湖南工大单片机课件第08章 单片机常用接口技术

2020 4 14 1 第8章单片机的常用接口技术 单片机原理与应用系统设计 电子工业出版社 2009 7欧伟明何静凌云刘剑等编著 2020 4 14 2 本章主要内容 键盘接口显示器接口DAC接口ADC接口外部并行三总线接口大功率器件驱动接口 2020 4 14 3 8 1键盘接口 独立式按键矩阵键盘 2020 4 14 4 实现键信息输入与执行键功能 抖动时间长短与开关的机械特性有关 一般为5 10ms 为保证CPU对键的一次闭合仅作一次键输入处理 必须去除抖动影响 1 键盘的分类和工作原理 2 键盘接口所要解决的问题 单片机常用的键盘有全编码键盘和非编码键盘两种 本节着重介绍非编码键盘 2020 4 14 5 8 1 1独立式按键 1 独立式按键结构 2020 4 14 6 独立式按键结构的键盘是最简单的键盘电路 每个键独立接入一根输入线 这种键盘的优点是结构简单 使用十分方便 目前这种结构的键盘应用还相当普遍 这种键盘的缺点是随着键数数量的增加所占用的I O口线也增加 独立式按键结构的键盘在没有键按下时 数据输入线均为高电平 当有键按下时 与之对应的数据线将变成低电平 因此可用位指令判别是否有键按下 2020 4 14 7 程序清单 START MOVA 0FFHMOVP1 A 置输入方式L1 MOVA P1 读入键状态CJNEA 0FFH L3 有键按下 转L3SJMPL1 无键按下 转L13L3 LCALLDELAY 延时10msMOVA P1 再读P1口CJNEA 0FFH L2 确实有键按下 转L2SJMPL1 是键抖动 返回L2 JNBACC 0 TAB0 转0号键首地址JNBACC 1 TAB1 转1号键首地址JNBACC 2 TAB2 转2号键首地址JNBACC 3 TAB3 转3号键首地址JNBACC 4 TAB4 转4号键首地址JNBACC 5 TAB5 转5号键首地址JNBACC 6 TAB6 转6号键首地址JNBACC 7 TAB7 转7号键首地址SJMPL1 再次读入键状态 2 独立式按键的程序 2020 4 14 8 TAB0 LJMPOPR0 转向0号键功能程序TAB1 LJMPOPR1 TAB7 LJMPOPR7 OPR0 0号键功能程序 LJMPSTART 0号键功能程序执行完返回 OPR7 LJMPSTART 2020 4 14 9 8 1 2矩阵键盘 独立式按键电路每个按键开关占用一根I O口线 当按键数较多时 要占用较多的I O口线 因此在按键数大于8时 通常多采用矩阵式 也称行列式 键盘电路 矩阵式按键电路 2020 4 14 10 读输入口P1 0 P1 3的状态 若输入缓冲器的状态全部为 1 则表示所在行无键按下 若输入缓冲器不全为 1 说明所在行有键按下 CPU停止当前行线扫描 转入到列线扫描 列线P1 0 P1 3为 0 状态的列表示对应列有键按下 这样 行线与列数交叉键就是扫描到的按键 行列式键盘工作原理 2020 4 14 11 键扫描方式 程控扫描方式 CPU从执行程序就开始了键盘的扫描 等待来是键盘的命令 定时扫描方式 在程序初始化时 先对定时 计数器进行设置 使其每10ms中断一次 每次中断 CPU将去扫描一次键盘 若两次中断扫描到有键按下 这里考虑了消抖动 CPU将对键作相应的处理 中断扫描方式 采用中断扫描方式必需有外部中断接口 当有键按下时 产生中断请请求 CPU响应中断 在中断服务程序扫描键盘 作相应处理 这是多任务应用系统常用的一种方式 2020 4 14 12 2020 4 14 13 由于P1口为双向I O口 可以采用一种称为 线路反转 的方法识别键值 步骤如下 P1 0 P1 3输出0 由P1 4 P1 7输入并保存数据到A中 P1 4 P1 7输出0 由P1 0 P1 3输入并保存数据到B中 A的高四位与B的低四位组合成为键码值 查表求得键值 中断方式键盘编程下面以4 4键盘为例来说明键盘扫描程序的编写 2020 4 14 14 线路反转键盘程序如下 ORG0000HLJMPSTARTORG0003H 外部中断入口LJMPFZH 转读键值程序ORG0030HSTART MOVP1 0FHMOVIE 81H CPU开中断 允许外部中断0的中断 ORG0080H 键盘扫描中断服务程序FZH SETBRS0 保护第0组工作寄存器 主程序中默认用第0组 MOVP1 0F0H 设P1 0 P1 3输出0MOVA P1 读P1口ANLA 0F0H 屏蔽低4位 保留高4位MOVB A P1 4 P1 7的值存BMOVP1 0FH 反转设置 设P1 4 P1 7输出0MOVA P1 读P1口ANLA 0FH 屏蔽高4位 保留低4位ORLA B 与P1 4 P1 7的值相或 形成键码MOVB AMOVR0 00H 置键号初值MOVDPTR TAB 2020 4 14 15 LOOP MOVA R0MOVCA A DPTR 查表求键值CJNEA B NEXT2 与按键值相比较 如果不相等 继续SJMPRR0 相等返回 键值在A中NEXT2 INCR0 键号加1CJNER0 10H LOOPRR0 CLRRS0 恢复第0组工作寄存器RETITAB DB0EEH 0EDH 0EBH 0E7H 0 1 2 3号按键的键值DB0DEH 0DDH 0DBH 0D7H 4 5 6 7号按键的键值DB0BEH 0BDH 0BBH 0B7H 8 9 10 11号按键的键值DB07EH 07DH 07BH 077H 12 13 14 15号按键的键值END 2020 4 14 16 8 2显示器接口 LED数码管LED数码管的静态显示接口LED数码管的动态显示接口 2020 4 14 17 8 2 1LED数码管 LED数码管是由发光二极管显示字段的显示器件 在微机应用系统中通常使用的是七段LED 这种显示块有共阴极与共阳极两种 2020 4 14 18 8位LED数码管显示器有8根位选线和64根段选线 根据显示方式不同 位选线与段选线的连接方法不同 段选线控制字符选择 位选线控制数码管的亮 灭 2020 4 14 19 8 2 2LED数码管的静态显示接口 数码管既可直接接单片机的口线 如果是P0口的话 只能接共阳极的 接共阴的要接上拉电阻 又可通过锁存器接单片机口线 所谓静态显示 就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I O接口用于笔划段字形代码 通过MCU的口线的显示接口电路 2020 4 14 20 静态显示的特点是 原理简单 显示亮度强 无闪烁 但占用I O资源较多 静态显示电路 2020 4 14 21 LED数码管静态显示子程序如下 DISP PUSHACC 保护现场PUSHDPHPUSHDPLMOVSCON 00H 初始化串行口为工作方式0MOVR1 08H 显示8个数据MOVR0 67H 显示缓冲区首地址送R0MOVDPTR SEGTAB 字形码表的入口地址LOOP MOVA R0 取一个待显示数据MOVCA A DPTR 查表获取字形码MOVSBUF A 送串行口输出DELAY JNBTI DELAY 等待发送完毕CLRTI 清 0 发送标志DECR0 指针下移一位 准备取下一个待显示数据DJNZR1 LOOP 直到8个数据全显示完 2020 4 14 22 POPDPL 恢复现场POPDPHPOPACCRETSEGTAB DB0C0H 0F9H 0A4H 0B0H 99H 0 1 2 3 4DB92H 82H 0F8H 80H 90H 5 6 7 8 9DB88H 83H 0C6H 0A1H 86H A B C D EDB8EH 0BFH 8CH 0FFH F P 暗 2020 4 14 23 8 2 3LED数码管的动态显示接口 动态扫描显示接口电路 接口电路是把所有显示器的8个笔划段a h同名端连在一起 而每一个显示器的公共极COM是各自独立地受I O线控制 2020 4 14 24 LED数码管动态显示接口电路 2020 4 14 25 程序清单如下 DISPLAY MOVR0 30H 显示缓冲器首地址送R0MOVR2 20H 位选码指向P0 5DISPLAY1 MOVA R0 取出要显示的数MOVDPTR SEGTAB 指向字型表首地址MOVCA A DPTR 取出显示码MOVDPTR 0FD01H PA口地址送DPTRMOVX DPTR A 输出显示码到8155A口MOVA R2 位选码送AINCDPTR 8155PB口寄存器地址MOVX DPTR A 从8155B口输出位选码LCALLDELL 延时1msMOVA R2JNBACC 0 DISPLAY2 6位全显示完了吗 未完 则继续RET 2020 4 14 26 DISPLAY2 INCR0 计算下一位要显示的数的地址MOVA R2 求下一个位选码RRA 没有到 右移一位MOVR2 AAJMPDISPLAY1DELL MOVR3 7DHDELL1 NOPNOPDJNZR3 DELL1RETSEGTAB DB3FH 06H 5BH 4FH 66H 字符0 1 2 3 4的字形码DB6DH 7DH 07H 7FH 6FH 字符5 6 7 8 9的字形码 2020 4 14 27 8 3DAC接口 DAC0832与单片机的接口TLC5618与单片机的接口 2020 4 14 28 DAC芯片有多种类型 按DAC的性能分 有通用 高速和高精度等转换器 按内部结构分 有不包含数据寄存器的 也有包含数据寄存器的 按位数分 有8位 12位 16位等 按其输出模拟信号分 有电流输出型和电压输出型 按其数据输入总线分 有串行输入型和并行输入型 2020 4 14 29 8 3 1DAC0832与单片机的接口 分辨率通常用数字量的位数表示 一般为8位 12位 16位等 分辨率8位D A 它表示可以对满量程的1 28的增量作出反应 转换精度指满量程时DAC实际模拟输出值和理论值的接近程度 转换时间一般为几十纳秒 几微秒 输出方式一般为电流型输出 也有电压型输出 温度范围指D A器件温度使用范围 线性度指DAC实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏移差 1 D A转换器性能指标 2020 4 14 30 DAC0830 0831 0832是8位的D A转换集成芯片 与微处理器完全兼容 它们可以完全相互代换 国内使用最为广泛的是DAC0832 下面详细讨论DAC0832 2020 4 14 31 1 DAC0832技术指标 2020 4 14 32 2 DAC0832内部框图 2020 4 14 33 DAC0832共有20条引脚 双列直插式封装 数字量输入线8条 DI7 DI0 控制线5条 输出线3条 电源线4条 3 DAC0832的引脚 2020 4 14 34 2020 4 14 35 2020 4 14 36 4 DAC0832与单片机的接口 单片机和0832接口时 有三种连接方式 直通方式单缓冲方式用于一路模拟量输出或多路模拟量非同步输出的场合 双缓冲方式用于多个DAC0832同时输出的场合 2020 4 14 37 单缓冲方式接口电路将两级寄存器的控制信号并接在一起 无关的地址线取1 则DAC0832对应的端口地址为7FFFH 2020 4 14 38 采用D A转换器可以输出锯齿波 矩形波 三角波 梯形波等电压波形 采用单缓冲方式输出上锯齿波的D A转换程序 ORG2000HSTART MOVDPTR 7FFFH 选中0832MOVA 00H D A数据初值LOOP MOVX DPTR A 转换ACALLDELAY2ms 调用2ms延时子程序INCA 修改D A数据SJMPLOOP 循环 连续输出 A 00 A 0FFH 2020 4 14 39 双缓冲方式接口电路适应于含有多路D A转换且要求同步输出的单片机应用系统中 第一步进行数字量输入锁存 第二步为D A转换输出 2020 4 14 40 2020 4 14 41 MOVDPTR 0BFFFH 指向1 08032端口地址MOVA DATA1MOVX DPTR A 将DATA1送入1 0832输入锁存器MOVDPTR 0DFFFH 指向2 0832端口地址MOVA DATA2MOVX DPTR A 将DATA2送入2 0832输入锁存器MOVDPTR 7FFFH 指向启动1 2 0832工作端口地址MOVX DPTR A 同时启动1 2 0832 实现同步输出 2020 4 14 42 8 3 2TLC5618与单片机的接口 TLC5618是美国TexasInstruments公司生产的带有缓冲基准输入的可编程双路12位电压输出数 模转换器 DAC输出电压范围为基准电压的两倍 且其输出是单调变化的 DIN 1脚 串行数据输入 SCLK 2脚 串行时钟输入 CS 3脚 片选信号 低电平有效 OUTA 4脚 DACA模拟输出 AGND 5脚 模拟地 REFIN 6脚 基准电压输入 OUTB 7脚 DACB模拟输出 VDD 8脚 正电源 5V 2020 4 14 43 TLC5618的内部结构引脚图 2020 4 14 44 TLC5618有三种可能的数据传送方式 所有的传送均在变为高电平后立即发生 写缓冲器A且缓冲器B更新 写双缓冲器 缓冲器B更新 写双缓冲器 2020 4 14 45 DACSBITP1 0DACLKBITP1 1DINBITP1 2EXDA1 SETBDACLK 时钟信号变高CLRDACS 信号变低MOVR7 08H 循环次数送R7 给出将累加器A和寄存器B中的数据写入TLC5618的子程序 A中存放一帧数据的高8位 B中存放一帧数据的低8位 TLC5618与89C51接口电路 2020 4 14 46 EXDA2 RLCAMOVDIN CCLRDACLKSETBDACLKDJNZR7 EXDA2MOVA BMOVR7 08HEXDA3 RLCAMOVDIN CCLRDACLKSETBDACLKDJNZR7 EXDA3SETBDACLKSETBDACSRET 2020 4 14 47 8 4ADC接口 ADC0809与单片机的接口MC14433与单片机的接口 2020 4 14 48 8 4 1ADC0809与单片机的接口 计数式 现已停产 双斜率积分式 精度高 转换速度慢 用于数字式仪表中 并行式 速度最快 价格昂贵 常用于高速测控系统中 间接式 首先将转换成某种中间变量 时间 频率 脉冲 宽度等 再把这个中间变量转换式数字代码输出 逐次逼近式 速度快 精度度 广泛用于单片应用系统中 串行输出式 应用单片机速度要求不高的应用系统中 1 A D转换器种类 2020 4 14 49 分辨率通常用二进制的位数表示 它表示对满量程的1 2n的增量作出反应 量程能转换的电压范围 精度指满量程时ADC实际模拟输出值和理论值的接近程度 转换时间完成一次A D转换所需时间 又称孔径时间 输出逻辑电平一般与TTL电平配合 输出代码一般输出为二进制码 也有BCD码及段码输出方式温度范围在一定温度范围内才能保持额定精度指标 对基准电压要求考虑是否外接精密基准电源 2 A D转换器性能指标 2020 4 14 50 8位A D转换器芯片很多 包括单通道的AD0801 0802 0803 0804 0805及8通道的ADC0808 ADC0809和16通道的ADC0816 0817 下面详细讨论八位遂次逼近式A D转换器ADC0809单片CMOS器件 3 8位A D转换器与89S51接口 2020 4 14 51 1 ADC0809技术指标 2020 4 14 52 2 ADC0809内部框图 2020 4 14 53 D0 D7 8位数字量输出EOC 转换结束信号脉冲输出端 当EOC 1时表示A D结束 EOC 0 表示正在转换OE 输出使能端START A D启动控制CLK 外部时钟输入端 频率范围为10 1280KHZVREF VREF 参考电压输入端VCC GND 单一正5V工作电源IN0 IN7 8路模拟量输入端ALE 地址锁存控制信号端ADDA ADDB ADDC 8路模拟开关的三位地址选通输入端 以选择对应的输入通道 3 ADC0809的引脚 2020 4 14 54 ADDA ADDB ADDC与输入通道的选择 2020 4 14 55 4 ADC0809与单片机的接口 单片机和0832接口时 有两种连接方式 查询式中断式 ADC0809时序图如下图所示 2020 4 14 56 查询式接口电路无关的地址线取1 则ADC0809的启动端口地址为BFF8H BFFFH分别对应于不同输入通道IN0 IN7 而A D结果输入A中的端口地址与启动地址相同 2020 4 14 57 对8路模拟输入信号轮流采样一次 并把结果依次放在片内RAM30H单元开始的存储区 则对应的程序段为 MOVR0 30H 置存储区首址MOVR2 08H 8路采样MOVDPTR 0BFF8H 指向通道0端口地址LOOP MOVX DPTR A 启动A DNOPNOP 延时WAIT JNBP1 0 WAITMOVXA DPTR 读取A D转换结果MOV R0 A 将结果存于片内RAM单元中INCDPTR 指向下一通道端口地址INCR0 修改数据存储区指针DJNER2 LOOP 8路采样完吗 2020 4 14 58 2020 4 14 59 中断式接口电路通过两个电阻及 5V电源实现双极性转单极性输入 2020 4 14 60 对IN0模拟输入信号采样一次 并把结果依次放在片内RAM30H单元中 则对应的程序段为 SETBEA 开总中断MOVDPTR 0BFF8H 指向通道O端口地址MOVX DPTR A 启动A DNOPNOP 延时SETBEX1 开中断中断服务于程序 MOVDPTR 0BFF8H 指向通道0端口地址MOVXA DPTR 取A D结果MOV30H A 将A D结果存片内RAM30HRETI 中断返回 2020 4 14 61 8 4 2MC14433与单片机的接口 3位半双积分A D转换器 具有抗干扰性能好转换精度高 相当于11位二进制数 自动校零自动极性输出自动量程控制信号输出动态字位扫描BCD码输出单基准电压 外接元件少 价格低廉等特点 转换速度约1 10次 秒 在不要求高速转换的场合 如温度控制系统中 被广泛采用 2020 4 14 62 1 MC14433的内部结构及引脚功能 2020 4 14 63 转换电压量程 199 9mV或1 999V 基准电压 200mV或 2V两种 字位动态扫描BCD码输出 千 百 十 个位BCD码轮流地在Q0 Q3端输出 同时在DS1 DS4端出现同步字位选通信号 外接器件 时钟振荡器外接电阻RC 外接失调补偿电容C0和外接积分阻容元件R1 C1 2020 4 14 64 引脚功能如下 VAG 被测电压VX和基准电压VR的接地端VR 外接输入基准电压 2V或 200mV VX 被测电压输入端 R1 R1 C1 C1量程为2V时 C1 0 1 F R1 470k 量程为200mV时 C1 0 1 F R1 27k C01 C02 外接失调补偿电容C0端C0的典型值为0 1 F 2020 4 14 65 DU 更新转换结果控制端 常与EOC连接CLK1和CLK0 时钟振荡器外接电阻端RC值为300k 时钟频率为147kHz 每秒约转换9次 VEE 负电源端 接 5VVDD 正电源端 接 5V VSS 数字地 通常将VSS接VAGEOC 转换周期结束标志 转换结束时输出一个宽度为时钟周期二分之一的正脉冲 2020 4 14 66 OR 过量程标志 过量程时输出低电平 DS1 DS4 多路选通脉冲输出端 DS1对应千位 DS4对应个位 DS1有效时 千位 DS2有效时 百位 DS3有效时 十位 DS4有效时 个位 2020 4 14 67 Q0 Q3 BCD码数据输出线 在DS1选通期间 除了表示千位的0 1外 还表示转换值的正 负和欠 过量程 见下表 2020 4 14 68 2 MC14433与80C51单片机的接口 2020 4 14 69 电路及器件连接片内提供时钟发生器 只需外接一个电阻 也可采用外部输入时钟或外接晶体振荡电路 工作电源为 5V 正电源接VDD 模拟部分负电源端接VEE 模拟地VAG与数字地VSS相连为公共接地端 为了提高抗干扰能力 正 负电源分别经去耦电容与VSS端相连 基准电压须外接 可由MC1403通过分压提供 2V或 200mV的基准电压 2020 4 14 70 DU端与EOC端相连 以选择连续转换方式 每次转换结果都送至输出寄存器 转换结果是动态分时输出的BCD码 因此 单片机只能通过并行I O接口或扩展I O接口与其相连 读取A D转换结果可以采用中断方式或查询方式中断方式时 EOC端与80C51外中断端相连查询方式时 EOC端可接入80C51任一个I O口或扩展I O口 2020 4 14 71 例 当80C51开放CPU中断 允许外部中断1中断申请 并置外部中断为边沿触发方式 在执行后面程序后 每次A D转换结束时 都将把A D转换结果数据送入片内RAM中的2EH 2FH单元 2020 4 14 72 初始化程序 INI1 SETBIT1 选择为边沿触发方式MOVIE 10000100B CPU开中断 外中断允许 中断服务程序 PINT1 MOVA P1JNBACC 4 PINT1 等待DS1选通信号JBACC 0 PEr 是否过 欠量程 是则转PerJBACC 2 PL1 结果是正或负 0为负SETB77H 负数符号置1AJMPPL2PL1 CLR77H 正数 符号位置0PL2 JBACC 3 PL3 千位数为0或1 2020 4 14 73 SETB74H 千位数置1AJMPPL4PL3 CLR74H 千位数置0PL4 MOVA P1JNBACC 5 PL4 等待百位BCD码选通信号DS2MOVR0 2EHXCHDA R0 百位数送入2EH低4位PL5 MOVA P1JNBACC 6 PL5 等待十位数选通信号DS3SWAPA 高低4位交换INCR0 指向2FH单元MOV R0 A 十位数送入2FH高4位PL6 MOVA P1JNBACC 7 PL6 等待个位数选通信号DS4XCHDA R0 个位数送入2FH低4位RETI 中断返回PEr SETB10H 置过 欠量程标志RETI 中断返回 2020 4 14 74 8 5外部并行三总线接口 片外并行三总线接口的应用简介 2020 4 14 75 单片机有很强的外部扩展功能 在进行系统扩展时采用总线结构 整个扩展系统以单片机为核心 通过单片机外部总线把各扩展部件连接起来 总线就是连接系统中各扩展部件的一组公共信号线 按其功能分为3类 地址总线AB addressbus 数据总线DB databus 和控制总线CB controlbus 2020 4 14 76 8 5 1片外并行三总线接口的应用简介 外部并行三总线结构图 2020 4 14 77 P0口的地址 数据复用 89C51中 P0口除了做数据总线D0 D7外 还要兼做低8位地址总线A0 A7 16位地址总线由P2口和P0口提供 由于P0口数据 地址线的复用 作低8位地址线时要有锁存器将地址锁存 ALE提供了地址锁存信号 两个独立的并行扩展空间 单片机中程序存储器和数据存储器是两个独立的空间 这两个空间都使用相同的16位地址线和8位数据线 分别为两个64KB的寻址空间 只是它们的选通控制信号不同 程序存储器使用取指控制信号 数据存储器使用 的存取控制信号 外围扩展的统一编址 在64KB数据存储器的寻址空间上 可扩展片外数据存储器 也可扩展其它单片机外围器件 所有扩展的器件都在64KB空间里统一编址 寻址方式相同 89S51并行总线具有以下特点 2020 4 14 78 8 6大功率器件驱动接口 光耦接口继电器接口双向晶闸管输出接口固态继电器输出接口 2020 4 14 79 8 6 1光耦接口 光耦合器 把发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内 2020 4 14 80 主要特性参数 导通电流 当发光二极管二端通以一定电流时 光耦合器输出端处于导通状态 一般典型值为10mA 频率响应高频信号传输中要考虑其频率特性 一般的开关量输出通道中 信号频率一般较低 不会受光耦合器频率特性影响 输出端电流 光耦合器导通时 流过光敏三极管的额定电流 该值表示了光耦合器的驱动能力一般为mA量级 2020 4 14 81 输出端暗电流 光耦合器处于截止状态时输出端流过的电流 此值越小越好 以防止输出误触发 输入输出压降 分别指发光二极管和光敏三极管的导通压降 隔离电压 表示了光耦合器对电压的隔离能力 光耦合器二极管侧的驱动 常用带OC门的电路 如7406 7407 进行驱动 2020 4 14 82 8 6 2继电器接口 最常用的一种输出方式 往往利用继电器作为系统的第一级执行机构 通过该级继电器输出 可完成从低压直流到高压交流的过渡 控制线圈有一定的电感 在关断瞬间会产生较大的反电势 因此常常反向并联一个二极管 以保护驱动晶体管不被击穿 对于需要较大驱动电流的继电器 可以采用达林顿输出的光隔直接驱动 也可以在光耦与继电器之间再加一级三极管驱动 2020 4 14 83 继电器与单片机的接口电路 2020 4 14 84 8 6 3双向晶闸管输出接口 具有双向导通功能 能在交流 大电流场合使用 且开关无触点 输出部分是硅光敏双向晶闸管 有的还带有过零触发检测器 以保证在电压接近为零