任务238位流水灯

1、2.3 8位流水灯任务三 8位流水灯2.3.1 任务内容 流水灯在我们的日照生活中有着非常多的应用，如广告牌的设计和节日彩灯的设计都用到它的原理。本节的任务是把开发板上的8个发光二极管依次点亮。另外一IO口接外部电平，高电平时流水灯从左向右依次点亮，低电平时流水灯从右向左依次点亮。2.3.2 知识准备1、单片机IO的构造在上一单元中发光二极管闪烁的实例中，I/O控制小灯闪烁，只需在Keil中对I/O写0、和写1就可以了，使用起来非常简单。但是在实际应用中如果不了解I/O的特点，设计的电路存在缺陷，I/O应用起来未必会得心应手。初学者不必深究I/O控制原理，但至少得弄明白几个基本的概念，这对后期

2、学习高档单片机也很有帮助。在I/O构造电路中，有三极管（实际上是MOS管）、锁存器等，我们先来学习一下这两个基本器件的特点。（1） 三极管在I/O构造电路中，有一个器件是MOS管，I/O能对外输出高低电平全依赖MOS管的导通与否。MOS管和三极管在外特性很相像，由于我们更熟悉三极管，所以这里讲解三极管。三极管是模拟电路和数字电路的基石。在模拟电路中，三极管主要用于放大弱信号。在数字电路中，三极管更多作为开关管来使用。三极管的基本结构是两个反向联结的的PN接面，如图所示，有NPN和PNP两种组合。三个接出来的端点依次被称为发射极（E）、基极（B）和集电极（C）。图中也显示了NPN和PNP三极管的

3、电路符号，射极被特别标出，箭头由外指向内的是NPN，由内指向外的是PNP。 PNP三极管 NPN三极管图2.3.1 PNP三极管和NPN三极管NPN三极管电流由基极和集电极流入，发射极流出；而PNP三极管则相反，从发射极流进，从基极和集电极流出。不管是NPN三极管还是PNP三极管，都满足这样几个特性：三个极之间的电流的关系为：流进的=流出的，即IB+IC=IE。：Ic大小跟Ib有关：Ib为0，则Ic也为0；Ib从0开始增大，Ic也跟着增大，而且在这一过程中，Ic=Ib，其中 为放大倍数，不同三极管 不一样，从几十到几百倍；当Ic的值到了极限时，Ib再增大，Ic也不再跟着增大了。：基极和发射极之

4、间可以等效成一个二极管，要获得基极电流，基极电压要高于发射极电压0.60.7V，而且一旦导通之后，这个电压基本保持不变。三极管本质上是一个以弱控强的器件，大家可以想象一下用一个阀门控制大坝匝门的情形。当阀门关闭时，大坝匝门也关闭，水流就不能从上游流到下游去，对应三极管，即没有IB，则也没有IC，这一区域称为“截止区”；转动阀门，大坝的匝门也跟着开启，阀门拧的圈数越多，匝门的开合度也越大，从上游到下游的水流也越大，对应三极管，则为Ic= Ib，这一状态称为“放大区”；当大坝匝门完全开启，再拧阀门，匝门的开合度已经到了最大值，水流不能再增大了，对应三极管，即当Ic的值到了极限时，Ib再增大，Ic也

5、不再跟着增大了，这一区域称之为“饱和区”。下面结合图2.3.2的电路通过实验对三极管的三个区做一下测试。 （a）实验原理图 （b）在面包板上实验测数据 图2.3.2 三极管特性实现电路讲究理论与实践的统一，说白了就是在学完理论后，只要有条件，一定要动手做实验，来验证理论的正确性，这样才会真正理解电路的特性。对于一些简单的实验，推荐使用如图2.3.2所示的面包板板来验证。图中三极管型号为较为常用的直插中小功率NPN三极管8050，VCC=5V。基极限流电阻Rb,阻值10K，集电极电阻RC阻值510。三极管的基极电压由3296电位器提供，通过旋转电位器，不断调整A点电位，让A点电位以0.2V的步进

6、升高，从0V到5V，然后用万用表测试A点、B点和C点电压，Ib=（Ua-Ub)/Rb，Ic=(VCC-Uc)/Rc，=Ic/Ib。 表2.3.1 三极管实现数据表Ua(V)Ub(V)URb（V）Ib(uA)Uc(V)URc(V)Ic(uA)0.2030.2030050000.4010.4010050000.5980.5560.0420.5674.9840.01631.37255.30.8120.620.1922.5944.7220.2785452101.0030.6380.3654.9324.4060.59411652361.2010.6480.5537.4734.0910.909178223

7、81.3990.6550.74410.0543.7851.21523822391.6020.6620.9412.7023.4551.54530292382.0010.6711.3312.7922.8022.19843092392.4030.6781.72523.3112.1712.82955472362.7990.6862.11328.5541.5663.43467332363.2060.6922.51433.9720.9614.03980782383.6020.6982.90439.2430.4124.58889962294.0030.7023.30144.6080.1714.8299468

8、2124.2010.7023.49947.2830.1434.85795232014.3920.7033.68949.8510.1354.86595391914.5970.7033.89452.6210.1324.86895451814.7970.7034.09455.3240.1294.87195501734.9850.7034.28257.8640.1244.8769560165当A点电压<0.598V时（A点电压为0.203V和0.401V），B点电压和A点电压相同，C点电压与电源VCC相同，这说明在这段区间内，基极电流为0（电阻Rb上没有压降），集电极电流也为0（电阻Rc上没有压

9、降）。这段区域我们称之为截止区。当A点电位超过0.6V后，基极和集电极都有电流，而且在一段区间内，随着输入电压的提高，集电极电流和基极电流都跟着升高，但其比值是不变的（=238）。三极管的输出端满足VCC=Ic*Rc+UCE，URc升高，UCE下降，这段区域我们称之为放大区，Ic=Ib。由关系式VCC=Ic*Rc+UCE可以看出，随着Ic的增大，UCE减低，当UCE接近0V时，Ic到达最高值，再往后，集电极电流不再跟随基极电流变化。从实验数据可以看出，A点电压超过4V后，C点电位下降至0.1V后，集电极电流和基极电流不再成比例关系。这段区域我们称之为饱和区。基极电流再升高，UCE间始终存在0.

10、1V左右的电压，我们称之为饱和压降。 在单片机应用电路中，三极管作为开关管来使用，三极管工作于截止区和饱和区。在截止区时，三极管的CE之间如同一个开关断开时，CE之间没有电流通过；而在饱和区时，三极管的CE之间如果一个开关导通一样，CE之间以最大电流通过，所以我们把三极管工作于这两个区的状态称之为开关。（2）D触发器在实际的数字系统中往往包含大量的存储单元，而且经常要求他们在同一时刻同步动作，为达到这个目的，在每个存储单元电路上引入一个时钟脉冲（CLK）作为控制信号，只有当CLK到来时电路才被“触发”而动作，并根据输入信号改变输出状态。把这种在时钟信号触发时才能动作的存储单元电路称为触发器。D

11、触发器是触发器的一种。图2.3.2是D触发器的内部构造图。 图2.3.2 D触发器内部构造D触发器的方程为Q=D，即输出Q的值等于输入D的值，但这种情况只发生在时钟的上升沿。在时钟上升沿到来之前，即使输入发生改变，输出也不会立即改变。（3）P1口、P2口和P3口的内部构造51单片机的P1口、P2口和P3口的构造大同小异，在这里暂且把他们当成是同一类型。图2.3.3中是这些I/O口的内部构造图。在图2.3.3中，P1、P2、P3口输出端是一个接上拉电阻的MOS管，漏极输出，考虑到初学者对MOS管不太熟悉，而MOS管和三极管的外特性相似，我们暂且把MOS管当成是NPN型的三极管来讲解，即图中三极管

12、发射极接地，集电极输出电平。我们要把I/O口置成高电平，需要在程序中对I/O口写“1”，D锁存器的输入端为高电平“1”，则D触发器的反相输出端输出低电平，则NPN三极管截止，输出端对外呈现高电平；反之，当我们在程序中写“0”,D触发器的反相端输出高电平，三极管饱和导通，输出低电平。因内部上拉电阻R的阻值较大，所以称之为弱上拉输出。图2.3.3 P1、P2和P3口的内部构造（4）P0内部构造图2.3.4是P0口的内部构造图。与P1、P2和P3口相比，P0口构造比较特殊。P0口既可以作为普通I/O口使用，也可以作为扩展存储器的地址/数据线使用。P0口怎样作为地址/数据总线来使用，我们暂且不要理会，

13、但地址/数据总线的输出形式值得一提，从图上可以看出，MUX开关打向上边，IO作为地址/数据用，MOS管T1和T2轮流导通，这种形式成为推挽输出。这种双管轮流导通的方式是AVR/PIC等单片机I/O口输出的主要形式，输出和输入都具有大电流。P0口用作普通I/O时，MUX开关打向D锁存器的输出端，D锁存器只能控制MOS管T2，对MOS管T1不起作用，MOS管T1截止。P0口用作普通I/O时，和P1、P2和P3口类似，不同之处在于，由于MOS管T1截止，MOS管T2没有电源和上拉电阻，即T2漏极开路，。所以P0口作为普通IO使用，还需在P0口的外部接上拉电阻。我们的开发板上外接了5.1K的排阻。 图

14、2.3.4 P0口内部构造 图2.3.4 P0口内部构造 2、拉电流与灌电流 拉电流和灌电流是衡量数字电路输出驱动能力的参数。数字电路的输出只有高、低（即“0”和“1”）两种电平值，高电平输出时，一般是输出端对负载提供电流，其提供电流的叫“拉电流”；低电平输出时，一般是输出端要吸收负载的电流，其吸收电流的叫“灌电流”。如图2.3.5所示。P2.1置“0”，低电平，电流从电源VCC经负载流入P2.1，称之为“灌电流”。P2.0置“1”，高电平，电流从芯片引脚P2.0流出，称之为“拉电流”。 图2.3.5 拉电流和灌电流灌电流越大，输出端MOS管的饱和压降就会越大，则输出低电平则会变高，数字电路的

15、低电平是有一定限制的，它有一个最大值UOLMAX。电路工作时，不允许超过这个数值，TTL逻辑门的规范规定UOLMAX 0.40.5V。所以，灌电流有一个上限，灌电流太大，不仅会使I/O输出端电压升高，而且还可能使I/O烧坏。拉电流越大，输出端的高电平就越低。这是因为MOS管的输出端有上拉电阻的原因，输出电流越大，上拉电阻上的压降也会越大，则对外输出的电压越低。数字电路的高电平有一个最小值UOHMIN。工作时，不允许超过这个数值，TTL逻辑门的规范规定UOHMIN 2.4V。所以，拉电流也有一个上限。3、STC89C52的拉电流和灌电流大小STC89C52的官方手册并没有给出I/O的拉电流和灌电

16、流的大小，只是说和传统8051单片机一样，是弱上拉。表2.3.2是拉电流的测试数据，测试方法是在P20引脚外接一个电阻，电阻另外一端接地，用万用表测试一下P20引脚的电压，然后换其它阻值的电阻测试。表2.3.3是灌电流的测试数据，测试方法是类似拉电流的测试，不同之处在于电阻的另外一端接电源VCC。 表2.3.2 拉电流测试数据 表2.3.3 灌电流测试数据电阻（）I/O电压(mV)输入电流(mA)5K750.9851K3474.6535007228.556电阻（）I/O电压(V)输出电流(uA)95K4.5944832K412521K3.5166 从表2.3.2和表2.3.3中可以看出STC8

17、9C52的灌电流和拉电流能力都比较弱，但相比较而言，灌电流要远远大于拉电流，拉电流是uA级别的，而灌电流是mA级别。另外根据表2.3.2中的数据计算，STC89C52单片机I/O中内置上拉电阻的阻值在7-10K左右。通过实验分析，就不难解释为什么我们在驱动发光二极管时，采用低电平驱动而不是高电平驱动了。由于STC89C52的上拉电阻在10K级别，就算不接限流电阻，发光二极管也不会被点亮。 4、C语言中的位运算流水灯的程序实现有两种方法，其中之一是采用移位的方法。C语言中的位运算在单片机程序中格外重要，程序中到处可见位运算，我们先了解一下C51的位运算种类和特点。C51提供了几种位操作符，如下表

18、所示：表2.3.2 C语言中的位运算符号运算符含义运算符含义&按位与取反|按位或<< 左移按位异或>> 右移（1）“按位与”运算符（&）参与与操作的两个位，原则是全1为1，有0才为0，即：0&0=0；0&1=0；1&0=0；1&1=1。如下例：a=0x05&0x03，即a=(0b 0101) & (0b 0011) =0b 0001。（2）“按位或”运算符（|） 参与或操作的两个位，原则是有一个为1，则结果为1，全0为0。即：0|0=0；0|1=1；1|0=1；1|1=1。例如：a=0x30|0x0f；即a

19、= (0b00110000)|(0b00001111) = (0b00111111)=0x3f。（3）“异或”运算符()异或运算符又被称为XOR运算符。当参与运算的两个位相同（1与1或0与0）时结果为0。不同时为1。即相同为0，不同为1。 00=0；01=1；10=1；11=0。例如：a=0x550x3f; 即a=(0b01010101)(0b00111111)=(0b01101010)=0x6a。（4）“取反”运算符（）与其它运算符不同，“取反”运算符为单目运算符，即它的操作数只有一个。它的功能就是对操作数按位取反。也就是是1得0，是0得1。如下例：a=0xaa; a=0b10101010，

20、b=a，则b=0b01010101。（5）左移运算符（<<）左移运算符用来将一个数的各位全部向左移若干位。如：a=a<<2，表示将a的各位向左移2位，右边补0。如a=34(0b00100010)，左移2位得0b10001000。（6）右移运算符（>>）右移与左移相类似，只是位移的方向不同。如：a=a>>2，表示将a的各位向右移动2位，左边补0。如a=34(0b00100010)，左移2位。得0b10001000。5、C运算符位运算属于C众多运算符中的一种，除了位运算，还有算术运算符、关系运算符、逻辑运算符等。（1）算术运算符算术运算符用于各类数值

21、运算，包括加(+)、减(-)、乘(*)、除(/)、求余(%)、自增(+)、自减（）。在C语言中，乘法运算符为“*”，不能写成数学中的“×”，除法运算符为“/”, 不能写成“÷”。对于“/”运算符，C语言规定，当它的两个运算分量都为整数时，其结果为整数，如果两个运算分量其中一个为浮点数时，则结果为浮点数。“%”运算符，是用来求两个数相除后的余数，相处的两个数必须为整形数据。“+”和“”是C语言中的自增运算符，如a+，+a。其中a+是表示先使用a的值，再加1，+a表示先加1，再使用a的值。“”的用法和“+”类似，是自减1。下面是算术运算符的举例。5+3：结果为5；5-3：结果为

22、2；5*3：结果为15；5/3: 结果为1；5+：结果为6。 （2）关系运算符C语言提供6种关系运算符，分别是大于(>)、大于等于(>=)、小于(<)、小于等于(<=)、等于(=)、不等于（！=）。需要注意的等于运算符，是双等于号，不是单个等号，单个等号是赋值。关系运算符的结果只有两种，0（假）和1（真）。关系成立为1，不成立则为0。如100>=20，结果1；7=3，结果为0；a<A,结构为0。（3）逻辑运算符逻辑运算符有三种，分别是逻辑与（&&）、逻辑或（|）和逻辑非（！），注意和位运算的区别。逻辑运算的结果只有两种：0（假）和1（真）。具

23、体功能如表2.3.4所示：表2.3.4 逻辑运算符aba&&ba|b!a真真真真假真假假真假假真假真真假假假假真6、数组流水灯实现的第二种方法是采用取表的方式。我们这里所谓的“取表”实际上就是C语言中的数组。在程序设计中，为了处理方便，把具有相同类型的若干变量按有序的形式组织起来，这些按序排列的同类数据元素的集合称为数组。C语言支持一维数组和多维数组。我们这里先来学习简单的一维数组。（1）一维数组的定义方式在C语言中使用数组必须先进行定义，才能使用。一维数组的定义方式为：类型说明符 数组名 常量表达式;其中，类型说明符是任一种基本数据类型或构造数据类型。数组名是用户定义的数组标

24、识符。方括号中的常量表达式表示数据元素的个数，也称为数组的长度。例如：int a10; /* 整型数组a，有10个元素 */char ch20; /* 字符数组ch，有20个元素 */需要说明几点，类型说明符实际是数组元素的取值类型，数组名的书写规则遵循标示符的规定，方括号中的常量表达式用来表示数组中元素的个数，如a5表示数组中有5个元素，但是其下标从0开始计算，因此5个元素分别是a0、a1、a2、a3、a4。（2）一位数组的初始化数组赋值既可以在定义的时候给数组元素赋初值，也可以在定义后用赋值语句逐个赋值。初始化赋值的一般形式为：类型说明符 数组名常量表达式 = 值, 值值 ; 其中在 中的

25、各数据值即为各元素的初值，各值之间用逗号间隔。例如：int a10= 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 ；相当于a0=0; a1=1 . a9=9;另外数组在初始化的时候，内数组元素的个数可以不写，编译系统会根据内数据的个数计算数组元素的个数。（3）一位数组的引用数组元素引用的一般形式为：数组名下标。其中下标只能为整型常量或者整型表达式，不能为变量。7、选择语句C语言的选择语句中包括if语句和switch语句。我们先来看一学习一下if语句。if构成的选择语句有3种类型。（1）第一种类型是判断是否满足某个条件，满足则执行相应的动作。其功能模型如下：if(条件) 执行动作 （2）if语句的第

26、二种类型是在第一种类型的基础之上，又加入了一个条件。判断是否满足某个条件，满足则执行动作1，不满足，则执行动作2。其功能模型如下：if(条件) 执行动作A else 执行动作B if(条件A) 执行动作A；else if (条件B) 执行动作B；else if (条件C) 执行动作C； else 执行动作D;（3）if语句的第三种类型是有多种条件可供选择，执行某个条件下的相应指令，如果条件A满足，则执行动作A，然后退出，不满足则判断条件B是否满足，依次进行下去。其功能模型如下：另外执行动作语句只有一个，则可以省略。三、任务实施1、移位方式实现流水灯程序#include<reg52.h&g

27、t;#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit Input=P10; /外接电平输入端 void delay_ms(uint xms) /ms级延时函数 uint i,j;for(i=0;i<xms;i+)for(j=0;j<122;j+);void main() uchar i=0;uchar temp;while(1)if(keyy=1) /流水灯从右向左移动temp=0x01; /temp初值for(i=0;i<8;i+) P2=temp; /temp取反后，赋值给P2口 delay_ms(1000)

28、; /延时1000mstemp=temp<<1; /temp左移一位 else /流水灯从左向右移动temp=0x80;for(i=0;i<8;i+) P2=temp;delay_ms(1000);temp=temp>>1;程序解释:例程中，根据输入IO的电平（P10引脚外接电平），分为流水灯向左移和向右移，外接高电平时，向左移，外接低电平时，向右移。表2.3.5是向左移中temp变量和P2赋值的状态，表2.3.6是向右移中temp变量和P2赋值的状态。 表2.3.5 流水灯左移 表2.3.6 流水灯右移 iTemp（左移）P2=temp00000,00011111,111010000,00101111,110120000,01001111,101130000,10001111,011140001,00001110,111150010,00001101,111160100,00001011,111171000,00000111,1111iTemp（右移）P2=temp01000,00000111,111110100,00001011,111120010,00001101,111130001,00001110,111140000,10001111,011150000,01001111,10116