单片机原理及应用课程讲义第五章：单片机的接口技术wcytjx126

1、单片机原理及应用 课程讲义 第五章：单片机的接口技术,本章内容,5.1 接口技术中的一般方法 5.2 D/A转换电路接口技术 5.3 A/D转换电路接口技术 5.4 键盘接口技术 5.5 显示器接口技术 5.6 8279可编程的键盘/显示接口技术,5.1 接口技术中的一般方法,接口指令 接口信号与时序 输入/输出的数据交换方式 地址的译码,接口指令,MCS-51的接口指令：同单片机与外部数据RAM单元之间的数据传送指令。 即： MOVX A ， Ri MOVX Ri，A MOVX A ， DPTR MOVX DPTR，A,接口信号与时序,输入/输出的数据交换方式,有四种方式： 无条件方式：立即

2、作数据交换方式。即外围电路随时有准备好的数据且随时能接收送来的数据。 延时等待方式：先由单片机发启动信号，延时后在作I/O数据交换。 查询方式：由软件查询外围电路是否准备好，直到准备好时再作I/O数据传送。 中断方式：利用中断来作I/O数据传送。,地址的译码,线选法 译码法 （详见4.1节）,5.2 D/A转换电路接口技术,5.2.1 D/A转换原理 5.2.2 MCS-51和D/A的接口,概述,单片机和被控实体间的接口示意图,D/A转换器,图5.2.1 最简单D/A转换器框图,关系式：Vout=BVR 式中，VR为常量，由参考电压VREF决定；B为 数字量，常为一个二进制数。数字量B的位数通

3、常为8位和12位等，由D/A转换器芯片型号决定。,5.2.1 D/A转换原理1、权电阻网络D/A转换法,思想：用一个二进制数的每一位产生一个与 二进制数的权成正比的电压，然后将这些电压加起来，就可得到对应的模拟量电压信号。 某位对应：V0=-VR(RF/2nR) 例如4位输出电压：V0=-VRRF (d3 /R+ d2 /2R+ d1 /4R+ d0 /8R),图5.2.2 权电阻网络D/A转换器,反相求和电路,- +,2、倒T型电阻网络D/A转换法,把输入数字量中每位都按其权值分别转换成模拟量，并通过运算放大器求和相加（如图5.2.2所示）。根据基尔霍夫定律，如下关系成立： I3=23 VR

4、EF/16R I2=22 VREF/16R I1=21 VREF/16R I0=20 VREF/16R,图5.2.2 倒T型电阻网络型D/A转换器的电路图和等效电路图,即有： I=VREF/R， I0=VREF/16R， I1=VREF/8R， I2=VREF/4R， I3=VREF/2R 且有： Iout1+Iout2=I,特点：,较权电阻网络D/A转换法有如下特点： 电阻离散性小：只需两种电阻 易于在集成电路中实现 应用最多,3D/A转换器的性能指标,l分辨率（Resolution）：分辨率是指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量，取决于输入数字量的二进制位数。 l转换精度（Convers

5、ion Accuracy）：指满量程时DAC的实际模拟输出值和理论值的接近程度。 l偏移量误差（Offset Error）：偏移量误差是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。 l线性度（Linearity）：线性度是指DAC的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏移差。,5.2.2 MCS-51和D/A的接口1DAC0832,lDAC0832内部结构 DAC0832内部由三部分电路组成（如图5.2.3所示）。 “8位输入寄存器”、“8位DAC寄存器”、“8位D/A转换电路”由8位T型电阻网络和电子开关组成， l引脚功能 DAC0832共有20条引脚，双列直插式封装。引脚连接和命名如图5.

6、2.4所示。 （1）数字量输入线DI7DI0（8条）；（2）控制线（5条）；（3）输出线（3条）； （4）电源线（4条）。,1,20,DAC0832,10,11,CS,WR1,AGND,D3,D2,D1,D0,VREF,DGND,RFB,Vcc,ILE,WR2,XFER,D4,D5,D6,D7,IOUT2,IOUT1,2,3,4,5,6,7,8,9,12,13,14,15,16,17,18,19,图5.2.3 DAC0832原理框图,单缓冲方式的接口（1）,一个处于直通方式，另一个处于受控的锁存方式,+5V,DAC0832,Vcc,ILE,Vref,Rfb,Iout1,Iout2,AGND,D

7、GND,A,Vout,DI 7-0,CS,XFER,WR1,WR2,74LS373,8031,P0,WR,ALE,G,单缓冲方式的接口（2）,两个输入寄存器同时受控的方式,A7A0,A0,单缓冲方式的应用 产生锯齿波,假定采用接口（2）方式，输入寄存器和DAC寄存器的地址为00FEH，产生锯齿波。,源程序清单如下： ORG 2000H START: MOV DPTR，#00FEH ；选中DAC0832 MOV A，#00H ；转换初值 WW: MOVX DPTR，A ；WR1 、WR2有效，启动D/A转换 INC A NOP ；延时，可改变频率 NOP AJMP WW,1/28,2/28,3/

8、28,254/28,255/28,0,产生的锯齿波的过程,D/A转换产生的锯齿波,用同样的方法也可以产生三角波、矩形波、梯形波。,若将A的初值改为FF INC改为DEC?,ORG 2000H START: MOV DPTR，#00FEH ；指向输入寄存器地址 MOV A，#0FFH ；转换初值 WW: MOVX DPTR，A ；启动D/A转换 DEC A NOP ；延时 NOP AJMP WW,两个锁存器都接成受控锁存方式。,双缓冲方式的接口和应用,双缓冲方式的接口和应用,对一个数字量的转换，需两步完成，程序如下： MOV DPTR，#00FEH MOVX DPTR,A MOV DPTR,#0

9、0FBH MOVX DPTR,A,1#输入寄存器地址：00FEH 2#输入寄存器地址：00FDH 1#2#DAC寄存器地址：00FBH,单极性与双极性输出,l DAC用作单极性电压输出 如前所示，使用反相比例放大器实现电流到电压的转换，输出模拟极性与参考电压极性相反。（参见P106 表5.4） l DAC用作双极性电压输出（见下页表、图所示）,双极性DAC的接法,Vout2=(数字码-128)/128*VREF,双极性DAC的接法,表： 双极性输出电压与输入数字量的关系,5.3 A/D转换电路的接口技术,5.3.1 概述 5.3.2 双积分型A/D 转换器工作原理 5.3.3 逐次逼近型A/D

10、转换器接口 5.3.4 ADC0809与单片机的接口 5.3.4 AD574与单片机的接口,5.3.1 概述 单片机测控系统前向通道配置,A/D转换器概述 A/D转换器用以实现模拟量向数字量的转换。 按转换原理可分为 4 种: 计数式、 双积分式、逐次逼近式以及并行式A/D转换器。逐次逼近式A/D转换器是一种速度较快, 精度较高的转换器, 其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。常用的这种芯片有: 逐次逼近式A/D： ADC0809、ADC574A、ADC1210等 双积分式A/D：MC14433(3位半)、ICL7135(4位半)等,5.3.2 双积分型A/D 转换器工作原理,1双积分型A/D

11、转换器工作原理 原理：采用间接A/D转换技术。 先将模拟电压转换成积分时间（先定时积分、再定值积分） 然后用数字脉冲计时方法转换成计数脉冲数 最后将此代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成二进制或BCD码输出。 特点：双积分型A/D转换器转换时间较长，一般要大于4050ms，但精度高，抗干扰性能好。 双积分：一次A/D转换需二次积分。 图5.3.2给出了双积分转换器的电路图和原理图。,图5.3.2双积分ADC电路图与原理图,5.3.3 逐次逼近型A/D转换器接口,逐次逼近型ADC基本原理,图5.3.7 逐次逼近ADC原理电路框图,对N位寄存器逐位置1，比较后决定是否将该位清零,5.3.4 ADC0

12、809与单片机的接口 一、结构：ADC0809是一种常用的8位逐次逼近式A/D。其引脚图如下，其内部结构 图等见下页。,1,14,15,28,ADC0809,IN3,IN4,IN5,IN6,IN7,IN2,IN1,IN0,ADDA,ADDB,ADDC,ALE,START,EOC,OE,CLK,Vcc,VREF(+),GND,VREF(-),2-1(MSB),2-2,2-3,2-4,2-8 (LSB),2-5,2-7,2-6,.,IN0,IN7,ADDA,ADDB,ADDC,ALE,START,CLK,EOC,D0(2-8),D7(2-1),OE,VREF(+),VREF(-),8路模 拟开关,

13、地址锁 存与译 码,三态输 出锁存 器,8位A/D 转换器,3,8,二、ADC0809与8031接口,8031,P0.0,P0.7,ALE,RD,WR,P2.7,INT1,D0,D7,+,+,ADDA,ADDB,ADDC,START,ALE,OE,EOC,IN7,IN0,CLK,ADC0809,D0,D1,D2,转换程序示例： 主程序: MAIN:MOV R0, #A0H; 数据暂存区首址 MOV A, #00H； 8路计数初值 SETB IT1 ；边沿触发方式 SETB EA；开中断 SETB EX1 MOV DPTR, #7FF8H ；指向0809首地址 MOVX DPTR, A ；选择模

14、拟通道，启动A/D HERE:SJMP HERE ;等待中断 中断服务程序 MOVX A, DPTR ；读数 MOVXR0, A ；存数 DONE:MOV DPTR, #7FF8H ；指向0809首地址 MOV A, #00H MOVX DPTR, A ;选择模拟通道，启动A/D RETI,与P112区别,三、八路巡回检测系统 例：某粮库或某冷冻厂需对8点(8个冷冻室或8个粮仓)进行温度巡回检测。要求设计一个单片机巡回检测系统, 使其能对各冷冻室或各粮仓的温度巡回检测并加以处理。 温度传感器可选用热电阻、热敏电阻、PN结或集成温度传感器AD590和SLIM等芯片。 将转换后的数据依次存放在片外

15、数据存储器A0HA7H单元。,其主程序和中断服务程序如下: MAIN:MOV R0, #A0H; 数据暂存区首址 MOV R2, #00H； 8路计数初值 SETB IT1 ；边沿触发方式 SETB EA；开中断 SETB EX1 MOV DPTR, #7FF8H ；指向0809首地址 MOV A, R2 MOVX DPTR, A ；选择模拟通道，启动A/D HERE:SJMP HERE ;等待中断 中断服务程序 MOVX A, DPTR ；读数 MOVXR0, A ；存数 INC R2 ；更新通道 INC R0 ；更新暂存单元 CJNE R2, #08, DONE MOV R0,#A0H M

16、OV R2,00H DONE:MOV DPTR, #7FF8H ；指向0809首地址 MOV A, R2 MOVX DPTR, A ;选择模拟通道，启动A/D RETI,5.3.5 AD574A与单片机的接口,图5.3.11 AD574A与8031接口电路图,AD574A与单片机的接口电路,表: AD574A逻辑控制真值表,（a）启动与转换 （b）转换结果输出 图5.3.12 AD574A控制时序图,例：启动A/D 转换与读出转换结果程序,电路：见图5.3.11 。 程序： MOV R0, #1FH MOVX R0, A ;启动转换 MOV R7, #10H DJNZ R7, $ ；延时等待转

17、换结束 MOV R1, #7FH MOVX A, R1 ；读低4位 MOV R2, A MOV R1, #3FH MOVX A, R1 ；读高8位 MOV R3, A SJMP $,图： AD574的单极性转换,BIP OFF,5.3.6 MC14433芯片与单片机的接口 MC14433是3位半的双积分A/D转换器,具有抗干扰性好 、转换精度高、自动校0、自动极性输出、自动量程控制 输出、动态字位扫描BCD码输出等优点。其主要特性参数 如下: 转换精度:1/1999的分辨率 电压量程:分1.999V和199.9mV两档 转换速度:310次/S 输入阻抗:大于100Mohm 基准电压:取2V或2

18、00mV(分别对应量程为1.999V或199.9mV) 输出形式:多路调制的BCD码,逻辑框图,VAG:模拟地 VR :基准电压输入 VX :一路被测电压输入 R1、 R1/ C1、C1:外接元件 C01、 C02:补偿电容 DU: 转换结果输入锁存器打入信号 EOC: 转换结束标志输出 OR: 过量程标志输出 |Vx|Vr,1,24,MC14433,12,13,VAG,VR,VX,R1,R1/C1,C1,C01,C02,DU,CLKI,CLKO,VEE,VSS,EOC,OR,DS4,DS3,DS2,DS1,Q0,Q1,Q2,Q3,VDD,引脚图及说明,DS1DS4: 多路选通脉冲输出 Q0Q

19、3: BCD码输出 其中, Q0为最低位Q3为最高位。在DS2DS4选通期间, 输出3个完整的BCD码，但在DS1选通期间， Q0Q3输出 除了表示千位的0或1外，还表示了转换值的正负极性和欠 量程还是过量程。,DS1 Q3 Q2 Q1 Q0 输出结果状态 1 1 0 千位数为0 1 0 0 千位数为1 1 1 0 输出结果为正 1 0 0 输出结果为负 1 0 1 输入信号过量程 1 1 1 输入信号欠量程 表：DS1选通时Q0Q3表示的输出结果,.,千位,百位,十位,个位,DS1,DS2,DS3,DS4,EOC,欠量程表示输入信号小于0.179V，过量程为大于1.999V,MC14433输

20、出时序,双积分A/D转换器MC14433功能及接口技术,程序示例（P117-119),5.4 键盘接口技术,5.4.1 键盘结构与工作原理 5.4.2 键盘扫描的控制方式 5.4.3 键操作及功能处理,5.4.1 键盘结构与工作原理,在设计键盘接口时需解决： 开关状态的可靠输入可设计硬件去抖动电路或设计去抖动软件。 键盘状态的监测方法中断方式还是查询方式。 键盘编码方法。 键盘控制程序的编制。,按键的特点及输入原理,按键的分类： 触点式：机械；无触点式：电气 键输入原理： 通过按键的接通与断开，产生两种相反的逻辑状态 低电平“0”与高电平“1”。,键盘接口需要解决的问题,是否有键按下,按键识别

21、：,键抖动及消除：,机械按键抖动时间在5ms10ms之间,硬件方案双稳态去抖电路,软件方案延时10ms20ms后再次判断,消除方法：,求键号,独立式按键,接口电路：,特点：一线一键，按键识别（编程）简单；但占用较多口线，适合8键以下使用。,例1：用P1口检测三个按键的状态并完成相应的功能,解：,资源分配： 用P1口的低3位检测3个按键的输入，为1则表示按键没有按下，为0则表示相应按键被按下。,流程图：,ORG 0000H KB: MOV P1,#0FFH MOV A,P1 CPL A ANL A,#0FH JZ KB LCALL D10MS MOV A,P1 CPL A ANL A,#0FH

22、JZ KB CJNE A,#01H,KB01 LCALL PGM1 SJMP KB KB01:CJNE A,#02H,KB02 LCALL PGM2 SJMP KB KB02:CJNE A,#04H,KB LCALL PGM3 SJMP KB END,编程：按三个按键中的任一键都对应一个特定功能。,行列式按键,关键：如何判断键号？,接口电路：,特点：按键识别应采用扫描法或线路反转法 编程较为复杂，节省口资源，8键以上使用,键盘扫描子程序一般包括以下内容： 1.判别有无键按下； 2.扫描获取闭合键的行、列值； 3.用计算法或查表法得到键值； 4.判断闭合键释放否，如没释放则继续等待； 5.保存闭

23、合键号。,5.4.2 键盘扫描的控制方式,键按下/释放判断,KS： MOV A，#00H MOV P1，A ；全扫描字#00H送P1口 MOV P1，#0FH MOV A，P1 ；读入P1口状态 CPL A ；变正逻辑，高电平表示有键按下 ANL A,#0FH ；取低4位 RET ；返回，A0表示有键按下,按键识别扫描法,流程： 当第0列处于低电平时，逐行查找是否有行线变低，若有，则第0列与该行的交叉点按键按下；若无，则表示第0列无键按下，再让下一列处在低电平，依此循环，这种方式称为键盘扫描。 键号=行首键号（0、4、8、12）+列号（0、1、2、3）,原理： 在某一时刻只让一条列线处于低电平

24、，其余列线均处于高电平，则当这一列有键按下时，该键所在的行电平将会由高电平变为低电平，可判定该列相应的行有键按下。,例2：键盘扫描程序,SERCH: MOV R2,#0EFH MOV R3,#00H LINE0: MOV A,R2 MOV P1,A MOV A,P1 JB ACC.3,LINE1 MOV A,#00H AJMP TRYK LINE1: JB ACC.2,LINE2 MOV A,#04H AJMP TRYK LINE2: JB ACC.1,LINE3 MOV A,#08H,AJMP TRYKLINE3: JB ACC.3,LINE4 MOV A,#0CH AJMP TRYKLIN

25、E4: INC R3 MOV A,R2 RL A JNB ACC.0,BACK MOV R2,A AJMP LINE0 TRYK: ADD A,R3BACK: RET,图： 8155扩展I/O口组成的行列式键盘,图： 键扫描子程序框图,实用子程序,见P124-125,定时扫描方式,定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间（例如10 ms）的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断。CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。,图： 定时扫描方式程序框图,中断扫描方式,为提高CPU工作效率，可采用中断扫描工作方式。其工作过

26、程如下：当无键按下时，CPU处理自己的工作，当有键按下时，产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。,5.4.3 键操作及功能处理,键键操作及功能处理： 对于一组键或一个键盘，需通过接口电路与单片机相连。可采用查询或中断方式测试有无键按下，再确定是哪一个键按下，将该键号送入累加器ACC，然后判断是数字键还是功能键，若是数字键，则将键号对应的数字送入相关输入缓冲区；若是功能键，则通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完后再返回主程序。 功能键转移程序（键盘图见前图8155扩展I/O口组成的行列式键盘） ORG 8000H KEYADR:MOV A, BUFF CLR C SUBB

27、 A, #10H JC DIGPRO KEYTBL:MOV DPTR, #JMPTBL RL A,JMP A+DPTR JMPTBL:AJMP AAA AJMP BBB AJMP CCC AJMP DDD AJMP EEE AJMP FFF AJMP GGG AJMP HHH AJMP III AJMP JJJ AJMP KKK AJMP LLL AJMP MMM AJMP NNN AJMP OOO AJMP PPP,5.5 显示器接口技术,5.5.1 LED显示器的结构与原理 5.5.2 LED静态显示接口 5.5.3 LED动态显示接口 5.5.4 串行口控制的显示器与键盘接口,5.5.1

28、 LED显示器的结构与原理,LED显示块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，如图5.5.1所示。七段显示块与微机接口非常容易。如表5.5.1所示。,（a）共阴极 （b）共阳极 （c）管脚配置 图5.5.1七段LED显示块,表5.5.1七段LED的段选码(字形码),8EH,5.5.2 LED静态显示接口,在微机应用系统中使用LED显示块构成N位LED显示器。图5.5.2是N位显示器的构成原理。 LED显示器有两种方式： （1）LED静态显示方式（如图5.5.3所示） （2）LED动态显示方式,图5.5.2 N位LED显示器,

29、g,g,g,g,g,图5.5.3四位静态LED显示器电路,5.5.3 LED动态显示接口,LED动态显示：分时轮流选通数码管的公共端。选通相应LED，即在显示字段上得到显示字形码。字段线并联使用，可简化电路。 八位LED动态显示器电路：,LED显示器与8155接口,LED显示子程序 显示子程序 从右到左逐位轮流点亮各个LED，每位保持1ms 设对8155初始化在主程序完成： PA口输出方式，地址7F01H；PB口输出方式，地址7F02H,扫描显示子程序如下： DIS：MOV R0，#7EH；显示缓冲区末址送R0 DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH MOV R2，#01H；位选

30、初值 DB 7DH，07H，7FH，6FH，77H，7CH MOVA，R2 DB 39H，5EH，79H，71H，40H，00H LP0：MOVDPTR，#7F01；8155 A口地址 DIMS：MOV R7，#02H MOVXDPTR，A DL：MOVR6，#0FFH INCDPTR ; 8155 B口地址 DL1：DJNZR6，DL1 MOVA，R0; 显示数据送A DJNZR7，DL ADDA，# 0DH RET MOVCA，A+PC；取字形码 MOVX DPTR ， A ；送B口显示 ACALLD1MS；延时 DECR0；显示缓冲区地址减1 MOVA，R2 JBACC. 5，LP1；

31、扫描到最左的 LED ，转 RLA MOVR2, A AJMPLP0 LP1：RET,5.5.4 串行口控制的键盘/显示器接口,接口电路：图中使用一片74LS164和2根行线扩展16键键盘。电路原理如图5.5.6所示。 软件设计：在图5.5.6中，设显示器位数存于R7，显示缓冲区首址存于R0，显示字符以BCD码形式存放，8031 RAM中20H为键码缓冲区，无键输入时，20H中为80H。,图5.5.6串行口扩展的键盘/显示器接口,区别：1）P132中图5.43为共阳结构 2）扫描方式不同,上图的键盘扫描与显示程序,参见P132-134 差别：此处为共阴，书上为共阳,5.6 8279可编程的键盘

32、/显示器接口,8279是专用键盘/显示器控制芯片，能对显示器自动扫描，能识别键盘上按下键的键号；可充分提高CPU的工作效率。 8279与MCS-51接口方便，由它构成的标准键盘/显示器接口在微机应用系统中使用越来越广泛。,1、8279的组成及引脚,8279 芯片有 40 条引脚, 由单一+5 V电源供电。 它主要由以下几部分组成: （1） I/O控制和数据缓冲器; （2） 控制和定时寄存器及定时控制部分; （3） 扫描计数器; （4） 回送缓冲器与键盘去抖动控制电路; （5） FIFO（先进后出）寄存器和状态电路; （6） 显示器地址寄存器及显示RAM。,5.6.1 内部结构和引脚信号,827

33、9的引脚定义,DB7DB0为双向外部数据总线 ； 为片选信号线，低电平有效； 和 为读和写选通信号线； IRQ为中断请求输出线。 RL7RL0为键盘回送线。 SL3SL0为扫描输出线。 OUTB3OUTB0、OUTA3OUTA0为显示寄存器数据输出线。 RESET为复位输入线。 SHIFT为换档键输入线。 CNTL/STB为控制/选通输入线。 CLK为外部时钟输入线。 为显示器消隐控制线 。,图5.5.8 8279芯片的内部结构框图,2. 外部特性 电信号连接示意图可知，40条引线中与CPU一侧相关的共 15条，与键盘、显示接口相关的共23条，电源、地各一条。,5.6.2 控制命令 当引脚A0

34、=1时，CPU向8279芯片写入命令字。8279芯片可 执行的命令共有8条，它们决定了8279芯片的操作方式。 命令字格式如下：,（1）设置键盘及显示方式 设置键盘及显示方式命令字格式为： D7D6D5（000）：命令特征码。 D4D3（DD）：用来设定显示方式，定义如表5.5.3所示。 D0（K0）：用来设定扫描方式。K0=0为编码扫描；K0=1为译码扫描。,表5.5.3显示输出方式,表5.5.4输入工作方式,（2）设置时钟频率 设置时钟频率命令格式为：,其中 D7D6D5（001）：命令特征码。 D4D0（PPPPP）:用来设定对外输入CLK的分频系数N（N值可为231），以便获得8279芯片内部要求的100kHz的基本频率。 （3）读FIFO RAM 读FIFO RAM命令字格式为：,其中 D7D6D5（010）：命令特征码。 D4（AI）：自动地址增量标志位。当AI=1时，每次读出后地址 自动加1指向下一存储单元 AI=0时，读出后地址不变。,D2D1D0（A2A1A0）：在键盘方式中无意义，都写0. D3：不用。 （4）读显示RAM 读显示RAM命令字格式为：,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,0,1,1,AI,A3,A1,A2,A0,其中 D7D6D5（011）：命令特征码。 D4（AI）：自动地址增量标志。A