2020年07月25日 | 第八章 独立按键和矩阵按键

我们和单片机之间进行信息交互，主要包含两大类，输入设备和输出设备。前边讲的LED小灯、数码管、点阵都是输出设备，这节课我们学习一下最常用的输入设备——按键。在本节课的学习过程中我们还会穿插介绍一点硬件设计的基础知识。

8.1 单片机最小系统电路解析

8.1.1 电源

我们在学习过程中，很多指标都是直接用的概念指标，比如我们说+5V代表1，GND代表0等等这些。但在实际电路中是没有这么精准的，那这些指标允许范围是什么呢？随着我们所学的内容不断增多，大家要慢慢培养一种阅读手册的能力。

比如我们使用STC89C52RC单片机的时候，我们找到他的手册的11页，第二个选项，工作电压：5.5V-3.4V(5V单片机)，这个地方就说明我们这个单片机正常的工作电压是个范围值，只要电源VCC在5.5V到3.4V之间都可以正常工作，电压超过5.5V是绝对不允许的，会烧坏单片机，电压如果低于3.4V，单片机不会损坏，但是也不能正常工作。而在这个范围内，最典型、最常用的电压值就是5V，这就是后面括号里“5V单片机”这个名称的由来。除此之外，还有一种常用的工作电压范围是2.7V-3.6V、典型值是3.3V的单片机，也就是所谓的“3.3V单片机”了。日后随着大家接触的东西慢慢增多，对这点会有更深刻的理解。

现在我们再顺便多了解一点，大家打开74HC138的数据手册，会发现74HC138手册的第二页也有一个表格，上边写了74HC138的工作电压范围，最小值是4.75V，额定值是5V，最大值是5.25V，可以得知它的工作电压范围是4.75V-5.25V。这个地方讲这些目的是让大家清楚的了解，我们获取器件工作参数的一个最重要，也是最权威的途径，就是通过器件的数据手册。

8.1.2 晶振

晶振通常分为无源晶振和有源晶振两种类型，无源晶振一般称之为crystal(晶体)，而有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。

有源晶振是一个完整的谐振振荡器，他是利用石英晶体的压电效应来起振，所以有源晶振需要供电，当我们把有源晶振电路做好后，不需要外接电路，它就可以主动产生振荡频率，并且可以提供高精度的频率基准，信号质量比无源信号好。

而无源晶振自身无法振荡起来，它需要芯片内部的振荡电路一起工作才能振荡，它允许不同的电压，但是信号质量和精度较有源晶振差一些。相对价格来说，无源晶振要比有源晶振价格便宜很多。无源晶振两侧通常都会有两个电容，一般其容值都选在10pF~40pF之间，如果手册中有具体电容大小的要求则要根据要求来选电容，如果手册没有要求，我们用20pF就是比较好的选择，这是一个长久以来的经验值，具有极其普遍的适用性。

我们来认识下比较常用的两种晶振的样貌，如图8-1和图8-2所示。

                                                       图8-1  27Mhz有源晶振                   图8-2  11.0592M无源晶振

有源晶振通常有4个引脚，VCC，GND，晶振输出引脚和一个没有用到的悬空引脚。无源晶振有2个或3个引脚，如果是3个引脚的话，中间引脚是晶振的外壳，使用时要接到GND，两侧的引脚就是晶体的2个引出脚了，这两个引脚作用是等同的，就像是电阻的2个引脚一样，没有正负之分。对于无源晶振，就是用我们的单片机上的两个晶振引脚接上去即可，而有源晶振，只接到单片机的晶振的输入引脚上，输出引脚上不需要接，如图8-3和图8-4所示。

                                        图8-3 无源晶振接法                           图8-4 有源晶振接法

8.1.3 复位电路

我们先来分析一下我们的复位电路，如图8-5所示。

图8-5 单片机复位电路

当这个电路处于稳态时，电容起到隔离直流的作用，隔离了+5V，而左侧的复位按键是弹起状态，下边部分电路就没有电压差的产生，所以按键和电容C11以下部分的电位都是和GND相等的，也就是0V电压。我们这个单片机是高电平复位，低电平正常工作，所以正常工作的电压是0V电压，完全OK，没有问题。

我们再来分析从没有电到上电的瞬间，电容C11上方是5V电压，下方是0V电压，根据我们初中所学的知识，这个时候电容C11要进行充电，正离子从上往下充电，负电子从GND往上充电，这个时候电容对电路来说相当于一根导线，全部电压都加在了R31这个电阻上，那么RST端口位置是+5V电压，随着电容充电越来越多，即将充满的时候，电流会越来越小，那RST端口上的电压值等于电流乘以R31的阻值，也就会越来越小，一直到电容完全充满后，线路上不再有电流，这个时候RST和GND的电位就相等了也就是0V了。

从这个过程上来看，我们加上这个电路，单片机系统上电后，RST引脚会先保持一小段时间的高电平而后变成低电平，这个过程就是上电复位的过程。那这个“一小段时间”到底是多少才合适呢？每种单片机不完全一样，51单片机手册里写的是持续时间不少于2个机器周期的时间。复位电压值，每种单片机不完全一样，我们按照通常值0.7Vcc作为复位电压值，复位时间的计算过程比较复杂，我这里只给大家一个结论，时间t=1.2RC，我们用的R是4700，C是0.0000001，那计算得知t是564us，远远大于2个机器周期(2us)，在电路设计的时候一般留够余量就行。

按键复位（即手动复位）有2个过程，按下按键之前，RST的电压值是0V，当按下按键后电路导通，同时电容也会在瞬间进行放电，RST电压值变化为4700Vcc/(4700+18)，会处于高电平复位状态。当松开按键后就和上电复位类似了，先是电容充电，后电流逐渐减小直到RST电压变0V的过程。我们按下按键的时间通常都会有上百毫秒，这个时间足够复位了。按下按键的瞬间，电容两端的5V电压（注意不是电源的5V和GND之间）会被直接接通，此刻会有一个瞬间的大电流冲击，会在局部范围内产生电磁干扰，为了抑制这个大电流所引起的干扰，我们这里在电容放电回路中串入一个18欧的电阻来限流。

如果有的同学已经开始DIY设计自己的电路板的时候，那单片机最小系统的设计现在已经有了足够的理论依据了，可以考虑尝试了。如在制作过程有有问题可到:单片机论坛http://www.51hei.com/bbs/ 求助作者会不定期回复的，基础比较薄弱的同学先不要着急，继续跟着往下学，把课程都学完了再动手操作也不迟，磨刀不误砍柴工。

8.2 函数的调用

随着我们编程的程序量的增多，如果把所有的语句都写到main函数中，一方面程序会写的比较乱，另外一个方面，当我们一个功能需要多次执行的时候，我们就得不断重复写语句，这个时候，就引入了函数调用的概念。

一个程序一般由若干个子程序模块组成，一个模块实现一个特定的功能，在C语言中，这个模块就用函数来表示。一个C程序一般由一个主函数和若干个其他函数构成。主函数可以调用其他函数，其他函数也可以相互调用，但其它函数不能调用主函数。在我们的51单片机程序中，还有中断服务函数，是当相应的中断到来后自动调用执行的，不需要也不能由其他函数调用。

函数调用的一般形式是：

函数名(实参列表)

函数名就是需要调用的函数的名称，实参列表就是根据实际调用函数要传递给被调用函数的参数列表，不需要传递参数的只加括号就可以，传递多个参数时要用逗号隔开。在这里我以上节课的点阵I❤U的纵向移动的程序改动一下，大家先了解一下基本的函数调用。另外，大家不要偷懒，一定把这个程序抄下来做一下实验加深一下自己的印象。

#include 

sbit  ADDR0 = P1^0;

sbit  ADDR1 = P1^1;

sbit  ADDR2 = P1^2;

sbit  ADDR3 = P1^3;

sbit  ENLED = P1^4;

unsigned char code graph[] = {

    0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,

    0xC3,0xE7,0xE7,0xE7,0xE7,0xE7,0xC3,0xFF,

    0x99,0x00,0x00,0x00,0x81,0xC3,0xE7,0xFF,

    0x99,0x99,0x99,0x99,0x99,0x81,0xC3,0xFF,

    0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF

};

unsigned char index = 0;   //图片刷新索引

void refresh();             //函数声明

void main()

{

    P0 = 0xFF;      //P0口初始化

    ADDR3 = 0;      //选择LED点阵

    ENLED = 0;      //LED显示总使能

    TMOD = 0x01;    //设置定时器0为模式1

    TH0 = 0xFC;     //定时器初值,定时1ms

    TL0 = 0x67;

    TR0 = 1;        //打开定时器0

    ET0 = 1;        //使能定时器0中断

    EA = 1;         //打开总中断开关

    while(1);

}

void refresh()

{

    static unsigned char j = 0;

    P0 = 0xFF;      //LED点阵动态刷新

    switch (j)

    {

        case 0: ADDR0=0; ADDR1=0; ADDR2=0; break;

        case 1: ADDR0=1; ADDR1=0; ADDR2=0; break;

        case 2: ADDR0=0; ADDR1=1; ADDR2=0; break;

        case 3: ADDR0=1; ADDR1=1; ADDR2=0; break;

        case 4: ADDR0=0; ADDR1=0; ADDR2=1; break;

        case 5: ADDR0=1; ADDR1=0; ADDR2=1; break;

        case 6: ADDR0=0; ADDR1=1; ADDR2=1; break;

        case 7: ADDR0=1; ADDR1=1; ADDR2=1; break;

        default: break;

    }

    P0 = graph[index+j];

    j++;

    if (j >= 8)

    {

        j = 0;

    }

}

void InterruptTimer0() interrupt 1

{

    static unsigned char tmr = 0;

    TH0 = 0xFC;     //溢出后进入中断重新赋值

    TL0 = 0x67;

    refresh();      //函数调用

    tmr++;          //图片刷新频率控制

    if (tmr >= 250) //每隔250ms刷新一帧

    {

        tmr = 0;

        index++;

        if (index >= 32)

        {

            index = 0;

        }

    }

}

这个程序是对函数的简单调用，但是有以下三个细节需要大家注意一下：

1、函数调用的时候，不需要加函数类型。在中断函数内调用刷新函数的时候我们只写了refresh(); 而没有加void。

2、调用函数与被调用函数的位置关系，C语言规定：函数在被调用之前，必须先被定时或声明。意思就是说：在一个文件中，一个函数应该先定义，然后才能被调用，也就是调用函数应位于被调用函数的下方。但是作为一种通常的编程规范，我们推荐main函数写在最前面（因为它起到提纲挈领的作用），其后再定义各个子函数，而中断函数则写在文件的最后。这时候，我们就在文件开头，所有函数定义之前，开辟一块区域，叫做函数声明区，用来把被调用的子函数声明一下，如此，该函数就可以被随意调用了。如上述例程所示。

3、函数声明的时候必须加函数类型，函数的形式参数，最后加上一个分号表示结束。这点请尤其注意，因为函数定义时最后是不能有分号的，初学者很容易因粗心大意搞错，导致程序编译不过。

4、函数自身的类型、声明的类型以及调用的类型必须一致。我们这个例子里refresh函数的类型是void。

8.3 函数的形式参数和实际参数

上一个程序在进行函数调用的时候，我们不需要任何参数传递，所以函数定义和调用时refresh()括号里是空的，但是更多的时候我们调用函数，主调函数和被调用函数之间是要有参数传递关系的。在调用一个有参数的函数时，函数名后边括号里中的参数叫做实际参数，简称实参。而被调用的函数在进行定义的时候，括号里的参数就叫做形式参数，简称形参，我们找个简单程序例子做说明。

unsigned char add(unsigned char x, unsigned char y);

void main()

{

    unsigned char a = 1;

    unsigned char b = 2;

    unsigned char c = 0;

    c = add(a, b);          //调用时，a和b就是实参，把函数的返回值赋给c

                             //运算完后，c的值就是3

    while(1);

}

unsigned char add(unsigned char x, unsigned char y) //x和y就是形参

{

    unsigned char z = 0;