惠州学院单片机魏暁慧老师课件第五章输入输出接口.ppt

MCS-51单片机内部结构 内部结构框图如下：,MCS-51单片机外部引脚 封装形式， 见右图：,MCS-51单片机内存配置,MCS-51单片机的内存结构,对单片机的控制，其实就是对I/O口的控制，无论单片机对外界进行何种控制，或接受外部的何种控制，都是通过I/O口进行的。51单片机总共有P0、P1、P2、P3四个8位双向输入输出端口，每个端口都有锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。4个I/O端口都能作输入输出口用，其中P0和P2通常用于对外部存储器的访问。,第五章 输入输出接口P0P3,5.1 MCS-51单片机的并行端口结构与操作,51系列单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。每个端口都包括一个锁存器(即专用寄存器P0P3)、一个输出驱动器和输入缓冲器。通常把4个端口笼统地表示为P0P3。,下图为P0口的某位P0.n(n=07)结构图，它由一个 输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路 及控制电路组成。从图中可以看出，P0口既可以作 为I/O用，也可以作为地址/数据线用。,一、P0口的结构,1、P0口作为普通I/O口,输出时, 输入时-分读引脚或读锁存器 读引脚：由传送指令(MOV)实现； 下面一个缓冲器用于读端口引脚数据，当执行一条由端口输入的指令时，读脉冲把该三态缓冲器打开，这样端口引脚上的数据经过缓冲器读入到内部总线。, 输入时-分读引脚或读锁存器 读锁存器：有些指令 如：ANL P0，A称为“读-改-写” 指令，需要读锁存器。上面一个缓冲器用于读端口锁存器数据。,*原因：如果此时该端口的负载恰是一个晶体管基极，且原端口输出值为1，那么导通了的PN结会把端口引脚高电平拉低；若此时直接读端口引脚信号，将会把原输出的“1”电平误读为“0”电平。现采用读输出锁存器代替读引脚，图中，上面的三态缓冲器就为读锁存器Q端信号而设，读输出锁存器可避免上述可能发生的错误。*,P0口必须接上拉电阻； 在读信号之前数据之前，先要向相应的锁存器做写1操作的I/O口称为准双向口； 三态输入缓冲器的作用： （ANL P0，A）,准双向口： 从图中可以看出，在读入端口数据时，由于输出驱动FET并接在引脚上，如果T2导通，就会将输入的高电平拉成低电平，产生误读。所以在端口进行输入操作前，应先向端口锁存器写“1”，使T2截止，引脚处于悬浮状态，变为高阻抗输入。这就是所谓的准双向口。,CPU发出控制电平“1”，打开“与”门，又使多路开关MUX把CPU的地址/数据总线与T2栅极反相接通，输出地址或数据。由图上可以看出，上下两个FET处于反相，构成了推拉式的输出电路，其负载能力大大增强。,2、P0作为地址/数据总线,P0引脚输出地址/输入数据 输入信号是从引脚通过输入缓冲器进入内部总线。 此时，CPU自动使MUX向下，并向P0口写“1”，“读引脚”控制信号有效，下面的缓冲器打开，外部数据读入内部总线。,2、P0作为地址/数据总线,-真正的双向口,二、P2的内部结构,1.P2口作为普通I/O口,CPU发出控制电平“0” ，使多路开关MUX倒向锁存器 输出Q端，构成一个准双向口。其功能与P1相同。,2.P2口作为地址总线 在系统扩展片外程序存储器扩展数据存储器且容量超过256B (用MOVX DPTR指令)时，CPU发出控制电平“1”，使多路开关MUX倒内部地址线。此时，P2输出高8位地址。, 5.2 P1口、P3口的内部结构,P1口的一位的结构 它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成-准双向口。,P3的内部结构,D Q CLK Q,P3.n,读锁存器,内部总线,写锁存器,读引脚,VCC,R,T,P3口引脚,第二输入功能,第二输出功能,一、作为通用I/O口与P1口类似-准双向口(W=1),W,P3的内部结构,D Q CLK Q,P3.n,读锁存器,内部总线,写锁存器,读引脚,VCC,R,T,P3口引脚,第二输入功能,第二输出功能,二、P3第二功能(Q=1) 此时引脚部分输入(Q=1、W=1) ,部分输出(Q=1、W输出) 。,W,综上所述：当P0作为I/O口使用时，特别是作为输出时，输出级属于开漏电路，必须外接上拉电阻才会有高电平输出；如果作为输入，必须先向相应的锁存器写“1”，才不会影响输入电平。 当CPU内部控制信号为“1”时，P0口作为地址/数据总线使用，这时，P0口就无法再作为I/O口使用了。,P1、P2 和P3 口为准双向口, 在内部差别不大, 但使用功能有所不同。 P1口是用户专用 8 位准双向I/O口, 具有通用输入/输出功能, 每一位都能独立地设定为输入或输出。当有输出方式变为输入方式时, 该位的锁存器必须写入“1”, 然后才能进入输入操作。 P2口是 8 位准双向I/O口。外接I/O设备时, 可作为扩展系统的地址总线, 输出高8位地址, 与P0 口一起组成 16 位地址总线。 对于 8031 而言, P2 口一般只作为地址总线使用, 而不作为I/O线直接与外部设备相连。,小结： 1、P0口：地址低8位与数据线分时使用端口， 2、P1口：按位可编址的输入输出端口， 3、P2口：地址高8位输出口 4、P3口：双功能口。若不用第二功能，也可作通用I / O 口。 5、按三总线划分：,地址线：P0低八位地址，P2高八地址； 数据线：P0输入输出8位数据； 控制线：P3口的8位加上/PSEN、ALE共同完成 控制总线。,归纳四个并行口使用的注意事项如下： 1、如果单片机内部有程序存贮器，不 需要扩展外部存贮器和I/O接口，单 片机的四个口均可作I/O口使用。 2、四个口在作输入口使用时，均应先 对其写“1”，以避免误读。 3、P0口作I/O口使用时应外接10K的上拉电阻，其它口则可不必。 4、P2可某几根线作地址使用时，剩下的线不能作I/O口线使用。 5、P3口的某些口线作第二功能时，剩下的口线可以单独作I/O口线使用。,5.2 编程举例,例5-1.设计一电路，监视某开关K，用发光二极管LED显示开关状态，如果开关合上，LED 亮、 开关打开，LED熄灭。 分析：设计电路如图5. 2如示。 开关接在P1.1口线，LED接P1.0口线，当开关断开时，P1.1为+5V，对应数字量为“1”，开 关合上时P1.1电平为0V，对应数字量为“0”，这样就可以用JB指令对开关状态进行检测 。,LED正偏时才能发亮，按电路接法，当P1.0输出“1”，LED正偏而发亮，当P1.0 输出“0” ，LED 的两端电压为 0 而熄灭。,编程如下： CLR P1.0 ；使发光二极管灭 AGA:SETB P1.1 ；先对P1口写入“1” JB P1.1，LIG ；开关开，转LIG SETB P1.0 ；开关合上，二极管亮 SJMP AGA LIG: CLR P1.0 ；开关开，二极管灭 SJMP AGA,在上述电路图中二极管亮度不够，按下面两种电路接法，增加了驱动能力，二极管更亮些。 接成灌电流形式：,加驱动电路：,用汇编语言编程 ORG 0000H MOV P1,#0FFH ;高四位的LED全灭， 低四位输入线送“1”， ABC: MOV A,P1 ;读P1口引脚开关状态，并送入A SWAP A ;低四位开关状态换到高四位 ANL A,#0F0H ;保留高四位 MOV P1,A ;从P1口输出 ORL P1,#0FH ;高四位不变，低四位送“1”， 准备下一轮读开关 SJMP ABC ;循环执行，方便反复调整开关 状态观察执行结果,例3.用P1.0输出1KHz和500Hz的音频信号驱动扬声器，作报警信号，要求1KHz信号响100ms ，500Hz信号响200ms，交替进行，P1.7接一开关进行控制，当开关合上响报警信号，当开关断开告警信号停止，编出程序。 分析：500Hz信号周期为2ms，信号电平为每1ms变反1次。1KHz的信号周期为1ms，信号电平 每500S变反1次，编一个延时500S子程序，延时1ms只需调用2次。用R2控制音响时间长短，A作音响频率的交换控制的标志。A=FF时产生1KHz信号，A=0时产生500Hz信号。,ORG 0000H CLR A ；A作1KHz，500Hz 转换控制 BEG: JB P1.7, ；检测P1.7的开关状态 MOV R2, #200 ；开关闭合报警，R2控制音响时间 DV：CPL P1.0 CJNE A, #0FFH, N1 ；AFFH，延时500S ACALL D500 ；A=FFH ; 延时1ms P1.0变反 N1：ACALL D500 DJNZ R2，DV CPL A SJMP BEG D500:MOV R7, #250 ；延时500 S子程序 DJNZ R7, RET END,5.3 用并行口设计LED数码显示器 和键盘电路,键盘和显示器是单片机应用系统中常用的输入输出装置。LED数码显示器是常用的显示器之一，下面介绍用单片机并行口设计LED数码显示电路和键盘电路的方法。,5.3.1用并行口设计LED显示电路 1. LED显示器及其原理 LED有着显示亮度高，响应速度快的特点，最常用的是七段式LED显示器，又称数码管。 七段LED显示器内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的亮暗组合成字符。常见LED的管脚排列见图5.4(a)。其中COM为公共点，根据内部发光二极管的接线 形式，可分成共阴极型图(5.4(b)和共阳极型图(5.4(c)。,0 0 1 1 1 1 1 1 3fh,x g f e d c b a,LED数码管的ga七个发光二极管因加正电压而发亮，因加零电压而不能发亮，不同亮暗的组合就能形成不同的字形，这种组合称之为字形码(段码)，如显示”0”,字形码为3fh.,x g f e d c b a,0 0 0 0 0 1 1 0 06h,显示”1”,字形码为06h.,显示”2”,字形码为5bh.,(b),dp,com,a,b,c,d,e,f,g,dp,c,d,e,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,com,com,a,b,c,e,f,g,x g f e d c b a,0 1 0 1 1 0 1 1 5bh,显然共阳极和共阴极的字形码是不同的 ，其字形码见表5.2。LED数码管每段需1020ma的驱动电流，可用TTL或CMOS器件驱动。 字形码的控制输出可采用硬件译码方式，如采用BCD 7段译码/驱动器74LS48、74LS49、CD4511(共阴极)或74LS46、74LS47、CD4513 (其阳极)也可用软件查表方式输出。,为使LED显示不同的符号或数字，要为LED提供段码 （或称字型码）。,提供给LED显示器的段码（字型码）正好是一个字 节（8段）。各段与字节中各位对应关系如下：,按上述格式，8段LED的段码如表10-1所示。,表10-1 LED段码（8段）,表10-1只列出了部分段码，可根据实际情况选用。,另外，段码是相对的，它由各字段在字节中所处的 位决定。例如表10-1中8段LED段码是按格式：,而形成的， “0”的段码为3FH（共阴）。反之，如 将格式改为下列格式：,则 “0”的段码为7EH（共阴）。,字型及段码由设计者自行设定，习惯上还是以“a” 段对应段码的最低位。,N个LED显示块有N位位选线和8N根段码线。,LED显示器工作原理,图10-2是4位 LED显示器的结构原理图。,段码线控制显示的字型，,位选线控制该显示位的亮或暗。,静态显示和动态显示两种显示方式。,1. 静态显示方式,各位的公共端连接在一起（接地或+5V）。,每位的段码线（adp）分别与一个8位的锁存器 输出相连。,显示字符一确定，相应锁存器的段码输出将维持 不变，直到送入另一个段码为止。显示的亮度高。,图10-3: 4位静态LED显示器电路。该电路各位可独立显示。,2. 动态显示方式,所有位的段码线相应段并在一起，由一个8位I/O 口控制，形成段码线的多路复用，各位的公共端分别由 相应的I/O线控制，形成各位的分时选通。,图10-4：4位8段LED动态显示电路。其中段码线占用一个8位I/O口，而位选线占用一个4位I/O口。,图10-5为8位LED动态显示2003.10.10的过程。,图（a)是显示过程，某一时刻，只有一位LED被选通 显示，其余位则是熄灭的；,图（b)是实际显示结果，人眼看到的是8位稳定的 同时显示的字符。,例如图5.5是接有五个共阴极数码管的动态显示接口电路，用74LS373接成直通的方式作驱动 电路，阴极用非门74LS04反相门驱动，字形选择由P1口提供，位选择由P3口控制。 当P3.0P3.4轮流输出1时，五个数码管轮流显示。P1.7接开关，当开关打向位置“1”时， 显示“12345”字样，当开关打向“2”时，显示“HELLO”字样，程序清单如下：,1,2,用汇编语言编程 ORG 0000H MOV P3，#0 ；清显示 TEST:SETB P1.7 JB P1.7，DIR1 ；检测开关 MOV DPTR，#TAB 1 ; 开关置于1，12345字形表头地址 SJMP DIR DIR1: MOV DPTR，#TAB2 ; 开关置于2，“HELLO”字形表头 DIR: MOV R0，#0 ；R0存字形表偏移量 MOV R1，#01 ；R1置数码表位选代码 NEXT:MOV A，R0 MOVC A，A+DPTR ; 查字形码表1 MOV P1，A ；送P1口输出,MOV A，R1 MOV P3，A ；输出位选码 ACALL DAY ；延时 INC R0 ；指向下一位字形 RL A ；指向下一位 MOV R1，A CJNE R1，#20H，NEXT ;五个 数码管显示完? SJMP TEST DAY:MOV R6，#20 ; 延时20ms子程序 DL2: MOV R7，#7DH DL1: NOP NOP,DJNZ R7，DL1 DJNZ R6，DL2 RET TAB1:db 06H,5BH,4FH,66H,6DH ; “15”的字形码 TAB2:db 78H,79H,38H,38H,3FH ; “HELLO”的字形码 END,键盘接口原理,1. 键盘输入的特点,键盘：一组按键开关的集合。,行线电压信号通过键盘开关机械触点的断开、闭合， 输出波形如图10-6。,2. 按键的确认,检测行线电平，便可确认按键按下与否。 高电平：断开；低电平：闭合，,常用软件来消除按键抖动。,基本思想：检测到有键按下，键对应的行线为低，软 件延时10ms后，行线如仍为低，则确认该行有键按下。,3.如何消除按键的抖动,当键松开时，行线变高，软件延时10ms后，行线仍为 高，说明按键已松开。,采取以上措施，躲开了两个抖动期t1和t3的影响。,键盘接口的工作原理,独立式按键接口和行列式键盘接口。,1.独立式键盘接口,各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检 测输入线的电平状态可很容易判断那个键被按下。,此种接口适于键数较少或操作速度较高的场合。,图10-7（a）为中断方式的独立式键盘工作电路,图10-7（b）为查询方式的独立式键盘工作电路。,图10-8为8255A扩展I/O口的独立式按键接口电路。,图10-9用三态缓冲器扩展的I/O口的按键接口电路。,对图10-9独立式键盘编程，软件消抖，查询方式检测键的状态。仅有一键按下时才有效才处理。,KEYIN:MOV DPTR,#0BFFFH；键盘端口地址BFFFH MOVX A,DPTR ；读键盘状态 ANL A,#1FH ；屏蔽高三位,MOV R3,A ；保存键盘状态值 LCALL DELAY10 ；延时10ms去键盘抖动 MOVX A,DPTR ；再读键盘状态,ANL A,#1FH ；屏蔽高三位,CJNE A,R3,RETURN ；两次不同，抖动引起转RETURN,CJNE A,#1EH,KEY2 ；相等，有键按下，不等转KEY2,LJMP KEY1 ;是K1键按下，转K1键处理 ；子程序PKEY1 KEY2: CJNE A,#1DH,KEY3 ;S2键未按下，转KEY3 LJMP KEY2 ;S2键按下，转PKEY2处理 KEY3: CJNE A,#1BH,KEY4 ;S3未按下，转KEY4 LJMP KEY3 ;S3按下，转PKEY3处理 KEY4: CJNE A,#17H,KEY5 ;S4键未按下，转KEY5 LJMP KEY4 ;S4按下，转PKEY4处理 KEY5: CJNE A,#0FH,PASS ;S5未按下，转RETURN LJMP KEY5 ;S5按下，转PKEY5处理 RETURN:RET ;重键或无键按下，从子程序返回,识别和编程简单，用在按键数较少的场合。,2. 行列式(矩阵式)键盘接口,用于按键数目较多的场合，由行线和列线组成， 按键位于行、列的交叉点上。如图10-10所示。,按键数目较多的场合，行列式键盘与独立式键盘 相比，要节省很多的I/O口线。,（1）行列式键盘工作原理,无键按下，该行线为高电平，当有键按下时，行线电平有列线的电平来决定。,由于行、列线为多键共用，各按键彼此将相互发 生影响，必须将行、列线信号配合起来并作适当的处 理，才能确定闭合键的位置。,（2）按键的识别方法,a. 扫描法,图10-10（b）中3号键被按下为例，来说明此键 时如何被识别出来的。,识别键盘有无键被按下的方法，分两步进行：,第1步：识别键盘有无键按下；,第2步：如有键被按下，识别出具体的按键。,把所有列线置0，检查各行线电平是否有变化，如有变化，说明有键按下，如无变化，则无键按下。,上述方法称为扫描法，即先把某一列置低电平， 其余各列为高电平，检查各行线电平的变化，如果某 行线电平为低，可确定此行列交叉点处的按键被按 下。,b. 线反转法,只需两步便能获得此按键所在的行列值，线反转 法的原理如图10-11。,第1步：列线输出为全低电平，则行线中电平由高变低 的所在行为按键所在行。,第2步：行线输出为全低电平，则列线中电平由高变低 所在列为按键所在列。,结合上述两步，可确定按键所在行和列。,（3）键盘的编码,根据实际需要灵活编码。,10.2.3 键盘的工作方式,单片机在忙于各项工作任务时，如何兼顾键盘的输 入，取决于键盘的工作方式。,下图中，用8XX51的并行口P1接44矩阵键盘， 以P1.0P1.3作输出线，以P1.4P1.7作输入线，键盘扫描程序的流程如图5.7所示。,5,a,Y,返回键编码,读P1.3P1.4值,置行扫描初值,扫描位从P1口输出,P1口的高四位和低四位 相或得键编码,扫到最后一行?,N,N(有键按下）,N,开始,P1.0P1.3输出0,延时去抖动,P1.4P1.7全为1?,P1.4P1.7全为1?,Y,Y(无键按下),对键盘的程序流程图5.7说明如下： 当P1.0P1.3输出0时，如无键按下，P1.4P1.7的输入值均为“1”，如果其中有一个不是 “1”，说明有键按下，再使P1.0P1.3逐个输出零(行扫描)，检查P1.4P1.7的输入值有 无零，从而查出是哪行哪列的键按下。在判按键时，按键有抖动，可采用延时后再重读以跳 过抖动时段(也可用R-S触发器闩锁电路硬件消抖，但这样电路复杂，在矩阵键盘中不采用)。,程序清单如下： ORG 0000H TEST: MOV P1,#0F0H ； P1.0P1.3输出0, P1.4P1.7 输出1,作输入位 MOV A,P1 ；读键盘，检测有无键按下 ANL A,#0F0H ； 屏蔽P1.0P1.3， 检测P1.4P1.是否全为1 CJNE A, #0F0H,HAVE ； P1.4P1.7不全为1， 有键按下 SJMP TEST ；P1.4P1.7全为1， 无键按下，重检测键盘 HAVE: MOV A,#0FE ；有键按下，逐行扫描键盘， 置扫描初值,NEXT: MOV B,A ；扫描码暂存于B MOV P1,A ；输出扫描码 READ: MOV A,P1 ；读键盘 ANL A,#0F0H ； 屏蔽P1.0P1.3， 检测P1.4P1.是否全为1 CJNE A,0F0H,YES ；P1.4P1.7不全为1， 该行有键按下 MOV A,B ；被扫行无键按下，准备查下一行 RL A ；置下一行扫描码 CJNE A,#0EFH,NEXT ；未扫到到最后一行循环 YES: ACALL DAY ；延时去抖动,AREAD: MOV A,P1 ；再读键盘 ANL A,#0F0H ； 屏蔽P1.0P1.3，保留P1.4 P1.7(列码) MOV R2,A ；暂存列码 MOV A, B ANL A,#0FH ；取行扫描码 ORL A,R2 ；行码、列码合并为键编码 YES1: MOV B,A ；键编码存于B LJMP SAM38 ；转键分析处理程序（见例3-8） ,例如图5-6中的“a”键，的编码为同样可得“5” 键编码为BBH，由此可将每个按键的编码排出来，通过查表程序转不同的按键处