者一列的按键只需要一个IO口来控制。

通常一个键盘是由两个IO口控制的（行和列），一个IO口控制一行或者列。所以一个矩阵键盘有多少个键是由IO口决定的，即控制行的IO口$?$控制列的IO口。

我们的原理图就是采用的四行四列的模式。

那么问题来了，我们该如何判断是否有按键按下呢？我们以S1为例，来解释一下：

🛤?使用矩阵键盘控制数码管显示0~f

我们的程序是一行一行的点击按键依次显示0~f，你也可以按照一列一列的来点击按键依次显示0~F，更改一下keyValue值就可以。

#include "reg52.h" // 包含 8051 单片机的寄存器定义文件

typedef unsigned int u16; // 定义无符号 16 位整数类型
typedef unsigned char u8; // 定义无符号 8 位整数类型

sbit LSA = P2^2; // 数码管位选引脚
sbit LSB = P2^3; // 数码管位选引脚
sbit LSC = P2^4; // 数码管位选引脚

#define GPIO_DIG P0 // 数码管的数据端口
#define GPIO_KEY P1 // 按键的端口

u8 KeyValue = 16; // 按键值初始化为 16（用于标识未按下任何按键）
u8 code smgduan[] = {0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f, 0x77, 0x7c, 0x39, 0x5e, 0x79, 0x71}; // 数码管显示的数值对应的段码

void delay(u16 i1) {
    while (i1--); // 延时函数
}

// 检测按键函数
void KeyDown() {
    u8 a = 0;
    GPIO_KEY = 0x0f; // 设置高四位为低电平，用于检测按键
    
    if (GPIO_KEY != 0x0f) { // 如果按键有按下
        delay(1000); // 延时10ms
        GPIO_KEY = 0x0f; // 再次设置高四位为低电平，用于检测按键的列位置
        if (GPIO_KEY != 0x0f) {
            switch (GPIO_KEY) {
                case (0x07): KeyValue = 0; break;
                case (0x0b): KeyValue = 1; break;
                case (0x0d): KeyValue = 2; break;
                case (0x0e): KeyValue = 3; break;
            }
        }
        GPIO_KEY = 0xf0; // 设置低四位为低电平，用于检测按键的行位置
        if (GPIO_KEY != 0x0f) {
            switch (GPIO_KEY) {
                case (0x70): KeyValue += 0; break;
                case (0xb0): KeyValue += 4; break;
                case (0xd0): KeyValue += 8; break;
                case (0xe0): KeyValue += 12; break;
            }
        }
        while (a < 50 && GPIO_KEY != 0xf0) { // 延时和检测按键松开
            delay(1000);
            ++a;
        }
    }
}

void main() {
    LSA = 0;
    LSB = 0;
    LSC = 0;
    GPIO_DIG = 0x00; // 初始化数码管和端口
    while (1) {
        KeyDown(); // 调用按键检测函数
        if (KeyValue >= 0 && KeyValue <= 15) // 检测按键值范围
            GPIO_DIG = smgduan[KeyValue]; // 在数码管显示按键对应的数字
    }
}

演示效果：

如果你希望一列一列的点击显示0~F，程序可以这样改：

#include "reg52.h" // 包含 8051 单片机的寄存器定义文件

typedef unsigned int u16; // 定义无符号 16 位整数类型
typedef unsigned char u8; // 定义无符号 8 位整数类型

sbit LSA = P2^2; // 数码管位选引脚
sbit LSB = P2^3; // 数码管位选引脚
sbit LSC = P2^4; // 数码管位选引脚

#define GPIO_DIG P0 // 数码管的数据端口
#define GPIO_KEY P1 // 按键的端口

u8 KeyValue = 16; // 按键值初始化为 16（用于标识未按下任何按键）
u8 code smgduan[] = {0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f, 0x77, 0x7c, 0x39, 0x5e, 0x79, 0x71}; // 数码管显示的数值对应的段码

void delay(u16 i1) {
    while (i1--); // 延时函数
}

// 检测按键函数
void KeyDown() {
    u8 a = 0;
    GPIO_KEY = 0x0f; // 设置高四位为低电平，用于检测按键
    
    if (GPIO_KEY != 0x0f) { // 如果按键有按下
        delay(1000); // 延时10ms
        GPIO_KEY = 0x0f; // 再次设置高四位为低电平，用于检测列
        if (GPIO_KEY != 0x0f) {
		    KeyValue = 0;//先初始化一下KeyValue
            switch (GPIO_KEY) {
                case (0x07): KeyValue = 0; break;
                case (0x0b): KeyValue = 4; break;
                case (0x0d): KeyValue = 8; break;
                case (0x0e): KeyValue = 12; break;
            }
        }
        GPIO_KEY = 0xf0; // 设置低四位为低电平，用于检测行
        if (GPIO_KEY != 0x0f) {
            switch (GPIO_KEY) {
                case (0x70): KeyValue += 0; break;
                case (0xb0): KeyValue += 1; break;
                case (0xd0): KeyValue += 2; break;
                case (0xe0): KeyValue += 3; break;
            }
        }
        while (a < 50 && GPIO_KEY != 0xf0) { // 检测按键松开
            delay(1000);
            ++a;
        }
    }
}

void main() {
    LSA = 0;
    LSB = 0;
    LSC = 0;
    GPIO_DIG = 0x00; // 初始化数码管和端口
    while (1) {
        KeyDown(); // 调用按键检测函数
        if (KeyValue >= 0 && KeyValue <= 15) // 检测按键值范围
            GPIO_DIG = smgduan[KeyValue]; // 在数码管显示按键对应的数字
    }
}

效果演示：

最后提一嘴，软件里给矩阵键盘的IO口设置合适的值，可以将其一行或者一列当成独立按键来使用哦（判断方法也和独立按键判断的方法相似）。

?总结

本篇博客主要讲了按键和数码管的相关知识，下面是关于它的思维导图，欢迎大家提出建议和指出不足指出谢谢，希望本篇博客对小伙伴有所帮助。