单片机接口技术

人机接口键盘接口显示器接口模拟量输入/输出接口D/A转换接口A/D转换接口通信接口

单

片

机

接口技术

本章内容SingleChipMicrocomputerPC机除了主机以外还需要哪些部分呢？单片机电路有时候也需要键盘、显示等外设。7.1键盘接口按键的特点及输入原理独立式按键矩阵式按键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”。键功能的实现：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。

键盘接口需要解决的问题是否有键按下按键识别：键抖动及消除：机械按键抖动时间在5ms～10ms之间

硬件方案——双稳态去抖电路

软件方案——延时10ms～20ms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：ORG0000HKB:MOVP1,#0FFHMOVA,P1CPLAANLA,#07HJZKBLCALLD10MSMOVA,P1CPLAANLA,#07HJZKBCJNEA,#01H,KB01LCALLPGM1SJMPKBKB01:CJNEA,#02H,KB02LCALLPGM2SJMPKBKB02:CJNEA,#04H,KBLCALLPGM3SJMPKBEND编程：按三个按键中的任一键都对应一个特定功能。矩阵式按键关键：如何判断键号？3210476511109815141312+5VP1.4P1.3P1.0MCS-51P1.7P1.6P1.5P1.2P1.1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.保存闭合键号。按键识别——扫描法、反转法

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）

扫描法原理：

在某一时刻只让一条列线处于低电平，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:MOVR2,#0EFH MOVR3,#00HLINE0:MOVA,R2 MOVP1,A MOVA,P1 JBACC.3,LINE1 MOVA,#00H AJMPTRYKLINE1:JBACC.2,LINE2 MOVA,#04H AJMPTRYK LINE2:JBACC.1,LINE3MOVA,#08H

AJMPTRYK

LINE3:JBACC.0,LINE4

MOVA,#0CH

AJMPTRYK

LINE4:INCR3

MOVA,R2

RL A

JNBACC.0,BACK

MOVR2,A

AJMPLINE0

TRYK:ADDA,R3

BACK:RET

基本原理是：将行线接一个并行口，先让它工作在输出方式，将列线输出接到一个并行口，先让它工作在输入方式。编程使CPU通过输出端口往各行线全部送低电平，然后读入列线的值。如果有某一个键被按下，则必有一条列线为低电平。然后进行线反转，通过编程对两个并行端口进行方式设置，使连接行线的端口工作在输入方式，并将刚才读到的列线值通过所连接的并行口再输出到列线，然后读取行线的值，那么闭合键所对应的行线必为低电平，这样当一个键被按下时，就可以读到一对唯一的列值和行值。线反转法识别按键第一步：列线并行口输出全0，读行线；行线有0，表示有键按下，则进行第二步。第二步：反转。行线并行口输出0，读列线。第三步：列码与行码的组合即可作为键码。特点：接行线和列线的并行口必须既能输出又能输入；行线和列线仅需输出、输入各1次，键识别速度快。矩阵式按键关键：如何判断键号？3210476511109815141312+5VP1.4P1.3P1.0MCS-51P1.7P1.6P1.5P1.2P1.1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键以上使用例3：反转法键盘扫描程序SEARCH:MOVP1,#0FH MOVA,P1ANLA,#0FH MOVB,A MOVP1,#0F0H MOVA,P1ANLA,#0F0H ORLA,BCJNEA,#0FFH,SEARCH0 RET SEARCH0:CJNEA,#E7H,SEARCH1LCALLKEYPR0 RETSEARCH1:CJNEA,#EBH,SEARCH2 …….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10ms）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。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。7.2显示器接口技术LED的结构和显示原理静态显示方式动态显示方式动态显示的实现动态显示方式问题引入：

LED显示器如何显示出指定数字/字符？comcomgfcomabafgbedcdpedcomcdb(a)管脚图acebdfgdpcom地com+5Vacebdfgdp(b)共阴极(c)共阳级七段LED数码管结构

上图中的a～g七个笔划（段）及小数点dp均为发光二极管。数码管显示器根据公共端的连接方式，可以分为共阴极数码管（将所有发光二极管的阴极连在一起）和共阳极数码管（将所有发光二极管的阳极连在一起）。

单片机系统扩展LED数码管时多用共阳LED。共阳数码管每个段笔画是用低电平(“0”)点亮的,要求驱动功率很小；而共阴数码管段笔画是用高电平(“0”)点亮的，要求驱动功率较大。通常每个段笔画要串一个数百欧姆的降压电阻。LED的驱动接口

LED工作时需要一定的工作电流，才能正常发光。单个LED实际上是一个压降为1.2～1.5V的发光二极管，流过LED的电流大小决定了它的发光强度，R为限流电阻。适当减小限流电阻可以增加LED的工作电流，使LED的显示效果更好。但工作电流过大，会对驱动器件、LED造成损害。通常每个段笔画要串一个数百欧姆的降压电阻。下图为单个LED的驱动接口电路。表7.1数码管字型编码表显示字符字型共阳极共阴极dpgfedcba字型码dpGfedcba字型码0011000000C0H001111113FH1111111001F9H0000011006H2210100100A4H010110115BH3310110000B0H010011114FH441001100199H0110011066H551001001092H011011016DH661000001082H011111017DH7711111000F8H0000011107H881000000080H011111117FH991001000090H011011116FHAA1000100088H0111011177HBB1000001183H011111007CHCC11000110C6H0011100139H

续表显示字符字型共阳极共阴极

dpgfedcba字型码dpGfedcba字型码DD10100001A1H010111105EHEE1000011086H0111100179HFF100011108EH0111000171HHH1000100189H0111011076HLL11000111C7H0011100038HPP100011008CH0111001173HRR11001110CEH0011000131HUU11000001C1H001111103EHYY1001000191H011011106EH

10111111BFH0100000040H..011111117FH1000000080H熄灭灭11111111FFH0000000000H例：模拟产品计数显示电路编程

ORG 1000HSTAR：MOV TMOD，#60H ；定时器T1工作在方式2计数

MOV TH1，#00H；T1置初值

MOV TL1，#00HMAIN：MOV P1，#0C0H ；数码管显示0DISP：JBP3.3，DISP；监测按键信号

ACALL DELAY ；消抖延时

JBP3.3，DISP；确认低电平信号DISP1：JNB P3.3，DISP1 ；监测按键信号

ACALL DELAY ；消抖延时

JNB P3.3，DISP1 ；确认高电平信号

SETBTR1；启动计数器DISP2：MOVA，TL1 MOVDPTR,#TABMOVCA，@A+DPTR；查表获取数码管显示值

MOV P1，A ；数码管显示计数值

CJNEA，#8EH，DISP2 LJMP STAR TAB：DB0C0H，0F9H，0A4H…… DELAY：MOVR2，#14HDELAY1：MOVR3，#0FAHDJNZR3，$DJNZR2，DELAY1RETEND静态显示方式连接

所有LED的位选均共同连接到+VCC或GND，每个LED的8根段选线分别连接一个8位并行I/O口，从该I/O口送出相应的字型码显示字型。

特点原理简单；显示亮度强，无闪烁；占用I/O资源较多。

静态LED数码显示电路（共阳极）七段译码器七段译码器七段译码器七段译码器七段译码器VccBCD码00000001001000110100返回动态显示方式连接

所有LED的段选线共同连接在一起共用一个8位I/O口，而每个LED的位选分别由一根相应的I/O口线控制。因此必须采用动态扫描显示方式，每一个时刻只选通其中一个LED，同时在段选口送出该位LED的字型码。

多个LED数码管的显示8锁存同相驱动锁存反相驱动七段码端口位选通码端口8共阳数码管控制控制数据送0时点亮相应段，七段码：11111001B将显示数码“1”送1时选通相应数码管，选通码：00000001B将选中最左边的数码管1动态LED数码显示电路（共阴极）七段译码器BCD码动态扫描时序图返回动态扫描时序图00H01H02H03H04H万位仟位佰位十位个位位扫描万位仟位佰位十位个位BCD码返回上一页返回单片机与动态显示电路的接口（一）MCS-51P0P1驱动电路采用软件进行七段译码可以省去译码器，但要使用7-8条口线输出字形码单片机与动态显示电路的接口（二）MCS-51

P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1七段译码器3-8译码器使用“BCD/七段译码器”和“位扫描译码器”可以有效的节省单片机的口线8Q.1Q8D.1DX738Q.6Q8D5Q4Q.3Q2Q1D1QCY7B…AY4G1Y3

/G2A…./G2B

138P2.7P2.6P2.5/WR

8051

P0

+5VCBAP2.7P2.6P2.500/Y4011/Y3

采用动态显示方式比较节省I/O口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，CPU要依次扫描，占用CPU较多的时间。用8051系列单片机构建数码管动态显示系统时，常采用8155可编程I/O扩展接口，其典型应用如图所示。图中，数码管采用共阴极LED，8155的A口线经过8路驱动电路后接至数码管的各段。当A口线输出“1”时，驱动数码管发光。8155的C口线经过6路驱动电路后接至数码管的公共端。当C口线输出“0”时，选通相应位的数码管发光。

单片机在嵌入式系统中的应用示意图MCS-51D/A转换器控制执行机构被控实体A/D转换器多路开关传感器1传感器2传感器n控制执行机构温度、压力、流量等信号模拟信号模拟信号数字信号返回§7.3数/模转换器(DAC)7.3.3T型电阻网络型7.3.1权电阻网络型7.3.2权电流型7.3.4D/A变换器的主要技术指标7.3.5集成

DAC0832及其应用7.3.1权电阻网络型D/A转换器：VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR/2(MSB)(LSB)S0S1S2S3D3D2D1D0S0S1S2S3所谓“权电阻”是指电阻值的大小，

与有关数字量的权重密切相关。7.3.1权电阻网络型D/A转换器：VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR/2(MSB)(LSB)S0S1S2S3D3D2D1D0S0S1S2S3电子开关：Dn=1时，Sn

接VREF

；Dn=0时，Sn

接地端。

T2

管饱和导通，T1T2SDa模拟电子开关的简化原理电路

当D=1

时，1T2Sa0T1SS点与a点相通，T1

管截止，

而a点在电路中和VREF连。

T2

管截止，T1T2SDa模拟电子开关的简化原理电路

当D=0

时，0T2Sa

T1

管饱和导通，1T1SS点与地相通。VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR/2(MSB)(LSB)23R22R21R20RVREFI1=2I0

I2=4I0I3=8I0当D3D2D1D0=1111时：S0S1S2S3D3D2D1D0(LSB)(MSB)I=I0+I1+I2+I3最低位最高位I0=VREF23R参考电压VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR/2(MSB)(LSB)I=I0+I1+I2+I3=VREF23R(D323+D222+D121+D020)VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR/2(MSB)(LSB)uo=-IR/2

VREF24=-(8D3+4D2+2D1+D0

)7.3.2权电流网络型D/A转换器：+-uoR-VREFI/16I/8I/4I/2S0S1S2S3iID0D1D2D3uo

IR24(8D3+4D2+2D1+D0

)=

每个支路电流的大小，与有关数字量的权重密切相关。7.3.3T形解码网络D/A转换器(以4位为例)++-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UR2RRRRI3I2I1I0IABCD通过详细的推导分析，

即可获得模拟输出电压

uo

与数字量以及电路中其它参数的关系。I=I3+I2+I1+I0UR2R=D3UR16RD0UR8RD1UR4RD2+++=UR16R(8D3+4D2+2D1+1D0)=URRF16R(8D3+4D2+2D1+1D0)uo-++-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UR2RRRRI3I2I1I0IABCD

URRRR2R2R2R2R++-AuoS2S3S1S0RFI2RI/8I/4I/2iII16I16D0D1D2D3倒T型电阻网络D/A转换器7.3.4D/A转换器的主要技术指标一、分辨率

用输入数字量的有效位数来表示分辨率。此外，

也可以用D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压(此时输入的数字代码只有最低有效位为1，其余各位都是0)

与最大输出电压(此时输入的数字代码所有各位全是1)之比来给出分辨率。例如，对一个十位D/A转换器来说，＝210

－1110231＝0.001三、D/A转换器的转换速度

为了便于定量地描述D/A转换器的转换速度，

定义了建立时间tS

和转换速率

SR两个参数。1.建立时间tS

通常以大信号工作情况下

(输入由全0变为全1或者由全1变为全0)输出电压到达某一规定值所需要的时间定为建立时间tS

。

建立时间最短的可达0.1s。

这个参数的值越小越好。三、D/A转换器的转换速度2.转换速率SR

转换速率SR以大信号工作状态下输出模拟电压的变化率表示。D/A转换器完成一次转换所需要的时间应包括建立时间和上升(或下降)时间两部分，

它的最大值为TTR(max)=tS+VO(max)/SR其中VO(max)

为输出电压的最大值。典型芯片-DAC0832介绍DAC0832是一个八位D/A转换器，转换时间1微秒，结构如下：输出为模拟电流，可转换为电压。LE1或LE2=1，当前寄存器的输出跟随输入LE1或LE2=0，锁存数据7.3.5集成

DAC0832及其应用DAC0832功能分析DI0-DI7：转换数据输入CS：片选信号ILE，WR1：控制输入寄存器

ILE=1，WR1=0时：直通,允许输入

ILE=1，WR1=1时：锁存,阻断新数据因此，DAC0832可以有三种工作形式：直通、单级锁存、两级锁存。XFER，WR2：控制DAC寄存器

XFER=0，WR2=0时：直通

XFER=1orWR2=1时：锁存

单缓冲方式的接口（1）

译码器输出——一个处于直通方式，另一个处于受控的锁存方式

“同时”做何解释?单缓冲方式的接口（2）

——两个输入寄存器同时受控的方式

单缓冲方式的应用

——产生锯齿波

假定采用接口（1）方式，即输入寄存器受控，而DAC寄存器直通，输入寄存器地址为E000H，产生锯齿波。源程序清单如下：

ORG0200H MOVDPTR，#0E000H；指向输入寄存器地址

MOVA，#00H；转换初值WW: MOVX@DPTR，A；WR1有效，启动D/A转换

INCA NOP；延时

NOP AJMPWW1/282/283/28254/28255/280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FFINC改为DEC?ORG0200H MOVDPTR，#0E000H；指向输入寄存器地址

MOVA，#0FFH；转换初值WW: MOVX@DPTR，A；WR1有效，启动D/A转换

A NOP；延时

NOP AJMPWWDECINC——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对一个数字量的转换，需两步完成，程序如下：MOVDPTR，#00E0HMOVX@DPTR,AMOVDPTR,#00C0HMOVX@DPTR,A输入寄存器地址：00E0HDAC寄存器地址：00C0H你知道它与第二种单缓冲方式的区别吗?Y7A7

A6A574LS138Y6C

B

AY7Y6

双缓冲方式应用举例双缓冲方式用于多路D/A转换系统，以实现多路模拟信号同步输出的目的。例如使用单片机控制X-Y绘图仪。X-Y绘图仪由X、Y两个方向的步进电机驱动，其中一个电机控制绘图笔沿X方向运动，另一个电机控制绘图笔沿Y方向运动，从而绘出图形。因此，对X-Y绘图仪的控制有两点基本要求：一是需要两路D/A转换器分别给X通道和Y通道提供模拟信号，二是两路模拟量要同步输出。

两路模拟量输出是为了使绘图笔能沿X-Y轴作平面运动，而模拟量同步输出则是为了使绘制的曲线光滑，否则绘制出的曲线就是台阶状的，绘出的曲线如图所示。为此就要使用两片DAC0832，并采用双缓冲方式连接，如图7.31示。图7.31电路中，以译码法产生地址，两片DAC0832共占据三个单元地址，其中两个输入寄存器各占一个地址，而两个DAC寄存器则合用一个地址。

编程时，先用一条传送指令把X坐标数据送到X向转换器的输入寄存器；再用一条传送指令把Y坐标数据送到Y向转换器的输入寄存器；最后再用一条传送指令同时打开两个转换器的DAC寄存器，进行数据转换，即可实现X、Y两个方向坐标量的同步输出。

图7.30单片机控制X-Y绘图仪

(a)同步输出；(b)先X后Y；(c)先Y后X(a)b)(c)图7.31控制X-Y绘图仪的双片DAC0832接口

假定X方向DAC0832输入寄存器地址为F0H，Y方向DAC0832输入寄存器地址为F1H，两个DAC寄存器公用地址为F2H；X坐标数据存于DATA单元中，Y坐标数据存于DATA+1单元中，则绘图仪的驱动程序为

MOV R1，#DATA ；X坐标数据单元地址

MOV R0，#0F0H ；X向输入寄存器地址

MOV A，@R1 ；X坐标数据送AMOVX @R0，A；X坐标数据送输入寄存器INC R1 ；指向Y坐标数据单元地址INC R0 ；指向Y向输入寄存器地址MOV A，@R1 ；Y坐标数据送AMOVX @R0，A；Y坐标数据送输入寄存器INC R0 ；指向两个DAC寄存器地址MOVX @R0，A；X、Y转换数据同步输出7.4A/D转换器接口A/D转换器的作用典型芯片ADC0809ADC0809的应用A/D转换器的作用将模拟量转换为数字量，以便计算机接收处理传感器单片机A/D转换A/D转换器D7:D0数字量输出模拟量输入VX基准电压VRA/D转换器概述

A/D转换器用于实现模拟量→数字量的转换，按转换原理可分为4种，即：计数式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器。目前最常用的是双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器。双积分式A/D转换器的主要优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜。其缺点是转换速度较慢，因此，这种转换器主要用于速度要求不高的场合。

另一种常用的A/D转换器是逐次逼近式的，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μs到几百μs之间。通常使用的逐次逼近式典型A/D转换器芯片有：

(1)ADC0801~ADC0805型8位MOS型A/D转换器（美国国家半导体公司产品）。

(2)ADC0808/0809型8位MOS型A/D转换器。

(3)ADC0816/0817。这类产品除输入通道数增加至16个以外，其它性能与ADC0808/0809型基本相同。

典型芯片—ADC0809介绍ADC0809是一个8位8通道的AD转换器。逐次比较式A/D转换器ADC0809八路模拟开关地址锁存IN026IN127IN228IN31IN42IN53IN64IN75addA25addB24addC23ALE22+-比较器VXVS控制电路逐次比较寄存器SAR数状开关256电阻网络三态输出寄存器VccGNDVR（+）VR（－）

11131215

EOC7D721D620D519D418D317D216D115D014START6CLOCK10OE9

ADC0809芯片的引脚IN0～IN7:八路模拟电压输入端；ALE:地址锁存控制信号,上升沿锁存；addA～addC:地址输入线；START:启动脉冲输入端，其中上升沿清SAR,下降沿启动ADC工作；EOC:转换结束标志。此线输出高电平时表明转换完成。D7～D0:数字量输出线。OE:输出三态控制线。输入高电平时，引脚D7～D0上输出转换后的8位数字量。CLOCK:时钟输入端。为ADC提供640KH的逐次比较脉冲时序。Vref（+）、Vref（-）:参考电压输入，为电阻网络提供电压。Vref（+）、Vref（-）可以与Vcc和GND连接。Vcc、GND:电源和地。简化的两位电阻阶梯和树状开关1011002.5V1.5V0.5V0.0V1/2VrefVSTD1D0VST000.0V010.5V101.5V112.5VD1D0由左边的两组树状电子开关，右边四只分压电阻构成；树状开关D1、D0由SAR（逐次比较寄存器）对应控制；树状开关D1、D0的状态与DAC输出VST的关系见表；实际电路为8位,既256个分压电阻