第6章 通用IO接口的基本结构与输出应用

1、1第第6章章 通用通用I/O接口基本结构与输接口基本结构与输出应用出应用2 ATmega16芯片有芯片有PORTA、PORTB、PORTC、PORTD（简称（简称PA、PB、PC、PD）4组组8位，共位，共32路通用路通用I/O接口，分接口，分别对应于芯片上别对应于芯片上32根根I/O引脚。所有这些引脚。所有这些I/O口都是口都是双（有的为双（有的为3）功能复用的功能复用的。 其中其中第一功能均第一功能均作为数字通用作为数字通用I/OI/O接口使用，接口使用，复用功能复用功能则分别用于中断、时钟则分别用于中断、时钟/ /计数器、计数器、USRATUSRAT、I2CI2C和和SPISPI串行通串

2、行通信、模拟比较、捕捉等应用。信、模拟比较、捕捉等应用。 引言引言 3 I/O口的基本结构口的基本结构 每组每组I/OI/O口配备三个口配备三个8 8位寄存器，它们分别是方向控制寄存器位寄存器，它们分别是方向控制寄存器DDRxDDRx，数据寄存器，数据寄存器PORTxPORTx，和输入引脚寄存器，和输入引脚寄存器PINxPINx（x=ABCDx=ABCD）。）。I/OI/O口的工作方式和表现特征由这口的工作方式和表现特征由这3 3个个I/OI/O口寄口寄存器控制。存器控制。 4方向控制寄存器方向控制寄存器DDRx用于控制用于控制I/O口的输入输出方向，即控制口的输入输出方向，即控制I/O口的工

3、作方式为输出方式还是输入方式。口的工作方式为输出方式还是输入方式。当当DDRx=1时，时，I/O口处于输出工作方式。口处于输出工作方式。 当当PORTx=1时，时，I/O引脚呈现高电平，同时可提供输出引脚呈现高电平，同时可提供输出20mA的电流；而当的电流；而当PORTx=0时，时，I/O引脚呈现低电平，同时可引脚呈现低电平，同时可吸纳吸纳20mA电流。电流。 5当当DDRx=0时，时，I/O处于输入工作方式处于输入工作方式 此时引脚寄存器此时引脚寄存器PINx中的数据就是外部引脚的实际电平，中的数据就是外部引脚的实际电平，通过读通过读I/O指令可将物理引脚的真实数据读入指令可将物理引脚的真实

4、数据读入MCU。此外，。此外，当当I/O口定义为输入时（口定义为输入时（DDRx=0），通过），通过PORTx的控制，的控制，可使用或不使用内部的上拉电阻。可使用或不使用内部的上拉电阻。6表表6.1是是AVR通用通用I/O端口的引脚配置情况端口的引脚配置情况 表中的表中的PUD为寄存器为寄存器SFIOR中的一位，它的作用相当中的一位，它的作用相当AVR全部全部I/O口内部上拉电阻的总开关。当口内部上拉电阻的总开关。当PUD=1时，时，AVR所有所有I/O内部上拉电阻都不起作用（全局内部上拉无效）；而内部上拉电阻都不起作用（全局内部上拉无效）；而PUD=0时，时，各个各个I/O口内部上拉电阻取决

5、于口内部上拉电阻取决于DDRXn的设置。的设置。 7 (1).使用使用AVR的的I/O口，首先要正确设置其工作方口，首先要正确设置其工作方式，确定其工作在输出方式还是输入方式。式，确定其工作在输出方式还是输入方式。 (2)当当I/O工作在输入方式，要读取外部引脚上的电工作在输入方式，要读取外部引脚上的电平时，平时，应读取应读取PINxn的值，而不是的值，而不是PORTxn的值。的值。 (3)当当I/O工作在输入方式，要根据实际情况使用或工作在输入方式，要根据实际情况使用或不使用内部的上拉电阻。不使用内部的上拉电阻。 (4)一旦将一旦将I/O口的工作方式由输出设置成输入方式口的工作方式由输出设置

6、成输入方式后，必须后，必须等待一个时钟周期后等待一个时钟周期后才能正确的读到外部才能正确的读到外部引脚引脚PINxn的值的值。8I/O端口寄存器端口寄存器 PA口寄存器口寄存器PORTA、DDRA、PINA各个位的具体定义各个位的具体定义 位 7 6 5 4 3 2 1 0 $1B（$003B） PORTA7 PORTA6 PORTA5 PORTA4 PORTA3 PORTA2 PORTA1 PORTA0 PORTA 读/写 R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W 复位值 0 0 0 0 0 0 0 0 位 7 6 5 4 3 2 1 0 $1A（$003A） DDA7

7、 DDA6 DDA5 DDA4 DDA3 DDA2 DDA1 DDA0 DDRA 读/写 R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W 复位值 0 0 0 0 0 0 0 0 位 7 6 5 4 3 2 1 0 $19 （$0039） PINA7 PINA6 PINA5 PINA4 PINA3 PINA2 PINA1 PINA0 PINA 读/写 R R R R R R R R 复位值 N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A 9 正确使用正确使用AVRAVR的的I/OI/O口要注意：口要注意：(1)(1)先正确设置先正确设置DDRxDDRx方向寄存器，

8、再进行方向寄存器，再进行I/OI/O口的读写操作。口的读写操作。(2)AVR(2)AVR的的I/OI/O口口复位后复位后的初始状态全部为的初始状态全部为输入工作方式输入工作方式，内部上，内部上拉电阻无效。所以，外部引脚呈现三态高阻输入状态。拉电阻无效。所以，外部引脚呈现三态高阻输入状态。(3)(3)用户程序需要首先对要使用的用户程序需要首先对要使用的I/OI/O口进行初始化设置，根据口进行初始化设置，根据实际需要设定使用实际需要设定使用I/OI/O口的工作方式（输出还是输入），当设定口的工作方式（输出还是输入），当设定为输入方式时，为输入方式时，还要考虑是否使用内部的上拉电阻还要考虑是否使用内

9、部的上拉电阻。(4)(4)在硬件电路设计时，如能利用在硬件电路设计时，如能利用AVRAVR内部内部I/OI/O口的上拉电阻，可口的上拉电阻，可以节省外部的上拉电阻。以节省外部的上拉电阻。AVR通用I/O端口的主要特点 双向可独立位控的I/O口 ATmega16的PA、PB、PC、PD四个端口都是8位双向I/O口，每一位引脚都可以单独的进行定义，相互不受影响。如用户可以在定义PA口第0、2、3、4、5、6位用于输入的同时定义第1、7位用于输出，互不影响10AVR通用I/O端口的主要特点 Push-Pull大电流驱动 每个I/O口输出方式均采用推挽式缓冲器输出，提供大电流的驱动，可以输出（吸入）2

10、0mA的电流，因而能直接驱动LED显示器。 可控制的引脚内部上拉电阻每一位引脚内部都有独立的，可通过编程设置的，设定为上拉有效或无效的内部上拉电阻。当I/O口被用于输入状态，且内部上拉电阻被激活（有效）时，如果外部引脚被拉低，则构成电流源输出电流（uA量级）。11AVR通用I/O端口的主要特点 DDRx可控的方向寄存器。 AVR的I/O端口结构同其它类型单片机的明显区别是，AVR采用3个寄存器来控制I/O端口。一般单片机的I/O仅有数据寄存器和控制寄存器，而AVR还多了一个方向控制器，用于控制I/O的输入输出方向。由于输入寄存器PINx实际不是一个寄存器，而是一个可选通的三态缓冲器，外部引脚通

11、过该三态缓冲器与MCU的内部总线连接，因此，读PINx时是读取外部引脚上的真实和实际逻辑值，实现了外部信号的同步输入。这种结构的I/O端口，具备了真正的读-修改-写（Read-Modify-Write）特性。1213C语言中的位操作语言中的位操作 a | b - 按位或按位或 这个表达式指示中这个表达式指示中 a 被表达式中的被表达式中的b 按位进行或运算按位进行或运算 这惯用于打这惯用于打开某些位开某些位 尤其常用尤其常用|=的形式的形式 例如例如 PORTA |= 0 x80; / 打开位打开位 7 (最高位最高位) a & b - 按位与按位与 这个运算在检查某些位是否置这个运算

12、在检查某些位是否置 1 时有用时有用 例如例如 If (PORTA & 0 x81) = 0) / 检查位检查位 7 和位和位 0 注意圆括号需要括在注意圆括号需要括在&运算符的周围运算符的周围 因为它和因为它和= = 相比运算优先相比运算优先级较低级较低 这是这是 C 程序中很多错误的原因之一程序中很多错误的原因之一 a b - 按位异或按位异或 这个运算对一个位取反有用这个运算对一个位取反有用 例如例如 在下面的例子中在下面的例子中 位位 7 是被翻转的是被翻转的 PORTA = 0 x80; / 翻转位翻转位 7 a - 按位取反按位取反 在表达式中这个运算执行一个取反在

13、表达式中这个运算执行一个取反 当用按位与运算关闭某些位当用按位与运算关闭某些位时时 与这个运算组合使用尤其有用与这个运算组合使用尤其有用 如如 PORTA &= 0 x80;/ 关闭位关闭位 7 14PORTC | = （1BIT0) |（ 1BIT3); 1(BIT0)表示逻辑表示逻辑1左移到左移到PORTC 的0位，结果为位，结果为0b00000001; 1(BIT3) 表示逻辑表示逻辑1左移左移PORTC 的3位，结果为位，结果为0b00001000。0b00000001在同在同0b00001000相或相或，结果为，结果为0b00001001。 PORTD=BIT(PD7) PO

14、RTD口的第口的第7位取反位取反/，取反，取反PD0引脚，引脚，TCCR0|=(1CS01)|(1CS00);TCCR0功能寄存器的功能寄存器的CS01 、CS00位置位置1。15通用数字通用数字I/O口的设置与编程口的设置与编程 1. 通用通用I/O输出设计要点输出设计要点 应用应用I/O口输出时，在系统的软硬件设计上应注意的问题有：口输出时，在系统的软硬件设计上应注意的问题有： 输出电平的转换和匹配。输出电平的转换和匹配。 输出电流的驱动能力。输出电流的驱动能力。 I/O口输出为口输出为“1”时，可以提供时，可以提供20mA左右的驱动电流。输左右的驱动电流。输出为出为“0”时，可以吸收时，

15、可以吸收20mA左右的灌电流（最大为左右的灌电流（最大为40mA）。）。 输出电平转换的延时输出电平转换的延时。 应用举例应用举例: LED发光二极管的控制发光二极管的控制 设计一个带有一排设计一个带有一排8个发光二极管的简易彩灯控制系统个发光二极管的简易彩灯控制系统 16硬件电路设计硬件电路设计 当电压当电压U1大于大于U2约约1V以上时，二极管导通以上时，二极管导通发光。当导通电流大于发光。当导通电流大于5mA时，人的眼睛时，人的眼睛就可以明显地观察到二极管的发光，导通就可以明显地观察到二极管的发光，导通电流越大，亮度越高。电流越大，亮度越高。 RVledUUI21 AVR的的I/O口输出

16、口输出“0”时，可以吸收时，可以吸收最大最大40mA的的电流，因此采电流，因此采用控制发光二用控制发光二极管负极的设极管负极的设计比较好。计比较好。 17#include #include void main(void) unsigned char position = 0;/ position为控制位的位置为控制位的位置 PORTA=0 xFF;/ PA口输出全口输出全1，LED全灭全灭 DDRA=0 xFF;/ PA口工作为输出方式口工作为输出方式 while (1) PORTA = (1= 8) position = 0; delay_ms(1000); 18应用举例应用举例:继电器控制

17、继电器控制 控制恒温箱的加热的硬控制恒温箱的加热的硬件电路设计件电路设计 恒温箱的加热源采用恒温箱的加热源采用500W电炉，电炉的工作电压电炉，电炉的工作电压220v，电流电流2.3A。选用。选用HG4200继电器，开关负载能力为继电器，开关负载能力为5A/AC220V，继电器吸合线圈的工作电压继电器吸合线圈的工作电压5v，功耗，功耗0.36W，计算得吸合电流，计算得吸合电流为为0.36/5 = 72mA。因此，要能使继电器稳定的吸合，驱动电流。因此，要能使继电器稳定的吸合，驱动电流应该大于应该大于80mA。该电流已经超出。该电流已经超出AVR本身本身 I/O口的驱动能力，口的驱动能力，因此外

18、部需要使用功率驱动元件。因此外部需要使用功率驱动元件。 I/O引脚输出引脚输出“1”时，时，三极管导通，继电器三极管导通，继电器吸合，电炉开始加热。吸合，电炉开始加热。I/O引脚输出引脚输出“0”时，时，三极管截止，继电器三极管截止，继电器释放，加热停止。释放，加热停止。 19PORTC | =(1 PORTC0）/PORTC 位置位置1。继电器吸。继电器吸合，电炉开始加热。合，电炉开始加热。PORTC & = (1 PORTC0）PORTC & = 0 x80 /PORTC 位置位置0。继电器释放，。继电器释放，加热停止。加热停止。 20应用举例应用举例:步进电机控制步进电机

19、控制21硬件电路硬件电路22程序程序#include #include Flash unsigned char step6=0 x04, 0 x06, 0 x02, 0 x03, 0 x01, 0 x05;void main(void)char i= 0;int delay = 500;PORTA=0 x00;DDRA=0 x07;/ PA口工作为输出方式口工作为输出方式 while (1) PORTA =stepi;/ if (+i = 6) i= 0; delay_ms(delay); ;23AVR I/O端口应用实例7段LED显示器 在单片机系统中在单片机系统中,常用的显示器有常用的显示

20、器有:发光二极管显示器发光二极管显示器,简称简称LED(Light Emitting Diode);液晶显示器液晶显示器,简称简称LCD(Liquid Crystal Display);荧光管显示器，简称荧光管显示器，简称CRT。近年来也开始使用简易的。近年来也开始使用简易的CRT接口接口,显示一些汉字及图形显示一些汉字及图形。24前二种显示器都有两种显示结构前二种显示器都有两种显示结构: :段显示段显示(7(7段段,“,“米米”字型等字型等) )和点阵显示和点阵显示(5(57,57,58,88,88 8点阵等点阵等) )。而发光。而发光二极管显示又分为固定段显示和可以拼装的大型字段显二极管显

21、示又分为固定段显示和可以拼装的大型字段显示示, ,此外还有共阳极和阴极之分等。此外还有共阳极和阴极之分等。 三种显示器中三种显示器中, ,以荧光管显示器亮度最高以荧光管显示器亮度最高, ,发光二极发光二极管次之管次之, ,而液晶显示器最弱而液晶显示器最弱, ,为被动显示器为被动显示器, ,必须有外光必须有外光源。源。 限于篇幅限于篇幅, ,我们介绍我们介绍7 7段段LEDLED显示器显示器。25LED显示器是单片机应用系统中常用的价廉显示器是单片机应用系统中常用的价廉输出设备。输出设备。 它是由若干个发光二极管组成的它是由若干个发光二极管组成的,当发光二极管当发光二极管导通时导通时,相应的一个

22、点或一个笔画发亮。控制不同相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通组合的二极管导通,就能显示出各种字符。就能显示出各种字符。 发光二极管的阳极连在一起的称为发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示共阳极显示器器,阴极连在一起的称为阴极连在一起的称为共阴极显示器共阴极显示器。 26对于共阴极LED,欲点亮的段在字节中所处的位为“1”, 对于共阳极LED,欲点亮的段在字节中所处的位为“0”, 例如:显示字符5,共阴极字型码为01101101B(6DH),共阳极字型码为10010010B(92H)。 27LEDLED共阴共阴/ /共阳段选编码表共阳段选编码表显示字符共阴极字型码共阳极字型

23、码显示字符共阴极字型码共阳极字型码 0 3FH C0H c 39H C6H 1 06H F9H D 5EH A1H 2 5BH A4H E 79H 86H 3 4FH B0H F 71H 8EH 4 66H 99H P 73H 8CH 5 6DH 92H U 3EH C1H 6 7DH 82H I 31H CEH 7 07H F8H Y 6EH 91H 8 7FH 80H H 76H 89H 9 6FH 90H L 38H C7H A 77H 88H “灭” 00H FFH b 7CH 83H 28二、二、 LED显示器显示方式显示器显示方式LED显示器有静态显示和动态显示两种显显示器有静态显

24、示和动态显示两种显示方式，分述如下：示方式，分述如下：.LED静态显示方式静态显示方式 所谓静态显示，就是当显示器显示某一个所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止，字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止，例如七段显示器的例如七段显示器的a,b,c,d,e,f导通，导通，g截止，显截止，显示示0。这种显示方式每一位都需要有一个位。这种显示方式每一位都需要有一个位输出口控制。输出口控制。29多位显示器的接口逻辑。如图多位显示器的接口逻辑。如图 所示所示 优点优点：编程容易，管理简单，亮度较高，：编程容易，管理简单，亮度较高， 缺点缺点：占用口线资源较多。：占

25、用口线资源较多。 1、LED静态显示方式静态显示方式30.LED .LED 动态显示方式动态显示方式动态显示动态显示就是一位一位地轮流点亮显示就是一位一位地轮流点亮显示器各个位（扫描），对于显示器的每一位来说，器各个位（扫描），对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。每隔一段时间点亮一次。 显示器的亮度既与导通电流有关，也与点显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。参数，可实现亮度较高较稳定的显示。 31多位段多位段LED动态显示器电路动态显示器电路 在多位在多位LED显示时

26、显示时,为了简化硬件电路为了简化硬件电路,通常将所在位通常将所在位段选线相应地并联在一起段选线相应地并联在一起,由一个由一个(7段段LED)8位位I/O口控制口控制,形成段线的多路复用。而各位的共阳极或共阴极分别由形成段线的多路复用。而各位的共阳极或共阴极分别由相应的相应的I/O口线控制口线控制,实现各位的分时选通。实现各位的分时选通。.LED .LED 动态显示方式动态显示方式32.LED .LED 动态显示方式动态显示方式扫描显示方式扫描显示方式,即在某一时刻即在某一时刻,只让某一位的位选线只让某一位的位选线处于选通状态处于选通状态,而其它各位的位选线处于关闭状态而其它各位的位选线处于关闭

27、状态,同时同时,段选线上输出相应位要显示字符的字型码段选线上输出相应位要显示字符的字型码,这样同一时这样同一时刻刻,6位位LED中只有选通的那一位显示出字符中只有选通的那一位显示出字符,而其它三而其它三位则是熄灭的。位则是熄灭的。 由于人眼有视觉暂留现象由于人眼有视觉暂留现象,只要每位显示间隔足够只要每位显示间隔足够短短,则可造成多位同时亮的假象则可造成多位同时亮的假象,达到显示的目的。达到显示的目的。33LEDLED显示器接口技术显示器接口技术要使要使LED显示器显示出字符，必须提供显示器显示出字符，必须提供段选码和位选码。段选码和位选码。 段选码段选码（即字码）可以用硬件译码的方（即字码）

28、可以用硬件译码的方法获得，也可以用软件的方法获得。法获得，也可以用软件的方法获得。 位选码位选码 静态显示和动态显示。静态显示和动态显示。 下面介绍软件译码显示器接口方法。下面介绍软件译码显示器接口方法。 34一、静态显示接口一、静态显示接口35一、静态显示接口一、静态显示接口1静态显示器硬件电路静态显示器硬件电路 是一个采用串行传送数据的8 位数码管静态显示接口。设计中将8 片八位串行输入/并行输出移位寄存器74HC164 串接，数码管为共阳极型。 MCU 将8 个要显示字符的段码字准备好，通过Data Out 引脚，在Clk Out 引脚产生的cp 移位脉冲的作用下，一位一位地移入74HC

29、164 的QAQH 端（串行输入）。QAQH 的输出（并行输出）直接作为数码管的段位控制。由于左边74HC164 芯片的QH（最低位）和右边74HC164 芯片的数据串入端连接，经过Clk Out 时钟线64 个cp 脉冲后，要显示的8 个字符将会在8 个数码管上显示，最先发送的显示字符段码将显示在最右边。 36二、动态显示接口二、动态显示接口37二、动态显示接口二、动态显示接口 在任何一个时刻，PC0-PC5 中只能有一个I/O 口输出低电平，即只有一位数码管亮。 MCU 必须循环轮流控制PC0-PC5 中的一位输出“0”，同时PA 口要输出该位相应的段码值。 即使显示的内容没有变化，MCU

30、 也要进行不停的循环扫描处理。38二、动态显示接口二、动态显示接口 软件的设计应保证从在外表看数码管显示的效果要连续（即在人眼里各个数码管全部亮），亮度均匀，同时没有拖尾现象。 为了保证各个数码管的显示的效果不产生闪烁情况，表象上全部点亮的话，则首先必须在1 秒中内循环扫描6 个数码管的次数应大于25 次，这里是利用了人眼的影像滞留效应。 本例中我们选择40 次，既每隔1000/40=25ms 将6 个数码管循环扫描一遍。第二要考虑的是，在25ms 时间间隔中，要逐一轮流点亮6 个数码管，那么每个数码管点亮的持续时间要相同，这样亮度才能均匀。第三个要考虑的要点为每个数码管点亮的持续时间，这个时

31、间长一些的话，数码管的亮度高一些，反之则暗一些。 通常，每个数码管点亮的持续时间为1-2ms。我们将每个数码管的点亮持续时间定为2ms，那么6 个数码管扫描一遍的时间为12ms，因此MCU 还有13ms 的时间处理其它事件 39二、动态显示接口二、动态显示接口#include #include char led_710=0 x3F,0 x06,0 x5B,0 x4F,0 x66,0 x6D,0 x7D,0 x07,0 x7F,0 x6F;char position6=0 xfe,0 xfd,0 xfb,0 xf7,0 xef,0 xdf;/任何时刻只有一个管亮，即只有一个I/O口输出为低voi

32、d display(void) / 扫描显示函数，执行时间12mschar i;for(i=0;i=5;i+)PORTA = led_7dis_buffi;PORTC = positioni;delay_ms(2); / (2)PORTC = 0 xff; / (3)40void time_to_disbuffer(void) / 时间值送显示缓冲区函数unsigned char i,j=0; for (i=0;i= 40) time_counter = 0;/ （4） point_on = point_on;/ （5） if (+time0 = 60) time0 = 0; if (+tim

33、e1 = 60) time1 = 0; if (+time2 = 24) time2 = 0; time_to_disbuffer(); delay_ms(13);/ 延时13ms，可进行其它处理（6） 42点阵LED 显示器 点阵LED 在许多产品中也是经常使用的一种外围设备，如电梯中的运行指示，公交汽车里的站名广告显示，以及大型的电子广告牌等。 这种LED 的优点是可以通过点阵的形式显示汉字、图形等。 实际上，PC 的显示屏、手机显示屏等，在上面显示汉字、图形的原理都是点阵显示的方法。43点阵LED 显示器 8*8 点阵LED 一般是一个方型的器件，由8 行 * 8 列共64 个LED 发光二极管组成。44点阵LED 显示器 8*8 点阵LED 的显示控制方式与LED 数码管的显示方式类似，也是使用动态扫描的工作方式。 上箭头“”的码表45点阵LED 显示器Col+PA 口输出值1(PA7)2(PA6)3(PA5)4(PA4)5(PA3)6(PA2)7(