第6章单片机的人机交互与扩展技术.ppt

第6章单片机的人机交互与扩展技术,人机交互是指操作人员与计算机之间进行的现场或远程信息交换与联系，用于人机交互的设备称为人机接口，这些设备主要有键盘、显示器和打印机等。一般的计算机控制系统必须要有人机交互功能，以便操作人员可以随时输入数据传递生产命令，并通过显示和打印功能及时掌握生产情况。对于简单的应用场合，由于单片机本身就是一个最小的应用系统，因此能直接满足实际应用所要求的功能，充分发挥单片机硬件结构紧凑、设计简单、成本低的优点。当设计一些较为复杂的测控系统时，其自身的功能往往不能够满足应用的需要，此时可利用MCS-51系列单片机强大的外部扩展功能，扩展各种外围电路以补充片内资源的不足，适应特定应用的要求。,第6章单片机的人机交互与扩展技术,1.LED显示技术,6.1单片机的人机交互技术,6.1.1显示器接口技术,在单片机应用系统中，为了便于观察和监视系统的运行情况，经常需要用显示器显示输入信息、中间信息、运行状态及运行结果等数据。目前常用的显示器件有LED(发光二极管显示器)和LCD(液晶显示器)两种。,LED显示器主要是指由发光二极管组成的数码管显示器或LED点阵显示模块。根据公共端的接法不同，LED数码管分为共阴极和共阳极二种类型，在使用时，由于LED显示器的工作电流通常为515mA，工作电压为1.52.5V，因此使用时需加驱动及限流电阻。根据显示方式不同，LED显示有静态显示和动态显示之分。,（1）静态显示方式:每一位显示都占用单独的具有锁存功能的I/O接口，显示信号始终存在；com端连接在一起；,8051,P1.5,P1.4,P1.3,P1.2,P1.1,P1.0,LEDCBA,gfedcba,Dpgfedcba,MC14495,LEDCBA,gfedcba,Dpgfedcba,MC14495,+5V,（2）动态显示方式是将所有数码管的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，每个数码管的COM为各自独立的位选信号，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于位选信号。,例：如下图所示采用译码器的动态显示接口电路，设51单片机内部RAM的40H43H单元中有四位非压缩BCD码，编写动态显示子程序。,显示子程序如下：ORG0050HDISBEQU40HDISP：MOVR2，#80HMOVR0，#DISBDISP1：MOVA，R0ANLA，#0FHORLA，R2MOVP1，AMOVR3,#25DISP2：NOPNOP,DJNZR3，DISP2；延时1msINCR0MOVA，R2RRAMOVR2，AJNBACC.3，DISP1MOVA，#0FHMOVP1，ASETBP3.0RET,键盘是若干按键的集合，是向系统提供操作人员干预命令及数据的接口设备。键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与被按键对应的编码。此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路，这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵，其它工作都靠软件来完成，由于其经济实用，目前在单片机应用系统中多采用这种办法。,6.1.2键盘接口技术,1、在设计键盘接口时，解决以下几个问题：检测是否有键按下；去抖动若有键按下，判定是哪一个键；确定被按键的读数；不管一次按键持续的时间有多长，仅采用一个数据；处理同时按键。,2、独立式连接的非编码键盘,（）查询方式,（）中断方式,为了识别键盘上的闭合键，通常采用两种方法，一种为行扫描法，另一种称为行反转法。行扫描法,原理：CPU每次使并行输出端口的某位为零，而其它位为1，然后CPU只要读取输入端口中的数据，就可判别。,3、矩阵式连接的非编码键盘,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,5V,8031,P1.6,P1.7,P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.5,P1.4,行反转法,5V,PA0PA1PA2PA3PB0PB1PB2PB3,10k8,原理：第一步设A口输出B口输入A口输出全0值，然后从B口读入；第二步设A口输入B口输出将B口刚读入的值输出，再从A口读入,9,0,MCS-51内部的串行口，大大扩展了MCS-51的应用范围。利用串行口可以实现MCS-51之间的点对点的串行通信、多机通信以及MCS-51与PC机间的单机或多机通信。MCS-51串行口的输入、输出均为TTL电平。这种以TTL电平串行传输数据的方式，抗干扰性能差，传输距离短。为了提高串行通信的可靠性，增大串行通信的距离，一般都采用标准串行接口，如RS-232、RS-422A、RS-485等标准来实现串行通信。,6.1.3串行通信接口技术,1.RS-232接口RS-232是由美国电子工业协会(EIA)于1962年制定的标准，是在异步串行通信中应用最广的标准串行接口。RS-232适用于短距离或带调制解调器的串行通信场合。它适合于数据传输速率在020000b/s范围内的通信。,1）机械标准,DB-25插座，具有25针的电缆连接器，定义了22根信号。但实际进行异步通信时只需9根。所以还有DB-9连接器作为多功能I/O卡或主板上COM1和COM2两个串行口的连接器。,对于短距离通信，一般不采用Modem，可直接将通信双方连接在一起。当不需联络信号时可采用最简三线式连接。,RS-232C标准规定，若不使用MODEM，最大直接传输距离为15m。,2）电气标准,EIA电平采用负逻辑。低电平为5V15V高电平为5V15V电平转换,MAX232的双机串行通信接口图,3）应用,MAX232实现PC机与单片机串行通信接口图,2.RS-422接口RS-232既是一种电气标准，又是一种物理接口标准，而RS-422仅仅是一种电气标准，是为改善RS-232标准的电气特性，又考虑与RS-232兼容而制定的。RS-422与RS-232的关键不同在于把单端输入改为双端差分输入，信号地不再公用，双方的信号地也不再接在一起。,3.RS-485接口RS-422为全双工，采用2对平衡差分信号线，使线路成本增加；而RS-485为半双工，收发双方共用1对线进行通信，即采用1对平衡差分信号线。RS-485标准允许最多并联32台驱动器和32台接收器，对于多站互连是十分方便的。,6.2存储器扩展技术,1.选取存储器芯片的原则,6.2.1存储器扩展中应考虑的问题,2.工作速度的匹配,3.片选信号与地址信号分配,4.地址译码方式,6.2.2存储器的并行扩展,一、程序存储器的扩展(1)EPROM的扩展,8031和27128的连接图,(2)EEPROM扩展,8031和2864A的连接图,二、数据存储器的扩展,8031和6264的连接图,三、存储器的综合扩展,译码器,GBA,控制口MOVA,#11001001BMOVXDPTR,AMOVDPTR,#0404H;计数器低8位MOVA,#36MOVXDPTR,AINCDPTR;计数器高8位MOVA,#01000000B;连续方波MOVXDPTR,A,例：设定8155工作在基本I/O口ALT1方式，A口输入，B口输出，C口输入。要求将A口输入的数据送进8155片内的RAM的0000H单元中，将00FFH单元数据从B口输出。,MOVDPTR，#0100H；8155控制口地址为0100HMOVA，#02H；8155设定为ALT1工作方式MOVXDPTR，A；向8155输出控制字MOVDPTR，#0101H；设定8155A口地址为0101HMOVXA，DPTR；读8155A口数据MOVDPTR，#0000H；8155片内RAM首地址MOVXDPTR，A；将A口数据送入8155内RAM单元MOVDPTR，#00FFH；8155内RAM地址00FFHMOVXA，DPTR；读出8155内RAM的00FFH单元数据MOVDPTR，#0102H；设定8155B口地址为0102HMOVXDPTR，A；将8155内RAM数据从B口输出,MAX7219是美国MAXIM公司生产的串行输入、共阴极显示输出的控制驱动器，采用CMOS工艺，内部集成了数据保持、BCD译码器、多路扫描器、段驱动器和位驱动器。每片MAX7219最多可同时驱动8个LED数码管、条形图显示器或64只发光管。,6.3.2可编程串行显示接口芯片MAX7219及扩展应用,MAX7219的主要特点如下：,1）采用三线串行传送数据，仅用3个引脚与微处理器相应端相连即可，串行数据传送速率高达10MHz，还可以级联使用。2）内部具有8字节显示静态RAM(称为数字寄存器)和6个控制寄存器，可单独寻址和更新内容。有译码和不译码两种显示模式。3）上电时所有LED熄灭，正常工作时通过外接电阻或编程方式调节LED亮度。4）最大功耗为0.87W，具有150A电流的低功耗关闭模式。,1.MAX7219的引脚功能,DIN：串行数据输入端。在时钟周期的上升沿将数据逐位置入内部16位移位寄存器，在CLK的上升沿到来之前，DIN必须有效。DIG0DIG7：显示器位控制端。分别接至8只共阴极LED数码管的阴极，从显示器灌入电流。GND：信号地。两个接地引脚都应接地。LOAD：数据锁存脉冲输入端.在其上升沿处锁存16位串行输入数据。CLK：串行数据移位脉冲输入端.具有10MHz最大速率，在其上升沿处数据移入内部移位寄存器。SEGag、dp：七段段码和小数点输出端。ISET：外接电阻端。与V+之间连有一个电阻，以设置峰值段电流。V+：供电电压（4V5.5V）。典型值为5V。DOUT：串行数据输出端。输入DIN的数据经16.5个时钟周期后在DOUT正确输出。用作MAX7219的扩展。,2.串行数据格式与工作时序,7219工作时序图,3.MAX7219内部寄存器,MAX7219内部有14个8位寄存器:8个显示数据寄存器，用于存放DIG0DIG7对应的显示数据，地址为X1HX8H；6个控制寄存器，即译码模式控制寄存器、显示亮度控制寄存器、扫描频率限制寄存器、关闭（消隐）模式寄存器、显示测试寄存器及空操作寄存器，其地址依次为X9HXCH、XFH、X0H。,（1）译码模式控制寄存器（地址X9H）,（2）显示亮度控制寄存器（地址XAH）MAX7219可用外接电阻调节LED亮度(称为亮度模拟控制)，外部电阻RSET接在电源V+和ISET端之间，用来控制段电流的峰值，即最大亮度。RSET既可以是固定的，也可以是可变的，由面板来进行亮度调节。RSET最小值为9.53k。段电流也可用显示亮度控制寄存器进行调节(称为亮度数字控制)，即用寄存器的D3D0位控制内部脉宽调制器的占空比来控制LED段电流的平均值，以达到控制亮度的目的。当D3D0位从0变化到0FH时，占空比从1/32变化到31/32，共16个控制等级，每级变化2/32。（3）扫描频率限制寄存器（地址XBH）该寄存器用于设置显示LED数码管个数（18个）。8位LED显示时，以1300Hz的扫描频率分路驱动，轮流点亮LED数码管。该寄存器的低3位值指定要扫描LED数码管的个数。若要驱动的LED数少，可降低扫描限制，以提高扫描的速度和亮度。例如，系统中只有4个LED，应连接DIG0DIG3，并写入0B03H，使扫描速度提高一倍。,（4）关闭（消隐）模式寄存器（地址XCH）MAX7219处于关闭模式时，扫描振荡器停止工作，显示器为消隐状态，显示数字与控制寄存器中的数据保持不变，但可以对其更改数据或改变控制方式。关闭（消隐）模式寄存器的D7D1位可以任意。当D00时，MAX7219进入关闭状态，关闭所有显示器；当D01时，所有显示器按设定显示方式回到正常显示方式。这种模式可用于节电状态，或在连续进入或离开关闭模式时使屏幕闪烁。（5）显示测试寄存器（地址XFH）显示测试寄存器的D7D1位可以任意。当D01时，MAX7219便进入显示测试方式，所有LED各段及小数点均点亮，电流占空比为31/32，即使在关闭方式下也可直接进入该方式；当D00时，MAX7219又回到原来工作状态。通常是选择正常工作操作模式。,（6）空操作寄存器（地址X0H）空操作寄存器中的数据字节可以是任意值。该寄存器用于MAX7219的级联方式，可允许数据通过而不对当前MAX7219产生影响。级联时，把所有的LOAD端连接在一起，而把前级DOUT连接到后级DIN上。例如，如果两片MAX7219级联，要对第2片MAX7219传送数据，应发送32位的数据包，前16位为第2片MAX7219有效数据包，后16位为空操作代码(X0XXH)。当第32个CLK脉冲上升沿出现的同时或之后，且在下一个CLK上升沿出现之前，LOAD变高，后级芯片锁存有效地址和内容，前级芯片收到的是空操作指令，并不影响原先存储的数据内容。同样，要对第1片MAX7219传送数据，前16位为空操作码，后16位为第1片MAX7219有效数据包。,4.MAX7219的应用,例：根据下图，设计程序实现把在显示缓冲区40H47H中的数据通过8个LED显示出来。,；*主程序ORG0050HLCALLMAXO；MAX7219初始化子程序LCALLDISP；显示子程序END；*MAX7219初始化子程序MAXO：MOVA，#0BHMOVR2，#07HLCALLDISP16；设置扫描界限为8位显示MOVA，#0AHMOVR2，#0FHLCALLDISP16；设置亮度为最高MOVA，#09HMOVR2，#0FFHLCALLDISP16；采用BCD译码方式MOVA，#0CHMOVR2，#01HLCALLDISP16；