基于单片机的四位BCD编码器电路设计

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1 引言 BCD码又称二/十进制码，即二进制编码的十进制码，在设计、测试数字电路硬件过程或是面对带有BCD码接口的集成电路时，常常希望方便、快速地产生BCD码来完成当前的工作，检验硬件电路的正确性，例如锁相频率合成集成电路MC145163P带有4位BCD编码接口，用于设置环路N分频器，通过本文介绍而制作完成后的BCD发生器可以提供4位BCD编码输出，方便地控制每位BCD输出，可以快速地得到BCD编码而完成测试或输出BCD编码接到集成电路的BCD编码接口，无需频繁跳线。 另外，BCD编码有8421码、2421码、余3码等多种形式，本文以常见的8421码为例介绍电路的实现和程序的编写。如果对程序略加修改则可以很方便地实现其他类型的编码方式（如2421码）。本电路以AT89C2051为核心设计了4×4的矩阵键盘（S0-S15），这样只需在键盘上按下相应的按键（S0-S9）即可以产生一个对应（十进制0-9）的BCD码，通过设置切换按键（S10-S13）可以随意地控制4位中任意的一位，期间用数码管实时地显示当前BCD码对应的十进制数。 电路功能和特点： 4位BCD编码输出，利用单片机口线可以扩展位数。 改变软件中键号0-键号9（即S0-S9对应功能）的程序可以实现其他编码形式（如2421码）。参见软件部分。 电路以常用的8421码为例，并有数码显示出对应的十进制数（也可以省略）。 完整的4×4的矩阵键盘扫描执行程序，可以移植到其他应用电路中。 BCD编码由锁存器实现信号锁存，并引出接口，方便连接其他电路。 “位”控制和0-9编码输出互不影响，直接按下功能键就可以得到需要的BCD编码输出和“位数”选择。 2 电路框图 电路原理图如图1所示。

3 电路分析

AT89C2051的P1口组成4×4矩阵键盘（S0-S15），其中P1.0-P1.3作为行线，P1.4-P1.7作为列线，设计键盘扫描程序可以达到预先设想的功能（见软件设计部分）。按下S0-S9可以产生0-9十进制数对应的BCD码，S10-S13用作4位BCD码的切换按键，S14、S15暂未使用，可以不安装，P3.3-P3.0是BCD码的数据输出线，从电路中可以看出，因为功用键盘而实现4位BCD编码输出，显然P3.3-P3.0作为数据总线而同时并接在4个D锁存器（4042），通过S10-S13来切换，对于4个D锁存器（U3-U6）每次只有一个有效而把P3.3-P3.0的数据“读入”然后锁存。实际上S10-S13控制P3.4和P3.5的状态（P3.4和P3.5共有4种组合）并通过2-4线译码器（U2；74LS139）得到对应的U3-U6的有效信号，表1是S10-S13控制所对应的各芯片状态，可见，U3-U6中任意一个（例如U3）处于有效状态而“读入”P3.3-P3.0数据时，其余的（U4/U5/U6）处于锁存状态，保留原来数据，因此使用者可以在任意一位中改变所希望的BCD码输出。
U2（74LS139）是2-4线译码器，功能见表1，他的输入端B，A分别接至P3.4，P3.5，输出端Y0-Y3取决于输入端的组合，每种组合下只有一个输出端（Y0-Y3）以低电平有效输出。U3-U6是D锁存器，主要是其中的5脚和6脚关系决定他们的工作状态，查阅资料得知，当5脚和6脚逻辑电位相同时，该芯片可以把D3-D0数据输出到Q3-Q0；当5脚和6脚逻辑电位不同时，该芯片处于锁存原来数据的状态，而不会“读入”当前的D3-D0数据，电路中把U3-U6的6脚固定接低电位，而5脚分别用U2（74LS139）的输出信号来控制，不难实现“可以单独实现对各位BCD码的设置”。4511是译码驱动，接共阴数码管显示当前每位的BCD码所对应的十进制数，方便观察，显示部分很简单，此处不在赘述，同时，显示部分在电路上不是必须的，可省略，BCD码通过J3和J2引出，之所以用两个链接器是为了更灵活、方便使用。

4 软件设计

主要是实现键盘处理，程序中必须确认是哪一个按键被按下，然后转到相应的处理程序中执行，实际上该程序是一个完整的键盘扫描程序，如果改动其中的处理子程序完全可以应用到其他的控制电路中，下文附有详细的程序和说明供参考，图2是流程图。
键盘扫描程序的任务简单讲就是：首先确认是否有按键按下，然后通过扫描判断来得到是在哪一行的按键，最后通过比较预先设定的4行表格查找并计算得到具体的按键，从而转到相应的功能程序。

（1）置列线为输入状态（P1.4-P1.7为1），行线（P1.0-P1.3）先为0，即设定的P1.7-P1.0等于F0H并把该状态保存，接这读入当前P1口状态，不难理解，只要有按键（任何一个）按下，P1口的状态肯定不是原来设定的P1.7-P1.0等于F0H，通过判断就可以实现第一步的目的：首先确认是否有按键按下？

（2）从第一行（P1.0行）开始一步步扫描，找出并确认按键在哪一行，扫描的方法步骤见表2。行线每次只有一个为0，例如第1次扫描时设定P1.0为0，而P1.1-P1.3为1，显然，在当前扫描过程中按下按键如果不是P1.0行，那么P1口状态始终是FEH，因此表2说明中强调“只有任一次比较P1口不等于该数值，说明当前按键就在该行”就是这样的含义，其余各次比较也是一样道理，通过这样的判断，可以实现查找按键所在得行数。

（3）程序中定义了4个表KEYVALTAB1-KEYVALTAB4，分别存放的数据用来为比较程序服务而指示出各行的按键具体位置，表3列出按键标号和比较数据对应关系，在R2中存放行号的起始值，R0用来存放在每一行中查到按键的具体位置（R0范围是0-3），各行查找时比较的数据见表（3）。读写可以简单分析就可以得到结果，假设通过程序先判断按键在第一行，显然如果S0按下，P1.7-P1.0的状态是11101110（S1连接于P1.0和P1.4），也就是表3中S0→EEH。
（4）KEYCALCU子程序中通过乘3运算用于散转指令JMP，注意LJMP是3字节指令，各按键对应的功能程序安排在一起串LJMP，所以通过乘3运算才能正确对应到各按键的执行目标功能程序。
关于各键的相应处理功能就较简单，只要对应不同的按键输入相应的控制命令，对于S0-S9是控制P3.3-P3.0不同的状态以得到所对应的BCD编码，对于S10-S13则是控制P3.4，P3.5的状态以实现对U3-U6的控制，限于篇幅，详细内容可以参见程序，程序开始执行时是逐个控制4位BCD编码输出，对应的数码管依次显示，初始状态为0001，0000，0000，0000 4位BCD码分别从J3，J2引出，数码管显示为1，0，0，0。

5 4×4键盘扫描程序