电工学简明教程课件

第5章

MCS-51单片机的

输入/输出通道接口主要内容：输入/输出通道的组成与配置，设计的基本原理和方法；A/D、D/A转换器性能、与MCS-51单片机的接口电路与程序设计。重点：典型A/D、D/A芯片的性能，与MCS-51接口电路与程序设计。难点：各种A/D、D/A芯片的选择、灵活应用。第5章

MCS-51单片机的

输入/输出通道接口5.1输入/输出通道概述

5.2D/A转换器及接口技术5.3A/D转换器及接口技术过程I/O通道：单片机系统和被控对象之间信息的交互通道。包括输入通道、输出通道。5.1.1传感器传感器：将各种输入变量转换成可供测量信号的器件。

分类：（1）按用途：压敏、力敏、位置、液面、能耗、速度、热敏、加速度、射线辐射、振动、湿敏、磁敏、气敏、真空度和生物传感器等。（2）按输出信号：模拟传感器、数字传感器、开关传感器等。5.1输入/输出通道概述

发展方向：（1）利用新的物理现象、化学反应、生物效应设计传感器；（2）信号处理中的信息融合技术；（3）新型材料，及无源化发展；（4）新的加工技术；（5）集成化、微型化、微功耗及无源化；（6）高可靠性、宽温度范围。应用领域：传感器已经成为现代信息技术系统三大支柱之一，广泛应用于工业、农业、航空航天、军事国防等领域。5.1.2单片机应用系统的输入/输出通道

过程I/O通道的一般结构输入通道（前向通道）：

被测对象与单片机之间的信号通道。组成：传感器或敏感元件、通道结构、信号调节、A/D转换、电源的配置、干扰的抑制等。设计：（1）靠近对象采集信息；（2）输入通道的结构——被测对象的环境、输入信号的类型、数量、大小，传感器、变送器的性能。（3）模拟、数字等混杂电路；（4）放大电路；（5）抗干扰。1．输入通道单片机应用系统输入通道结构

2．输出通道

输出通道（后向通道）：

单片机与被控对象之间的信号通道。组成：功率驱动、D/A转换、干扰的抑制等。设计：（1）通道结构：（2）输出信号与传送（模拟信号与数字信号，I/O口与数据总线；（3）驱动控制（小信号输出，大功率控制）；（4）抗干扰（电磁、机械干扰）。单片机应用系统输出通道结构

3．信号处理电路功能：信号放大/变换，滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等。注意：信号处理可由硬件实现，有些也可由软件实现。（1）开关量输入：电平匹配、电气隔离、互感器。（2）小信号放大技术：测量放大器、可编程增益放大器、带有放大器的小信号双线发送器。（3）隔离放大技术：隔离放大器（变压器耦合隔离放大器和光耦合隔离放大器）5.2D/A转换器及接口技术

D/A转换器（DigittoAnalogConverter）

将数字量转换成模拟量的器件称为D/A转换器，通常用DAC表示。D/A转换接口器设计中主要考虑的问题芯片的选择、精度、转换时间、与CPU的接口方式、数字量的码输入、输出模拟量的类型与范围、功耗等。5.2.1D/A转换器的性能指标（1）分辨率：D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量，即相邻两个二进制码对应的输出电压之差。可用最低位（LSB）表示。如，n位D/A转换器的分辨率为1/2n。（2）精度：D/A转换器的实际输出与理论值之间的误差，以满量程VFS的百分数或最低有效位（LSB）的分数形式表示。（3）线性误差：D/A的实际转换特性与理想的转换特性之间的偏差。即两个相邻的数字码所对应的模拟输出值（之差）与一个LSB所对应的模拟值之差。常以LSB的分数形式表示。（4）转换时间TS（建立时间）：从D/A转换器输入的数字量发生变化开始，到其输出模拟量达到相应的稳定值所需要的时间。（5）偏移量误差：输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。

5.2.2D/A转换器的分类

按输出信号分类：电压输出型和电流输出型。按是否含有锁存器分类：内部无锁存器和内部有锁存器。按能否作乘法运算分类：乘算型和非乘算型。按输入数字量方式分类：并行D/A和串行D/A。按转换时间（TS）分类：

高速D/A（＜100ns）、高速D/A（100ns～10μs）中速D/A（10μs～100μs）、低速D/A（＞100μs）5.2.3D/A转换器的接口电路

1．DAC0832（1）DAC0832的特点美国国家半导体公司（NationalSemiconductor，NS）公司生产，DAC0830系列。①8位并行D/A转换；②二级数据锁存；③三种工作方式：直通、单缓冲、双缓冲；④电流输出型芯片；⑤CMOS工艺，DIP20封装，单电源（+5V～+15V，典型值+5V）供电；⑥参考电压为-10～+10V⑦与MCS-51连接方便。

DAC0830系列均为DIP20封装，管脚兼容。D0—D7：8位数字量输入端

：片选端，低有效ILE：

数据锁存允许

，：写控制信号1，2

：数据传送控制信号Iout1，Iout2：电流输出端1，2RFB：

内置反馈电阻端VREF:

参考电压源（-10V～+10V）

DGND，AGND：数字地、模拟地：Vcc：

+5～+15V电源供电端DAC0832内部结构电路

2．电压输出方法采用运算放大器。输出电压VOUT=×（-VREF）硬件电路

3．单缓冲方式接口

内部数据寄存器有一个处于直通方式，另一个处于受单片机控制。

ILE——+5V，片选信号、数据传输控制——P2.7，两个写信号——CPU的写。数据线直接相连。地址为7FFFH。硬件电路

完成一次D/A转换的A/D软件设计[例题]

利用DAC0832作波形发生器产生三角波。解：电路如上页所示。程序如下：

ORG0100H START:MOVDPTR,#7FFFH;地址指向DAC0832 MOVA,#00H ;三角波起始电压为0UP:MOVX@DPTR,A ;数字量送DAC0832转换

INCA ;三角波上升边

JNZUP ;未到最高点0FFH，返回UP继续

DECA;去掉最高点0FFHDOWN:DECA ;到三角波最高值，开始下降边

MOVX@DPTR,A ;数字量送DAC0832转换

JNZDOWN ;未到最低点0，返回DOWN继续

INCA;去掉最低点00H SJMPUP ;返回上升边

END 系统工作过程

适用场合：多路D/A同步进行D/A转换输出。4．双缓冲方式

硬件电路

[例题]

假设某一分时控制系统，由一台单片机控制并行的两台设备，两台设备的模拟控制信号分别由两片DAC0832输出，要求两片DAC0832同步输出并行控制。解：如上页图所示，利用DAC0832双缓冲原理，对不同端口地址的访问具有不同的操作功能，具体功能如下表所示。P2.7P2.6P2.5功能口地址0111#数据由DB→第一级锁存7FFFH1100#数据由DB→第一级锁存0DFFFH1011#及0#同时由第一级→第二级0BFFFH实现同步输出的操作步骤为：

①1#待转换数据由数据总线→1#的第一级锁存（写7FFFH口）；②0#待转换数据由数据总线→0#D的第一级锁存（写0DFFFH口）；③1#、0#的第一级锁存器中的数据→各自的第二级锁存，同时开始D/A转换（写0BFFFH），同时输出控制信号。子程序如下：

ORG0100H START:MOVDPTR,#7FFFH ;数据指针指向1#的第一级锁存器

MOVA,#data1;取第一个待转换数据data1 MOVX@DPTR,A ;送入第一级缓冲器

MOVDPTR,#0DFFFH ;数据指针指向0#的第一级锁存器

MOVA,#data0 ;取第二个待转换数据data0 MOVX@DPTR,A ;送入第一级缓冲器

MOVDPTR,#0BFFFH ;数据指针指向1#0#的第二级缓冲地址

MOVX@DPTR,A;1#和0#数据同时进入第二级锁存，开始转换

RET END 系统工作过程

5.3A/D转换器及接口技术

A/D转换器（AnalogToDigitConverter）将模拟量转换为数字量的器件，常用ADC表示。5.3.1A/D转换器的性能指标

（1）分辨率：输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。用LSB或满刻度电压与2n之比值表示。例如：12位分辨率的ADC能分辨出满刻度的1/212或满刻度的0.0245%。一个10V满刻度的12位ADC能够分辨输入电压变化的最小值为2.4mV。而位的A/D转换器（满字为1999），其分辨率为满刻度的1/1999×100%=0.05%。（2）转换速率与转换时间：A/D转换器每秒钟转换的次数称为转换速率；完成一次A/D转换所需的时间（包括稳定时间）称为转换时间。转换时间是转换速率的倒数。（3）量化误差：有限分辨率A/D的阶梯状转移特性曲线与理想无限分辨率A/D的转移特性曲线之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB，1/2LSB。（4）线性度：实际A/D转换器的转移函数与理想直线的最大偏差。不包括量化误差、偏移误差和满刻度误差。（5）量程：A/D能够转换的电压范围，如0～5V，-10～+10V等。（6）其他指标：内部/外部电压基准、失调（零点）温度系数、增益温度系数，以及电源电压变化抑制比等性能指标。5.3.2A/D转换器的分类

5.3.3A/D转换器的接口电路

1．逐次逼近式A/D转换器（SAR）组成：结果寄存器、比较器、D/A和控制逻辑。原理：采用对分搜索逐位比较的方法逐步逼近，利用数字量试探地进行D/A转换，比较判断。

D/A输出最高位起依次逐位置1，与待转换的模拟量比较，小于该位置1，大于该位清0；逐位比较，最后得到的数字量即A/D转换的结果。特点：转换速度较快（几

S～几百

S），高频输入模拟量需加采样保持电路；小信号输入模拟量需加信号处理电路。（1）ADC0809的特点

NS公司生产，逐次逼近型A/D转换器。①8位A/D，误差1LSB；②转换时间为100µs（当外部时钟输入频率fc=640kHz）③带有锁存控制逻辑的8通道多路输入转换开关；④带锁存器的三态数据输出，⑤单一电源+5V，采用单一电源+5V供电时量程为0～5V；⑥无需零位或满量程调整，使用5V或采用经调整模拟间距的电压基准工作；⑦CMOS工艺，DIP28封装；⑧转换结果读取方式有延时、查询EOC=1、EOC申请中断；⑨与MCS-51连接方便。（2）ADC0809引脚功能

IN0—IN7：8通道模拟量输入端

2-8—2-1：8位数字量输出端C、B、A：地址锁存器的地址线ALE：地址锁存允许START：清0内寄存器，启动转换OE：允许读A/D结果，CLK：时钟输入，10kHz～1280kHz，典型值640kHzEOC：转换结束Vcc：+5VVref+：参考电压，+5VVref-：0V

8路模拟量输入IN7～IN0选择地址与选通的通道间的关系如下表所示。某一时刻，只有一路被选通进行转换。CBA被选通的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7（3）接口电路与编程

ADC0809典型应用如下图所示。MCS-51的P0口——数据总线，写读与P2.7或非——START/ALE、OE,，地址线低位——C、B、A，中断或查询方式读取A/D转换结果。硬件电路

[例题]

假设ADC0809与MCS-51的硬件连接如上页图所示，要求采用中断方法，顺序进行8路A/D转换，将IN0～IN7转换结果分别存入片内RAM的30H～37H地址单元中。解：程序如下：

ORG0000H LJMPMAIN ;转主程序

ORG0003H ;中断服务入口地址

LJMPINT0F ;中断服务。

ORG0100H MAIN:MOVSP,#60HMOVR0,#30H ;内部数据指针指向30H单元

MOVDPTR,#7FF8H ;指向P2.7口，且选通IN0

（低3位地址为000）

SETBIT0 ;设置下降沿触发

SETBEX0 ;允许中断

SETBEA ;开总中断允许

MOVX@DPTR,A ;启动A/D转换

SJMP$ ;等待转换结束中断中断服务程序如下：

INT0F:MOVXA,@DPTR ;取A/D转换结果

MOV@R0,A ;存结果

INCR0 ;内部指针下移

INCDPTR ;外部指针下移，指向下一路

CJNER0，#38H，NEXT ;未转换完8路，继续转换

CLREX0 ;关中断允许

RETI ;中断返回

NEXT:MOVX@DPTR,A ;启动下一路A/D转换

RETI ;中断返回，继续等待下一次

END 系统工作过程

2．双积分型A/D转换器

特点：转换速度较慢（几十mS～几百mS）；转换精度高、性价比高、抗干扰能力强。在速度要求不很高的实际工程中广泛使用。常用型号：

MC14433，ICL7106，ICL7135，AD7555等。（1）MC14433特点

①位双积分型A/D转换器；②外部基准电压输入：200mV或2V；③自动调零；④量程有199.9mV或1.999V两种；⑤转换速度为1～10次/秒，速度较慢。

DIP24封装。VDD：模拟正电源端，典型值+5V；VEE：模拟负电源端，典型值-5V；VSS、

VAGND

：数字地，模拟地；VX：被测电压输入端；Vref：电压基准输入端（2V或200mV）；R1：外接积分电阻输入；C1：外接积分电容输入；R1/C1：外接电阻R1和外接电容C1的公共端，C1典型值0.1µF，电阻R1为470k

（量程为200mV时）或27k

（量程为2V时）；（2）MC14433引脚功能C01，C02：外接失调补偿电容端，典型值为0.1µF；CLK0，CLK1：时钟外接电阻RC接入端，典型值470k

；DU：更新转换控制信号输入；EOC：转换结束输出，当DU有效后，EOC变低，16400个时钟脉冲后产生一个0.5倍时钟周期宽度的正脉冲，表示转换结束。；

：过量程状态输出。当|VX|>VREF时，有效；DS1～DS4：分别表示千、百、十、个位的选通脉冲输出，格式为18个时钟周期宽度的正脉冲。例如，在DS2有效期间，Q0～Q3上输出的BCD码表示转换的百位的数值；Q0～Q3：某位BCD码数字量输出。Q3为高位，Q0为低位。（3）MC14433选通时序EOC输出1/2个CLK周期正脉冲表示转换结束，依次DS1，DS2，DS3，DS4有效。读曲千、百、十、个位数据。

BCD输出DS1有效时千位的含义Q3Q2Q1Q0极性千位量程1110+01010—01111+0欠量程1011—0欠量程0100+10000—10111+1过量程0011—1过量程Q3～Q0上输出的千位数据选通含义（4）接口与编程[例题]

MC14433与MCS-51的连接如下图所示，采用中断方式，结果存储格式如下表所示，欠量程、过量程和极性分别保存在00H～02H位地址单元中。

存储单元31H高4位31H低4位30H高4位30H低4位所存数据千位百位十位个位解：程序如下：

UNDER:EQU00H ;位地址单元存放欠量程（1真0假）

OVER:EQU01H ;位地址单元存放过量程（1真0假）

POLA:EQU02H ;位地址单元存放极性（1负0正）

HIGH:EQU31H ;高位

LOW:EQU30H ;低位

ORG0000H LJMPMAIN ORG0013H ;中断服务入口地址

LJMPINT1F MAIN:MOVLOW,#0 MOVHIGH,#0 ;将存放结果的单元清0 CLRUNDER CLROVER ;将存放欠量程、超量程的位地址单元内容清0 CLRPOLA ;假定结果为正

SETBIT1 ;置外部中断为下降沿触发

SETBEX1 ;开中断允许

SETBEA ;开中断总允许

LJMP$ ;等待中断

INT1F:MOVA,P1 ;进入中断，说明MC14433转换结束，读P1口

JNBACC.4,INT1F ;DS1无效，等待

JBACC.2,NEXT ;Q2=1表示正，已经预处理过，继续

SETBPOLA ;为负，需将02H置位

NEXT:JBACC.3,NEXT1 ;千位为0，已经预处理过，继续

ORLHIGH,#10H ;将千位信息保存在高位单元中

NEXT1:JBACC.0，ERROR ;转欠、超量程处理，有千位已能区分

INI1:MOVA,P1 JNBACC.5,INI1 ;等待百位选通信号

ANLA,#0FH ;屏蔽高4位

ORLHIGH,A INI2:MOVA,P1 JNBACC.6,INI2;等待十位选通信号

ANLA,#0FH ;屏蔽高4位

SWAPA ;交换到高4位

ORLLOW,A INI3:MOVA,P1 JNBACC.7,INI1 ;等待个位选通信号

ANLA,#0FH ;屏蔽高4位

ORLLOW,A RETI ERROR:MOVA,HIGH ;欠、超量程处理

CJNEA,#0,OV ;有千位表示过量程

SETBUNDER ;置欠量程标志

RETI OV:SETBOVER ;置过量程标志

RETI END 3．串行A/D转换器

特点：引脚数少，集成度高，易于数字隔离，易于芯片升级，廉价，速度略微降低。（1）MAX187/189芯片引脚及功能美国MAXIM公司生产，具有SPI总线接口。①12位逐次逼近式（SAR）串行A/D；②转换速度为75kHz，转换时间为8.5µs；③输入模拟电压：0～5V；④单一+5V供电；⑤DIP8封装，外接元件简单，使用方便。

MAX187与MAX189的区别在于：MAX187具有内部基准，MAX189则需外接电压基准。

MAX187/189芯片引脚如下图所示。VDD：工作电源：+5V±5%；GND：模拟和数字地；VREF：参考电压输入；

：片选；AIN：模拟电压输入，范围为0～VREF或0～4.096V；

（shutdown）：关闭控制信号输入，提供三级关闭方式：待命低功耗状态（电流仅10µA），允许使用内部基准；禁止使用内部基准；DOUT：串行数据输出，在串行脉冲SCLK的下降沿数据变化；SCLK：串行时钟输入，最大允许频率为5MHz。（2）使用MAX187/189进行A/D转换的步骤①启动A/D转换，等待转换结束

=0→启动A/D转换→

DOUT=0→转换结束→DOUT=1。在转换期间，SCLK不允许输入脉冲。②串行转换结果读出从SCLK引脚输入读出脉冲，SCLK每输入一个脉冲，DOUT引脚上输出一位数据，数据输出的顺序为先高位后低位，在SCLK信号的下降沿，数据改变，在SCLK的上升沿，数据稳定。在SCLK信号为高电平期间从DOUT引脚上读数据。

（2）接口与编程

MAX187与MCS-51的连接电路如下图所示。P1.7——片选，P1.6——输入串行移位脉冲，P1.5——接收串行数据端。MAX187外接4.7µF退耦电容激活内部电压基准，接+5V允许使用内部基准。注意：MAX187/189的片选在转换和读出数据期间必须始终保持低电平。硬件电路

工作流程：P1.7=0→启动A/D→读P1.5→P1.5=1，转换结束→从P1.6引脚发SCLK，从P1.5引脚逐位读取数据。

注意：由于MCS-51单片机外接晶振最大不超过12MHz，即便是执行一条单周期指令也需1µs，所以发送SCLK时无需延时。

[例题]

MCS-51

外扩MAX187，编程实现将MAX187转换结果存入31H、30H单元，右对齐，31H存高位（高4位补0）。解：程序如下：

HIGHEQU31H LOWEQU30HORG0000HLJMPSTART ORG0030H START:MOVSP,#60HMOVHIGH,#00MOVLOW,#00CLRP1.6

CLRP1.7 ;启动A/D转换

JNBP1.5,$ ;等待转换结束

SETBP1.6 ;SCLK上升沿

MOVR7,#12 ;置循环初值12LP:CPLP1.6 ;发SCLK脉冲

JNBP1.6,LP ;等待SCLK变高

MOVC,P1.5 ;将数据取到C MOVA,LOW RLCA MOVLOW,A MOVA,HIGH RLCA MOVHIGH,A ;将取到的数据位逐位移入结果保存单元

DJNZR7,LP SETBP1.7 ;结束

SJMP$ END 系统工作过程

功能：现场数据采集，单片机分析处理或显示打印，为现场操作者提供操作指导等。

1．数据采集系统的一般结构需要解决的主要问题：模拟量输入通道的设计。模拟量通道结构：（1）每路模拟量均有各自独立的A/D转换器、采样保持器。特点：电路结构简单、程序设计方便，A/D转换是并行的，转换速度较快，成本昂贵，仅在高速数据采集系统中采用。（2）多路模拟量共用一个采样保持器、A/D转换器。特点：速度慢，经济实用，在指标要求许可的情况下采用。5.3.4数据采集系统

2．数据采集系统应用举例采样保持器不考虑（多数A/D转换器内含）；多路模拟转换器采用常用的8路模拟转换开关CD4051。C