基于单片机的矩阵键盘与数码管显示实验实践

在单片机开发领域，掌握基础的输入输出控制是迈向复杂项目的关键一步。本次实验聚焦于利用单片机开发板，通过矩阵键盘实现学号后 8 位的输入与数码管显示，旨在掌握数码管显示、软件延时以及键盘扫描及去抖动等核心方法。接下来，就带大家深入剖析实验的全过程。

一、实验目的与内容

本次实验有着明确的目标，即熟练掌握数码管显示方法、软件延时方法以及键盘扫描及去抖动方法。围绕这些目标，实验内容具体为：利用单片机开发板的矩阵键盘，实现个人学号后 8 位的输入和显示；通过矩阵键盘 S1 - S10 输入数字 1 - 0；借助数码管 LED8 - LED1 从左到右显示 8 位学号。

二、实验设计与实现

（一）整体思路

实验采用模块化设计理念，将整个功能拆解为显示、键盘输入检测和计算三个模块。首先，键盘输入检测模块负责扫描确定输入的键码；接着，计算模块依据键码计算出要显示的数字；最后，显示模块完成数字在数码管上的呈现，各模块协同工作实现整体功能。

（二）流程图

整体设计思路：从程序启动开始，先进行初始化操作，随后进入键盘检测循环。一旦检测到按键输入，就调用计算模块处理键码，再将处理后的数字传递给显示模块进行显示，如此循环往复，构成完整的程序逻辑。
显示模块：利用数码管动态显示法，通过 R3 寄存器存放 LED 灯的位选码，从最高位开始逐次递减，实现动态扫描。同时，借助间接寻址 R1 寄存器获取对应数字，完成一轮显示后重新初始化相关寄存器，开启下一轮显示。
键盘检测模块：先对整个键盘进行检测，若检测到输入则调用防抖程序后再次检测，确认有按键按下后，通过行列扫描确定按键的行列号。
计算模块：获取按键的行列号后进行加法运算，将结果保存在栈中，等待按键松开后，将键码存入指定地址区域，并记录数字个数，达到 8 个后重置数据。

（三）主要模块设计思路及分析

显示模块

设计思路上，运用数码管动态显示法，通过 R3 寄存器控制 LED 灯的位选，从高位到低位逐次切换，配合 R1 寄存器间接寻址获取对应数字的段码，实现数字在数码管上的动态显示。

DISPLAY:

;显示位码的选择

MOV A, R3

MOV P2, A

ADD A, #-04H

MOV R3, A

;数字的输入

MOV A, @R1 ;间接读取键码

MOVC A, @A+DPTR

MOV P0, A

INC R1

LCALL D1 ;调用延时

CJNE R3, #0FCH, DISPLAY ;判断八位数字是否显示完毕

;显示一轮完成后开启新的一轮循环

MOV R3, #1CH

MOV R1, #30H

RET

代码中，首先将 R3 中的位选码赋值给 A 并送到 P2 口，控制数码管的位选；然后通过 ADD 指令改变位选码，实现从高位到低位的切换。接着，通过间接寻址从内存中获取数字，再根据数字从段码表中获取对应的段码，送到 P0 口显示。最后，通过调用延时函数和条件判断，完成一轮显示后重新初始化相关寄存器。

检测模块

检测模块先对键盘进行整体检测，发现有输入后调用防抖程序，再次确认后通过行列扫描确定按键位置。

KEY:

LCALL KS

JNZ K1 ;键盘有输入跳转K1

LCALL DISPLAY ;延时

AJMP KEY ;延时后重新检测

K1:

LCALL DISPLAY ;按键去抖

LCALL KS ;再次调用检测子程序

JNZ K2 ;确认有键盘按下转入k2检测

AJMP KEY ;无按键按下则返回继续检测

K2:

MOV R2, #0F7H ;列扫描值确定

MOV R4, #00H ;将第0列号送入R4暂存

K3:

MOV P1, R2 ;将R2的列扫描值送P1口,驱动P1.3为低

;检测行，A中存放行号

;检测第一行

L0:

JB P1.7, L1

MOV A, #00H

AJMP LK

;检测第二行

L1:

JB P1.6, L2

MOV A, #04H

AJMP LK

;检测第三行

L2:

JB P1.5, L3

MOV A, #08H

AJMP LK

;检测第四行

L3:

JB P1.4, NEXT

MOV A, #0CH

在这段代码里，KEY 处先调用 KS 检测是否有按键按下，若有则进行去抖和再次检测。确认有按键后，通过设置 R2 和 R4 进行列扫描，对每一行进行检测，根据 P1 口的状态确定行号，从而获取按键的行列信息。

计算模块

计算模块将获取到的行列号相加，计算出键码，存入指定地址，并处理数字个数达到 8 个时的重置操作。

LK:

ADD A, R4

PUSH ACC

AJMP K4

NEXT:

INC R4 ;列计数器加一

MOV A, R2

JNB ACC.0, KEY ;判断是否扫描完

RR A ;右移扫描码进行下行扫描

MOV R2, A

AJMP K3

K4:

LCALL DISPLAY ;调用显示子程序

LCALL KS ;调用按键检测程序

JNZ K4 ;按键没有松开继续返回检测

POP ACC ;按键松开,将堆栈中的键号送入ACC

INC A ;实际键号加一(表首地址为0)

MOV @R0, A ;将键号保存至保存地址

INC R0 ;地址加一

LCALL DISPLAY ;调用显示子程序

CJNE R0, #39H, KEY ;判断是否已经读取了八个数字

RESET:

DEC R0

MOV @R0, #00H ;地址数字初始化

CJNE R0, #30H, RESET ;判断是否初始化完毕

LJMP KEY ;跳转至KEY重新检测

LK 处将行列号相加后入栈，等待按键松开。按键松开后，将键码出栈并处理，存入 R0 指向的地址，同时地址自增。当输入数字达到 8 个时，进入 RESET 部分进行数据重置，以便重新输入。

三、实现效果

经过代码编写与调试，成功实现了通过矩阵键盘 S1 - S10 输入数字 1 - 0，并在数码管 LED8 - LED1 上从左到右显示 8 位学号的功能。无论是单个数字的输入显示，还是完整学号的录入展示，都能稳定、准确地呈现，达到了预期的实验效果。

四、实验总结

在本次实验过程中，遇到了诸如理解代码逻辑和硬件连接等问题。但通过查阅资料、反复调试和实践，逐步攻克了这些难关。通过这次实验，对 8051 微控制器编程有了更深入的理解，编程和硬件调试技能得到了显著提升。同时，也深刻认识到调试工具在排查问题中的重要性，以及代码注释和模块化设计对于程序可读性和可维护性的关键意义。未来，可以通过增加更详细的注释、优化延时处理算法以及增强用户交互功能，进一步提升程序的健壮性和友好性。

最后附上完整的实验源代码，方便大家参考学习：

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 0100H

MAIN:

MOV R0, #30H ;片内的30H用于存放各个位的键码

MOV R1, #30H ;读取数字地址

MOV R3, #1CH ;R3存放显示位选码

MOV DPTR, #TAB

AJMP KEY

;显示模块

DISPLAY:

;显示位码的选择

MOV A, R3

MOV P2, A

ADD A, #-04H

MOV R3, A

;数字的输入

MOV A, @R1 ;间接读取键码

MOVC A, @A+DPTR

MOV P0, A

INC R1

LCALL D1 ;调用延时

CJNE R3, #0FCH, DISPLAY ;判断八位数字是否显示完毕

;显示一轮完成后开启新的一轮循环

MOV R3, #1CH

MOV R1, #30H

RET

;检测模块

KEY:

LCALL KS

JNZ K1 ;键盘有输入跳转K1

LCALL DISPLAY ;延时

AJMP KEY ;延时后重新检测

K1:

LCALL DISPLAY ;按键去抖

LCALL KS ;再次调用检测子程序

JNZ K2 ;确认有键盘按下转入k2检测

AJMP KEY ;无按键按下则返回继续检测

K2:

MOV R2, #0F7H ;列扫描值确定

MOV R4, #00H ;将第0列号送入R4暂存

K3:

MOV P1, R2 ;将R2的列扫描值送P1口,驱动P1.3为低

;检测行，A中存放行号

;检测第一行

L0:

JB P1.7, L1

MOV A, #00H

AJMP LK

;检测第二行

L1:

JB P1.6, L2

MOV A, #04H

AJMP LK

;检测第三行

L2:

JB P1.5, L3

MOV A, #08H

AJMP LK

;检测第四行

L3:

JB P1.4, NEXT

MOV A, #0CH

;计算模块，计算键码

LK:

ADD A, R4

PUSH ACC

AJMP K4

;检测完一列，换列

;R4寄存器存放列数

NEXT:

INC R4 ;列计数器加一

MOV A, R2

JNB ACC.0, KEY ;判断是否扫描完

RR A ;右移扫描码进行下行扫描

MOV R2, A

AJMP K3

;去长按模块

K4:

LCALL DISPLAY ;调用显示子程序

LCALL KS ;调用按键检测程序

JNZ K4 ;按键没有松开继续返回检测

POP ACC ;按键松开,将堆栈中的键号送入ACC

INC A ;实际键号加一(表首地址为0)

MOV @R0, A ;将键号保存至保存地址

INC R0 ;地址加一

LCALL DISPLAY ;调用显示子程序

CJNE R0, #39H, KEY ;判断是否已经读取了八个数字

;重置模块

RESET:

DEC R0

MOV @R0, #00H ;地址数字初始化

CJNE R0, #30H, RESET ;判断是否初始化完毕

LJMP KEY ;跳转至KEY重新检测

KS:

MOV P1, #0F0H ;按键检测,将P1口低四位置0,高四位置1,为输入

MOV A, P1 ;读入P1口高四位,即读行线的状态

XRL A, #0F0H ;将两次行线的状态相异或,若无按下,则A=0

RET

D1: ;延时子程序(显示延时)

MOV R7, #20

D10: MOV R6, #20

DJNZ R6, $

DJNZ R7, D10

RET

TAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH ;表记录显示段码

DB 3FH

END

希望通过这篇博文，能让大家对单片机矩阵键盘与数码管显示实验有更清晰的认识。如果你在实践过程中有任何疑问或新的想法，欢迎在评论区交流分享！