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利用MAX7219与74LS164构造显示、键盘接口电路 摘要 以单片机为基础，应用8位LED显示驱动IC MAX7219与移位寄存器74LS164构成的单片机应用系统的显示、键盘接口，可大大减少I/O口线占用数量及硬件电路的复杂程度，对单片机测试系统具有一定的实用和参考价值。
关键词：单片机、MAX7219，LED显示、74LS164、键盘
引言：以单片机为核心的开发工控装置和智能仪表中，显示器和键盘是不可缺少的人机借口。传统显示、键盘电路设计常采用两种方法：以实用8155，8255并行口扩展构成显示、键盘电路；二是串行口配上移位寄存器74LS164构成硬件译码静态显示、键盘接口电路。但前者占用硬件资源和引脚多，且需要软件定时刷新；后者占用I/O口线少，但硬件资源占用多，电路复杂，耗电量大。为充分利用资源，使设计出的系统最小、最优，我们在利用C8051F310设计智能化测控仪表时，选用MAX7219与74LS164仅占用6根普通I/O口线完成对8位数码管和8按键的现实键盘接口，即简化电路又使单片机引脚得到充分利用。 1． 主要芯片简介
MAX7219是一个高集成化的串行输入/输出的共阴极LED驱动显示器，每片可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管，可以数片级联，与MCU的连接仅需3根普通I/O口线。片内含有移位寄存器、B码译码器、多通道扫描电路、段和位驱动器以及8个数字和6个控制寄存器。数字寄存器由一个8×8双端口SRAM实现，用来存放点亮对应LED的具体内容，可直接寻址。6个控制寄存器分别为：译码方式、显示亮度、扫描界限、停机、显示测试和非操作寄存器。用户只需对数字和控制寄存器编程就可选择译码方式、LED个数、显示亮度、关闭、测试等功能。允许每个数字选择B译码或不译码，每个数字可被寻址和更新，而不需要重写整个显示器。只需外接一个电阻就可为所有的LED提供段电流。
MAX7219采用24脚双列直插封装，其引脚排列如图1所示，引脚功能如表1所列。
图1 MAX7219引脚排列图
表1 MAX7219引脚功能
引 脚 名 称
功 能 1 2,3,5~8,10,11 4,9 12 13 14~17,20~23 18 19 24 DIN DIG0~7 GND LOAD CLK SEG A~G,DP ISET V+ DOUT 串行数据输入。在CLK的上升沿，数据被加到内部16位移位寄存器中。 8位数字驱动线，它从显示器吸入电流。 地（两个GND引脚必须相连）。 装载数据输入，在LOAD的上升沿，串行输入数据的最后16位被锁存。 时钟输入，最高频率为10Hz。在CLK的上升沿，数据被移入到内部移位寄存器中；在始终的下降沿，数据从DOUT输出。 7段驱动器和小数点线，它供给显示器电流。 通过一个电阻（RSET）接到V+以建立峰值段电流。 电源电压。 串行数据输出，输入到DIN的数据在16.5个时钟周期后在DOUT端有效。 对于14个寄存器的寻址和数据修改用一组16位串行数据完成。数据格式如表所示。由16位数据包发送到DIN端的串行数据在每个CLK的上升沿被移入到内部16位移位寄存器中。然后，在LOAD的上升沿数据被锁存到数据或控制寄存器中。LOAD必须在第16个时钟上升沿同时或之后，但在下一个时钟上升沿之前变高，否则数据将会丢失，DIN端的数据通过移位寄存器传送，并在16.5个时钟周期后出现在DOUT端。数据在CLK的下降沿输出。数据位标记为D0~D15（表2）。D8~D11包含寄存器地址，D0~D7包含数据，而D12~D15位“无关”位。接收到的第一位为D15，为最高位。 D15 D14 D13 D12 D11 ×
74LS164位8位串行输入/并行输出移位寄存器。14脚双列制插式封装。其引脚排列如图2所示，引脚功能如表3所列。
× × × D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 地址 MSB 数据 LSB
引脚 1，2 8 9 3~6，10~13 7 14 GND Vcc 地。 电源电压。 名 称 A B CP MR Q0~Q7 功 能 串行数据输入，二者连在一起，或不用的一脚接高电平。 时钟输入，在其上升沿，使数据右移，A＆B送入Q0。 复位端，低电平时使Q0~Q7清零。 并行数据输出端。
2． 接口电路及工作原理
接口电路如图所示。用MAX7219构成动态显示电路，74LS164构成键盘电路。
显示部分
由8051的P1.3提供MAX7219芯片的DIN的16位串行数据，P1.4提供MAX7219串行移位脉冲，P1.5提供数据锁存信号。从8051到MAX7219的DIN的数据基本传输格式为16位串行数据，且先送高位后送低位，故传送数据时，将16位串行数据分成两个字节传送，第一个字节传送控制数据，第二个字节传送显示数据。先将最高位串行数据输至P1.3后，是P1.4发生从0到1的跳变，再将下一位串行数据输至P1.3，直到16位数据传送完毕，使P1.5发生由0到1的跳变，将数据装载入MAX7219中。
键盘部分
采用定时器逐列扫描查询法，由8051的P1.1提供74LS164芯片的8位串行扫描数据，P1.2提供74LS164的串行移位脉冲，P1.0为行状态查询端。将列线逐列置低电平，即逐次由P1.1向74LS164输送扫描字，再查询P1.0的，若为低电平，则有键按下；否则，送下个扫描字。8位扫描数据先将其最高位的输至P1.7瑞，使P1.6端发生从0到1的跳变然后，再将次高位输至P1.7端，共循环8次，即可将数据传送至74LS164中。定时器每隔10ms查询一次，若连续两次有同一按键按下，则认为有键按下。
3．部分程序设计
MAX7219的编程非常简单，只占用系统的3个普通I/O口，本例使用的是P1.5，P1.6与P1.7口，实际上改用其它任意3个普通I/O口都可以。为了使读者更容易理解下面的程序，有必要对MAX7219的工作原理作一归纳。
(1)从CPU输出I/O口到MAX7219芯片DIN数据输入口的基本数据传输格式为16位串行数据，不管是传送控制数据还是显示数据，都是按16位串行数据进行的。
(2)对单片MAX7219而言，传送的顺序从DIG0到DIG7，即先送高位，后送低位，而且每一位所对应的16位串行数据也是从位15开始至位0结束，这一点恰好与常用的单片机系统移位寄存器74LS164相反。 (3)在多片MAX7219串联方式下，CPU先最远端的MAX7219芯片传送数据，然后依次由远到近，最后才传送相邻最靠近的CPU的那一片MAX7219。
注意到以上几点，编程应该说不是件难事。就图1对应的原理图来说，可以对两片MAX7219一次同时传送数据，即采用32位串行数据移位通信的方法，也可以充分利用MAX7219的不工作方式寄存器。对两片MAX7219分别送16位串行数据，这样程序会更简洁一些，而且可读性更好。下面介绍的是采用上述第二种方法编制的程序。