教学材料《单片机》-第8章

在学习了MCS-51系统资源扩展技术(第6章)和芯片间串行I/O总线扩展技术(第7章)知识的基础之上，本章介绍MCS-51系统中常用的一些典型接口技术。这些技术是前两章理论和方法的具体应用，也是MCS-51应用系统中常用的基本内容。返回上一页第8章MCS-51单片机典型外围接口技术MCS-51组成的应用系统，除了处理现场的开关量信号外，还要处理另一类的现场信号，这些信号不仅存在“有”和“无”的变化，更重要的是有数值的大小变化，有的还有正负方向的变化，如电压、电流、温度、压力、流量等信号。这些信号我们称之为“模拟量信号”。把被测模拟信号输入到单片机的过程叫“模拟量输入”，从单片机输出模拟信号以控制现场设备的过程叫“模拟量输出”。进入到单片机系统的模拟量被用来“检测、测量”现场设备的运行状况;单片机系统输出的模拟量用来“调节、控制”现场设备的运行过程。这些输入和输出的循环过程就形成并实现了单片机应用系统的闭环控制。由此可见，对模拟量的处理，是MCS-51应用系统接口技术的重要内容。返回下一页8.1模拟信号输入8.1.1模拟/数字转换器件概述鉴于MCS-51只能处理二进制的数字量，对模拟量的处理就存在两者之间的变换问题。把模拟信号转换成数字信号的过程叫模(模拟量)一数(数字量)转换(A/D)。具有模一数转换功能的集成电路芯片，叫模一数转换器，简称A/D转换器或ADC(AnalogDigitalConverter)。反过来，把数字量转换成模拟信号的过程叫数(数字量)-模(模拟量)转换(D/A)。具有数-模转换功能的集成电路芯片，叫数-模转换器，简称D/A转换器或DAC(DigitalAnalogConverter)。

ADC和DAC是联系单片机和模拟测控部件之间必经环节，是两者的桥梁和接口，其原理示意见图8.1-1。

返回下一页上一页8.1模拟信号输入本节介绍ADC芯片。按转换原理ADC器件可分为四类。

(1)计数式。结构简单、转换速度慢，不常用。

(2)双积分式。转换精度高、抗干扰能力强，转换速度低。(3)并行式。速度快，结构复杂，价格高，只适用于需要极高转换速度的场合。(4)逐次逼近式。分辨率高、速度快、价格适中，是常用的转换芯片。按和单片机数据交换的方式，ADC芯片可分为并行和串行两类。1.ADC器件的引脚信号通常，一个典型的ADC芯片应包含以下输入输出信号。

(1)模拟输入信号。0~5V或一5V~+5V交直流电压，是待转换的模拟量信号，通常来自变换器、传感器的输出端。返回下一页上一页8.1模拟信号输入(2)参考电压信号。用于芯片内部D/A转换部件的参考电位，连接到固定电源。

(3)控制信号。用来启动转换、指示转换结束、允许数据输出等控制之用，一般来自MCU。(4)输出数字信号。是转换完成之后的二进制数字量输出，连接到MCU。2.ADC器件的主要技术指标

(1)分辨率。分辨率是ADC器件最本质的特征参数，表明了ADC器件能够分辨出最小的模拟输入量值的能力，由ADC器件自身具有的模/数转换的二进制位数决定。分辨率定义为最大输入模拟电压值与最大输出二进制数字值之比。返回下一页上一页8.1模拟信号输入通俗说来就是输入的模拟量可以转换为多少二进制位。一个有n位二进制的ADC器件，若最大输入电压为5V，则其分辨率一5V/2ⁿ。如ADC0809芯片有8位二进制输出，则其分辨率便是5V/28=0.0195V;显然，ADC内部模/数转换的二进制位数越多，则其分辨率就越高。常见的ADC器件模/数转换的二进制位数有8位、10位、12位、16位等。(2)转换时间。是表征ADC器件工作速度的指标。定义为转换开始到转换结束的时间。不同的ADC其转换时间差别很大，一般认为，转换时间大于1ms为低速器件，1μs~1ms为中速器件，小于1μ

s为高速器件。返回下一页上一页8.1模拟信号输入(3)转换误差。通常以相对误差的形式出现。相对误差指实际输出的各转换点偏离理想特性的误差，用最低有效位的倍数表示，如相对误差G1/2LSB，表明实际输出的数字量与理想数字量的最大误差不大于最低有效位数值的一半。需要提及的是，也有用绝对误差参数来表示ADC转换精度的，读者在使用时应查阅具体的芯片说明。(4)模拟输入电压范围。指ADC所能允许的拟量输入电压(峰一峰值)的范围。在输入最大模拟量时，转换输出的数字量为满码;输入最小模拟量时，转换输出的数字量为t。3.选择ADC器件应考虑的因素

(1)分辨率。分辨率的选择和测量的精度要求有关。要求测量的准确度越高，则所选ADC器件的分辨率也应越高;分辨率还应和转换误差结合考虑，以满足转换精度要求。返回下一页上一页8.1模拟信号输入(2)转换时间。和测量控制的实时性要求相关。要求被测控对象的反应越及时、越迅速，则该参数值就应越小。

(3)模拟电压输入范围。考虑该参数，以便确定输入模拟量的大小。

(4)同MCU的连接方式。ADC器件和MCU的数据交换方式有并、串总线形式，应结合测控系统的实时性、印制板的面积等要求综合考虑。返回下一页上一页8.1模拟信号输入8.1.2并行A/D转换器ADC0809及和单片机的连接1.ADC08098位并行模拟/数字转换器

ADC0809是8位二进制分辨率的模拟一数字转换器芯片。其原理框图和引脚见图8.1-2和8.1-3

。ADC0809可对8路输入的模拟电压分时进行转换，输出并行的8位二进制数字量，典型转换时间为100μ

s。其转换方式是逐次逼近式(suc-cessiveapproximation)。逐次逼近式的转换原理简单说来，就是在芯片内部有一个D/A部件，给该部件加上试验数字，会产生相应的转换电压;把转换电压和输入的模拟电压值相比较，若前者大于后者，则减小试验的数字量，转换电压也跟着减小;反之若前者小于后者，则做相反处理;经过“逐次”的试验比较，直到两者的误差在可允许的范围之内。返回下一页上一页8.1模拟信号输入此时对应的试验数字，即是要转换的二进制数值。1)ADC0809的输入信号(引脚)(1)8路输入模拟电压信号INO~IN7。(2)模拟通道地址选择信号，由引脚ADDA~C接入。编码000~111，对应通道INO~IN7。

(3)地址锁存信号ALE，用来锁存ADDA~ADDC信号。

(4)启动控制信号START，控制A/D开始转换。

(5)工作时钟信号CLOCK，控制芯片工作时序。频率范围10~1280kHz，典型值640Hz(6)输出允许信号OE(9脚)，高有效，打开三态输出锁存缓冲器，将转换完成的数据从引脚2-1~2-8读出。返回下一页上一页8.1模拟信号输入2)ADC0809的输出信号(引脚)(1)8位数字量，2-1(MSB)~2-8(LSB)模拟电压的二进制转换结果，并行输出。

(2)转换结束信号EOC。高有效，表示ADC0809的A/D转换过程结束，8位数字量可供读出。此信号可查询，也可变反后作为中断请求。

(3)基准电压引脚VREF(+)和VREF(-)。作为芯片内部D/A部件的参考电位。VREF(-)接OV,VREF(+)接+5V。输入模拟电压的范围是0~+5V。因MCS-51的工作电源Vcc为稳压电源，一般情况下VREF(+)可直接连到Vcc。2.ADC0809和单片机的连接返回下一页上一页8.1模拟信号输入

如图8.1-4，工作时钟ALE由单片机ALE的二分频提供，若单片机晶振频率为6MHz,ALE为1MHz，分频后为500kHz，接近640kHz典型值;当P2.7和同时有效时选中。809开始转换，被转换的模拟量INO~IN7由地址线ADDA~ADDC的编码决定，对应地址为7FF8H~7FFFH;转换结束，信号EOC经反相向单片机提出中断请求;单片机用P2.7和信号将转换结果读入数据总线(PO口)。返回下一页上一页8.1模拟信号输入8.1.3串行A/D转换器TLC549及其和单片机的连接

1.串行A/D转换器TLC549

与并行器件相比，串行ADC的最大特点是器件连接线少、引脚少，节省印制板面积。TLC549是德克萨斯公司生产的8位逐次逼近式A/D转换器，采用CMOS制作工艺，SPI串行总线通信方式，内部主要包含采样保持、内部系统时钟、8位模\数转换器及相关控制逻辑电路。转换时间17μs，转换频率40kHz。芯片功耗小于15mW，供电电压范围为+3V~+6V，模拟输入电压范围0~Ycc。引脚见图8.1-5

返回下一页上一页8.1模拟信号输入TLC549采用SPI总线规约进行数据传送的控制。TLC549每25μs重复一次“采样/保持一转换一输出”的操作。器件的数据输出端是DATAOUT，控制端是I/OCLOCK和片选

。TLC549的转换过程:当片选

变低电平，前次转换结果的最高有效位(MSB)出现在DATAOUT线上，I/OCLOCK变高时可将该数据位读出，接下来的7个I/OCLOCK的上升沿将后续的7位数据读出，至此8位转换结果已完成输出。第8个I/OCLOCK脉冲的下降沿启动新一轮的A/D转换。在转换开始后，

变为高电平，且保持至转换结束(大于17μ

s)。在

重新变低电平后，可以读出转换结果。由此可见，TLC549本轮读出上一轮的转换结果并开始新一轮的转换，如此周而复始。其工作时序见图8.1-6

返回下一页上一页8.1模拟信号输入2.TLC549和MCS-51的连接连接如图8.1-7,I/OCLOCK,DATAOUT和

分别接单片机的Pl.0,P1.1和Pl.2，启动转换并读入1字节转换结果到累加器A的汇编源程序如下:返回下一页上一页8.1模拟信号输入返回下一页上一页8.1模拟信号输入8.1.4电压/频率(v/F)转换器AD654及其应用(*)对模拟电压信号的测量，除了使用A/D转换器件外，还可以将电压量转换为频率量供MCS-51单片机读取，获取频率量之后，再将其转换为数字量。这种变换过程叫电压/频率变换(V/F)。实现电压/频率变换功能的集成电路芯片叫电压/频率变换器，简称V/FoV/F芯片的输入量为模拟电压，输出量为方波脉冲频率信号，频率信号的快慢正比于输入模拟电压幅值的大小。转换的频率信号经程序处理后成为数字量。使用V/F器件的优点是，频率量在信号的传输过程中，抗御电磁干扰的能力强;而且连线简单，只需用一根线将频率信号接至MCS-51的TO或T1的计数器入口即可;缺点是由于频率量的采集过程需要一定的时间，因此转换速度要比ADC器件来得缓慢。返回下一页上一页8.1模拟信号输入鉴于V/F芯片的这些特点，在非快速要求的场合使用它们，会带来抗干扰效果好、节省连线的效果。.AD654电压频率转换芯片工作原理

AD654是美国模拟器件公司生产的8引脚封装的电压/频率(V/F)转换集成电路芯片。它的引脚图和内部原理框见图8.1-8。它由一个低漂移输入运算放大器、一个精密振荡器系统以及电流输出驱动部件组成，使用时需外接一个RC网络电阻RT(R1+R2)和电容价，输出端通过上拉电阻Rpp接电源。

AD654可以使用单、双电源供电，模拟输入可是单向信号，也可是双向的正负信号。和其他的VFC器件(如LM331,VFC32)相比，AD654的最大优点是引脚少、外接器件少，连接方便。返回下一页上一页8.1模拟信号输入AD654主要技术指标:

单电源供电电压:VS=4.5~36V(-VS接OV)

双电源供电电压:士VS=士5~士18V

输出频率范围:0~500kHz

线性误差:0.03%(250kHz时)

输入阻抗:250Mn

输入模拟电压范围:单电源:0~+(Vs-4)V，双电源:-VS~+(VS-4)V

静态工作电流:1.5MA~2.0mA(VS=-5V~30V)

现以单向模拟输入电压为例说明其工作原理。返回下一页上一页8.1模拟信号输入

如图8.1-8，模拟输入电压VIN由4脚输入至运算放大器，放大器把模拟输入电压在跟随器NPN三极管中转换成电流It，该电流既作为振荡器驱动单元(OSC/DRIVER)的驱动电流，也作为外接电容器的充电电流向C0充电。该电流的最大范围是为100nA~2mA。为获得最佳变换性能，应选择电阻RT(R1+R2)阻值，使最大输入电压时的驱动电流为1mA，即RT-VIN/1mA。振荡器的频率随驱动电流1。的大小而变化，并经OC门三极管输出振荡方波FOUT，即实现了电压一频率的变换。振荡方波FOUT的频率仅和外接RTCT器件参数有关，计算公式为返回下一页上一页8.1模拟信号输入式中VIN,为输入电压最大值(V),R为外接电阻(kn),CT为外接电容(uF),FOUT为输出频率最大值((kHz)。2.AD654芯片同MCS-51的连接如图8.1-9,AD654芯片和MCS-51的连接仅需一根线，频率信号接至T。的计数输入引脚(P3.4)。外接电阻RT和电容价的计算:RT=(R1+R2)=VIN/1mA=1V/1mA=1kn,CT按式(8-1)计算，最高输出频率500kHz,CT=200pF。返回上一页8.1模拟信号输入8.2.1数字/模拟转换概述与模(模拟量)一数(数字量)转换相反，把数字量转换成模拟电压或电流信号的过程叫数(数字量)一模(模拟量)转换，具有数一模转换功能的集成电路芯片，叫数簇转换器，简称D/A转换器或DAC(DigitalAnalogConverter)。和A/D转换器芯片一样，D/A转换芯片的种类也很多，有8位、10位、12位、16位等。按和单片机的连接方式，D/A转换器也分为并行和串行两种。D/A转换芯片的输入量是数字量，若采用并行的数据总线连接，则须考虑数字量的锁存攻能，即在转换过程中要保证被转换数字量的稳定。某些D/A转换器芯片不具有输入量锁存功能，使用时应注意。返回下一页8.2模拟信号输

D/A转换芯片的输出量是模拟量，模拟量有电压量和电流量两种形式，对于输出是电流量的D/A转换器芯片，若控制对象需电压量，在输出端还要加上I/V转换环节。选用D/A转换器芯片主要考虑的性能指标和因素是:(1)分辨率。分辨率是表征D/A转换器性能的最本质特征参数，其物理意义是对输出模拟电压(电流)最小变化量的控制能力。它定义为输出电压的最小值(对应的输入二进制数为“1")和输出电压的最大值(对应的输入二进制数为，"2”~”1")之比:返回下一页上一页8.2模拟信号输

其中n是D/A芯片内部转换部件的二进制位数。设模拟电压输出最大值为5V，对于一个内部有8位二进制的D/A器件，它的分辨电压能力=5V/(28-1)=19.6mV;而对于具有12位二进制的D/A器件，其分辨电压能力=5V/(212-1)=1.22mV，后者对输出电压单位变化的控制程度要比前者“精细”得多。

(2)转换精度。表征D/A器件将数字量转换成模拟量后，所输出模拟量的精确程度，它表明了实际值与理论值之间的最大误差。精度一般以满刻度输出值的百分数给出，或以最低有效位LSB的分数形式给出，如精度为满量程的士0.100,满量程输出为5V，则该D/A器件的最大误差为士5mV;如给出精度为士1/2LSB,则最大误差为分辨电压的二分之一。返回下一页上一页8.2模拟信号输

(3)建立时间。从接到数字输入信号开始到输出稳定的电压(或电流)为止所需的时间。它表征了D/A器件的转换速度。这是器件的一个重要指标，直接关系到应用系统的实时性，即对运行状态控制和调节速度的快慢。与A/D转换器芯片相比，D/A器件的转换速度要快得多，一般器件的转换时间不大于1μs。(4)与MCS51的连接方式。在种类繁多的D/A转换芯片中，根据转换速度和节省连线及印制板(PCB)面积的综合因素考虑，选择合适的数据通信方式的芯片。一般说来，并行芯片的速度要快些，串行芯片则节省连线和印制电路板面积。返回下一页上一页8.2模拟信号输

8.2.2并行D/A转换器DAC08321.DAC0832简述DAC0832是8位分辨率的数摸转换器芯片。建立时间1us，单电源供电5~15VoDAC0832的内部功能框图和引脚连线见图8.2-1。DAC0832芯片的引脚有20个，芯片内部有一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器、一个8位的D/A转换器和控制电路等。各部分功能如下。返回下一页上一页8.2模拟信号输

(1)8位输入寄存器。由8位D触发器组成，输入连接至单片机的数据线，为其控制端。当

为高电平时，寄存器的输出端状态随输入端DO~D7而变化;当为低电平时，输入端DO~D7的数据被锁存到输出端。

(2)8位DAC寄存器。由8位D触发器组成为锁存控制端。

(3)8位D/A转换器。该部分实现数-模的转换，是芯片核心部件。它将8位DAC寄存器送来的数据转换为电流形式输出。若要获得电压形式输出，则需要通过

引脚外接运算放大器将电流转换为电压。

(4)控制电路。控制电路对转换过程进行控制。其控制信号如下。

返回下一页上一页8.2模拟信号输

1)ILE:锁存允许信号，输入，高电平有效。共同产生

信号，控制8位输入寄存器的数据锁存。

2):芯片选择信号，输入，低电平有效。

3):8位输入寄存器写选通信号，输入，低电平有效。

4)

:8位DAC寄存器写选通信号，输入，低电平有效。5):数据传送控制信号，输入，低电平有效。和

共同产生

，控制8位DAC寄存器的状态随输入数据而变化;当

有效时，8位DAC寄存器锁存输入端的数据，该数据连接到8位D/A转换器，随时被进行转换，转换后由Iout1和Iout2引脚共同输出模拟电流。返回下一页上一页8.2模拟信号输

(5)参考电压和接地。VREF:外接参考电压，向内部的D/A电阻(R-2R)网路提供转换参考电位。VREF可在一10~+10V范围内选择，它决定了外接运放输出电压的范围:若VREF接一5V，则输出电压为0~+5V;若VREF接+10V，则输出电压为0~-10V。DGND为数字信号接地，即Vcc对应的地线;AGND为模拟信号接地，即VREF和模拟信号对应的地线。

(6)数据输入和模拟输出。DIO~DI7:8路数字量输入，连接MCS-51的数据总线。Iout1:电流输出引脚，接运放“一”输入端，当输入数字量为全“1”时，输出电流最大;当输入数字量为全“0”时，输出电流为0。Iout2:电流输出引脚，接运放“+”输入端。返回下一页上一页8.2模拟信号输

2.DAC0832和MCS-51的连接对于输入数据来说，DAC0832内部有两级数据缓冲器，即8位输入寄存器和8位DAC寄存器。控制DAC0832的转换过程，也就是控制这两级数据缓冲器的数据锁存过程。根据两级数据缓冲器的特点，对DAC0832的转换控制可分为3种。

(1)直接联通控制方式。该方式将

接地，将ILE接高电平，则输入数据将直接到达8位D/A转换器并进行转换，随时输出转换结果。此方式连接和控制简单，但要占用MCS-51的数据总线或8位I/O端口的资源，故使用较少。

(2)单缓冲控制方式。该方式将DAC0832两级数据缓冲器中的任一个处于直接联通，即两个

中的任何一个始终处于有效状态，返回下一页上一页8.2模拟信号输

另一个处于受控状态，控制受控的缓冲器进行D/A的转换进程。或将两级缓冲器的控制信号并联，作为一级缓冲器来控制。图8.2-2给出的单缓冲控制方式就是将并联，和

并联，同时对两级数据缓冲器进行选通控制。该方式的转换过程是:MCS-51执行MOVX@DPTR,A指令，将欲转换的数据从P0口输出到DAC0832的数据输入端，地址线P2.7=0和写信号丽叹使两级数据缓冲器同时选通，"8位D/A转换器”开始转换，1μs后，转换完成Iout1和Iout2出转换电流，经运放转换为0~5V的电压。单缓冲控制方式简单，在单路D/A输出或多路D/A但不要求同时输出的情况下可采用。汇编程序如下:返回下一页上一页8.2模拟信号输

(3)双缓冲控制方式。该方式对DAC0832两级数据缓冲器分别进行选通控制。完成一次D/A转换，需要MCS-51对DAC0832发出两次写命令，第一次控制8位输入寄存器的选通，第二次控制8位DAC寄存器的选通。图8.2-3给出了双缓冲控制方式的接线。返回下一页上一页8.2模拟信号输

MCS-51控制两片DAC0832同时输出D/A转换结果的过程是:MCS-51先向第一片(0832-1)地址P2.6=0)写入待转换的数据;再向第二片(0832-2)地址P2.5=0)写入待转换的数据，这些数据经两片0832各自的，"8位输入寄存器”锁存后送到了各自的，"8位DAC寄存器”;最后，MCS-51同时向两片的。832的，"8位DAC寄存器”发出锁存指令(P2.7=0使

有效，

使

和

有效)，使两片同时开始转换，1μs后同时输出转换结果。实用中此方式用于控制两个以上需要同时转换、并同时输出转换结果的DAC0832芯片。双缓冲控制方式的汇编程序如下:返回下一页上一页8.2模拟信号输

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8.2.314位串行D/A转换器MAX544*1.MAX544简述

MAX544是MAXIM公司生产的14位串行数据输入、模拟电压输出的D/A转换器。和并行的D/A转换器相比，它的显著优点是连线少、+5V单电源供电和模拟电压输出。电压输出不仅节省了电流/电压的变换环节，而且也保障了输出精度，这对于使用者来说是受欢迎的。MAX544输出电压的建立时间是1μs，速度可以和并行DAC的转换相比拟。该器件属于SPI串行总线芯片，数据传送符合SPI总线时序要求。

(1)MAX544的主要性能:①分辨率14位。

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②单电压供电，VDD=+5V。③参考电压范围REF=-O.3V~(VDD+O.3V)。④建立时间1μs。⑤芯片功耗1.5mW。⑥数据通信协议与SPI,QSPI或Microwire兼容。

(2)MAX544的引脚定义。该芯片采用8引脚封装，如图8.2-4所示，各引脚功能如下。①引脚1,OUT:模拟电压输出;②引脚2,AGND:模拟信号地;③引脚3,REF:参考电压输入;④引脚4,:芯片选通;

返回下一页上一页8.2模拟信号输

⑤引脚5,SCLK:时钟输入;⑥引脚6,DIN:串行数据输入;⑦引脚7,DGND:数字信号地;⑧引脚8,VDD:电源。

(3)MAX544的工作原理和时序。工作原理如图8.2-4，数据输入端按SPI三总线的通信方式同外部连接，DIN为串行数据输入线，

为片选线，SCLK为时钟线。输入数据通过DIN线移人“串行输入寄存器”，通过“数据锁存器”锁存后送"14-BITDAC"转换部件开始转换，经过“建立时间”后形成模拟电压输出。工作时序如图8.2-5所示。对芯片的编程是将待转换的14位二进制数字写入芯片。返回下一页上一页8.2模拟信号输

用两个字节写:先写高字节，顺序是高字节的MSB位依次到LSB位;再写低字节，低字节有效数字只有6位，最末的两位以“0”补之，顺序也是由MSB到LSB。当片选丽变低时，在SCLK的上升沿DIN线上的数据位被写入芯片，16个SCLK脉冲之后，16位数据写入完成。在变高时，14位有效数据被送入“14-BITDAC”，该数据被变换后更新模拟输出电压。

(4)MAX544的电压输出量和数字输入量的对应关系。如表8.2-1所列，输出电压和输入二进制数字成正比，其幅值和参考电压相关。表中REF为参考电压值。REF的允许范围见本节“MAX544的主要性能”所述。返回下一页上一页8.2模拟信号输

2.MAX544和MCS-51的连接

见图8.2-6,MCS-51的P0.0,P0.1和P0.2分别与MAX544的DIN,SCLK和相连，本例将REF脚接精密电压参考芯片MAX873，获得2.5V士2.5mV的稳定参考电压源，以保证D/A转换的精确程度。MAX873是用来产生参考电压源的芯片，有低功耗、低温漂的特点，其输入电压为5V，输出电压为2.5V士2.5mV。返回上一页8.2模拟信号输

在MCS-51应用系统中，键盘是常用的人机接口输入部件。组成键盘的基本单元是按键，按键是通过手指的按压操作的触点:触点受到按压力时闭合，按压力消失时断开;闭合和断开的状态转化为二进制电平，可作为判断按键是否按下的依据。若干个按键(触点)的有序排列组成了键盘。将键盘和MCS-51以某种方式连接，操作人员通过键盘输入命令，即可实现人机对话和对系统的控制。图8.3-1是国内某企业生产的硅胶按键和键盘的实物照片。返回下一页8.3键盘接口在应用系统中，按照MCU对键盘的识别方式，把键盘分为“编码键盘”和“编码键盘”两种。前者用硬件逻辑方式对按键编码，后者通过软件对按键编码，通过软件来命名和识别按键。编码键盘占用硬件资源多，接口复杂，成本高;非编码键盘软件编写工作量较多，但硬件接口简单、节省资源，是MCU应用系统普遍采用的方式，也是本节介绍的内容。一般说来，键盘接口技术所要实现的功能是:(1)及时检测并判断键盘中是否有键按下。

(2)确认按下的按键。即在若干个按键中找到是哪个键被按下。

(3)根据被按下的键值，转入相应键的处理程序。对于操作者来说，按键的按下方式可分为两种，一种是“按下一释放型”，即从按下到松开按键算是一次有效按键。返回下一页上一页8.3键盘接口另一种是“连击型”，即按下后若保持一段时间，则随着时间的延长可视为是多次按下该键，例如用于时间设定的按键。对于前者的处理，MCS-51先判断该键按下，然后再等待其释放，或只需判断有按下发生，即可算作有一次按键;对于后者，在判断该键按下后，通常使设定的定时器开始计时，定时时间到则视为按键次数增加一次，累计计数，直到该键释放。

(4)同时，还要排除按键按下过程中信号抖动的干扰。应用系统中键盘和MCS-51的连接方式，可分为“独立式键盘”和“矩阵式键盘”两种。前者适合键盘的按键数目较少的情况，后者适用于按键数目较多的场合。返回下一页上一页8.3键盘接口1.独立式键盘和MCS-51的连接所谓独立式键盘，是各按键相互独立，每一个按键“独自”占用MCS-51的一个I/O口位。这种方式连接简单、编程方便，在键盘的按键数量较少(比如不大于8)的情况下，选择此方式是合适的。图8.3-2显示了独立式键盘的两种连接方式。其工作原理如下:(1)判断是否有按键按下并确认按键。图中的四只按键(常开触点)分别接到了P1的4个I/O端口位，无键按下时，该I/O位的读入数据为“1"，有键按下时，该I/O端口位的读入数据为“0"。通过对I/O位状态的检测，可判断是否有按键被压下。检测可用查询的方式，如图(a);返回下一页上一页8.3键盘接口也可用中断的方式如图(b)。查询方式可按位依次读取I/O的状态，直接确认按键;“中断”方式则是有键按下后先进入中断服务程序，在中断服务程序中再依次读取I/O位的状态来确认按键。需要说明的是，采用中断方式，可最大程度保证检测的实时性，即MCS-51系统对按键的反应迅速及时;而在实时性要求不高的条件下，采用查询方式则能节省硬件和减少软件工作。

(2)消除抖动。“抖动”是按键按下过程中产生的一种伴随现象。由于按键的弹性，触点在被按压时会在闭合与断开位置之间来回变换，从而影响对断开与闭合的判断。在一次完整的按下一松开按键的过程中，抖动发生在前沿和后沿部分，每次持续时间5~10ms。返回下一页上一页8.3键盘接口消除抖动的有效办法是软件延时，即在判断有键按下后延时10ms左右再读该键状态，以确认按下;在判断该键松开后也做延时以确认松开。(3)确认按下键，并进行按下键处理。图8.3-2中采用中断方式的按键确认和处理子程序如下。返回下一页上一页8.3键盘接口返回下一页上一页8.3键盘接口.矩阵式键盘和MCS-51的连接在按键数目较多时，需要采用矩阵式键盘。矩阵式键盘把按键按照行列矩阵的方式排列，如图8.3-3所示为4X4矩阵键盘。图中由4条行线和4条列线构成了矩阵。端口P1高4位接列线，列线通过上拉电阻接Vcc;低4位接行线。16只键安放在矩阵行列线的交叉点上，每只键的一端接行线，另一端接列线，组成了矩阵式键盘。按下键的确认由该键对应的“行线值”和“列线值”的组合来决定。行线值和列线值组成了该键的“编码值”。按键确认原理是(设有一只键按下):(1)P1口的低4位输出"o";，高4位输出"1",P1=1111OOOOB;(2)读高4位(列线);若此时有键按下，则P1口高4位不等于“1111"，将高4位的值记下，即为“列线值”;(3)再将P1口低4位从最低位开始依次输出“0"其余3位为“1"，再读P1口高4位，直到列值不全为“1111"，则表明该行有键按下，记下此时低4位的值，即“行线值”;

返回下一页上一页8.3键盘接口(4)将“列线值”和“行线值”合并(相“或")，即得到该按下键的“编码值”。例如图8.3-3，按键确认的流程图和子程序如下。①按键确认的流程如图8.3-4所示。②汇编语言程序如下:返回下一页上一页8.3键盘接口返回下一页上一页8.3键盘接口返回下一页上一页8.3键盘接口说明:①子程序中的DELAYlOMS为延时10ms子程序，读者可根据情况延长或缩短时间;②程序在初步判定有键按下后，进入DO句，先延时10ms，若仍有键按下，则判定之;否则认为是抖动信号;③按下的键码值存于A中，其高4位是列线值，低4位是行线值。读者可根据键码值转入相应的服务程序。返回上一页8.3键盘接口

在MCS-51应用系统中，若把键盘视为人机对话的输入工具，那么显示器件就可看做是人机对话的输出器件，它显示人们最关心的系统运行的实时数据。常见的显示器件有两大类:发光二极管(lightemittingdiode,LED)器件和LCD(liquidcrystaldisplay，液晶显示器)器件。本节介绍这两种器件的接口技术。8.4.1LED7段数码显示器1.7段LED数码显示器工作原理

图8.4-1是国内某厂家生产的LED7段数码管外形。LED显示器件色彩鲜艳，可显示红、橙、黄、绿、蓝、白等多种色彩，还可以在同一只数码管上显示两种颜色(如红色和绿色)。返回下一页8.4显示器接口数码管器件的组成形式有单管和多管，高度从几个毫米到几百个毫米。LED的工作原理和控制如同二极管。正向电压使二极管导通并发光。图8.4-2是国内某厂家生产的单只LED数码管的外形引脚和原理示意图。7只细长型的二极管A,B,C,D,E,F,G组成了“8"字的形状，每只二极管称为“显示段”;控制不同显示段的点亮和熄灭，便显示出不同的字符形状。小数点DP也是发光二极管。这种形式的数码管称为7段LED数码管。图中JM-S05011A将8只二极管的阴极连在一起，作为公共端引脚(3.8)连接到低电平，各显示段引脚(1,2,4,5,6,7,9,10)用高电平驱动，这种接法叫“共阴极”;返回下一页上一页8.4显示器接口JM505011B将8只二极管的阳极连在一起，作为公共端连接到高电平，各显示段用低电平驱动，这种接法叫“共阳极”。我们可用MCS-51的I/O口驱动7段数码管，一个I/O端口位对应LED的一个显示段。它们的对应定义如表8.4-1所列。根据显示段的位定义，可得到LED数码管共阴极和共阳极的驱动编码，编码用十六进制表示。例如若要显示字符“3"，共阴极接法的二进制编码是。1001111(4FH);共阳极接法的二进制编码则是其反码10110000(BOH)。这两种接法，都会使A,B,C,D,G这5段的二极管被驱动，而其余E,F,Dp段未被驱动，从而显示出字符“3"02.7段LED数码管显示器的控制方式返回下一页上一页8.4显示器接口对7段LED数码管显示器的控制，包括对“显示段”和“公共端”两个地方的控制。其中显示段用来控制显示字符的形状;公共端用来控制若干个LED中的哪一只数码管被选中;前者又叫“段选”，后者又叫“位选”。只有二者结合起来，才能在指定的LED字位上显示预期的字形。对7段LEI〕数码管的显示驱动控制可分为多种形式。

1)按显示的方式来区分，可分为“静态显示”和“扫描显示”

(1)静态显示。对段选部分的驱动控制具有锁存的功能，该显示字符的二进制码在LED的显示期间一直被保持，直到需要显示新的字符。这种显示方式的效果稳定，占用CPU的时间少，但每只LED需要占用一个8位I/O端口资源，硬件开销大。返回下一页上一页8.4显示器接口(2)动态显示。把参与显示的所有LED数码管的同名段并联，比如有N只LED数码管参与显示，则将它们的A段并联在一起，B段并联在一起……，即N只LED的“段选”是相同的。而每一只LED的公共端则各受一位I/O位的控制，作为“位选”。当MCS-51向被“位选”选中的LED送段选码时，其他LED由于没有位选允许而无法接受段选码，从而只有得到位选的LED才能正常显示该字形。动态显示用扫描的方式依次轮流向各个LED发出位选和段选数据，使所有LED分时参与显示，即每只LED每次的显示时间为N只LED显示一轮时间的1/N。由于人视觉的暂留效应和LED的余辉效应，人的眼睛看到的仍是一组稳定的LED字形。动态显示虽然占用CPU时间多，但节省了大量的硬件资源，且显示效果也能满足视觉要求，因此是通常采用的驱动控制方式。返回下一页上一页8.4显示器接口2)按通信的形式来区分，可分为“并行”和“串行”

(1)并行连接。MCS-518位I/O口并行向LED传送字形选数据。

(2)串行连接。MCS-51通过串/并变换器件和LED连接。单片机串行输出数据，经串/并变换器件变换为并行数据，然后再送LED显示。采用串行方式，可节省器单片机的I/O资源。7段LED数码管显示器的应用举例本例MCS-51用串行方式和LED通信。使用了74LS164芯片，它是一个串行输入数据、并行输出数据的移位寄存器。见图8.4-3。引脚A和B是数据输入端，可将它们并联作为串行数据的输入，也可用其中的一个作为数据允许控制端。CP是移位脉冲引脚，QO~Q7是并行数据输出端。在同步移位脉冲CP的作用下，由AB引脚进入的数据逐位移人QO~Q7，先高位，后低位。返回下一页上一页8.4显示器接口

是清0控制引脚，低电平时将QO~Q7输出清0。

MCS-51通过164控制LED数码管的连接示意如图8.4-4。该电路控制8只LED显示器，每只由一个164驱动。由此可见，串行方式的静态显示，虽然可节省MCS-51的I/O端口资源，但无法省略每只LED的驱动芯片。图中LED为共阳极驱动，164低电平驱动电流8mA。8只LED显示管的排列顺序是:(7)号最高位，依次至((0)最低位。串行数据由最低位164(0)的AB脚进入，最低位164的Q7进位到上一位164的AB脚，依次到最高位164(7)的AB。MCS-51向164传送数据的顺序是:最高LED显示位的MSB到LSB、次高LED显示位的MSB到LSB...…最低LED显示位的MSB到LSB。返回下一页上一页8.4显示器接口8.4.2LCD显示器(*)LCD(LiquidCrystalDisplay)液晶显示器分为多色和单色两类。本节介绍单色LCD显示技术。和LED显示器相比，LCD的最大特点是功耗小、成本低。单色显示模块的工作电流一般小于1mA，可以做成分辨率高的显示器件。近年来制造厂家将驱动电路、汉字显示库和LCD集成在一起，制成了LCD模块，很大程度上方便了用户的硬件连线和软件编程，这种LCD模块在仪器仪表和自动控制领域得到了广泛应用。单色LDC模块分为数码笔段型、字符点阵型和图形点阵型三种形式。图8.4-5是国内某厂家生产的单色LCD模块的实物照片。图中示出了这三种形式LCD模块。返回下一页上一页8.4显示器接口1.数码笔段型LCD模块SMS0501

数码笔段型LCD，简称段型，其显示原理和LED相同，也是用7个显示元素来组成数码字符的形状，还有1个显示元素代表小数点。点亮不同的显示元素，可显示不同的数码字符。从控制原理上讲，LCD要用一定频率的交流方波信号作为显示驱动信号，比使用直流驱动信号的LED要复杂得多，要用专用的LCD驱动集成电路芯片进行控制。现在LCD的生产厂家已将驱动芯片和LCD集成在一起，制成了LCD模块。我们无须再考虑LCD的驱动环节，而只需将MCS-51和LCD模块连接，把需要显示的字符段选码送入指定的LCD位即可。返回下一页上一页8.4显示器接口SMS0501C，是国内某厂家生产的一款数码笔段型LCD模块，图8.4-6是它的外形图和引脚示意。该模块可显示5位数字和2组固定汉字，字高11.4mm，模块工作电压2.7~5.5V，工作电流20μ

A(3.0V),100μA(5.0V)，模块有4个引脚，分别是:1为电源正极，2为CLK串行移位脉冲，3为DI串行数据输入。4为VSS电源地。模块采用共阴极连接，5个LCD数码位的地址映射见表8.4-2。表中给出了5只LCD及各段在模块内部的缓冲区的对应地址。要使某只LCD的某段点亮，将该地址单元中的对应位写“1”。两组汉字“元”和“公斤kg”分别由最左边数码1(LCDBUF=0)和最右边的数码5(

LCDBUF=4)的小数点位(D7)控制，该位写“1"，则相应的汉字点亮。返回下一页上一页8.4显示器接口该模块采用串行移位数据传送方式，接收MCS-51的数据。先送数码1，再送数码2，依次到数码5。数据送入指定的LCDBUF后，该LCD数码即点亮。MCS-51和SMS0501C的连接见图8.4-7。返回上一页8.4显示器接口lC卡((integratedcircuitcard)，即集成电路卡，是将集成电路芯片嵌置于塑料基片中封装而成的卡片，外形和磁卡相似。将IC卡片放人专用的IC卡座中，可以和MCU连接，组成IC卡读写控制应用系统。和其他种类的卡相比，IC卡的主要特点是存储容量大、抗静电能力强、使用寿命长，特别是它的安全性能好，加密IC卡本身具有安全密码。IC卡广泛应用于电信、金融、交通、工商、税务、医疗、学校、政府和企业等领域。IC卡分为三种类型:(1)存储器卡。卡中为EEPROM存储器，没有安全保护逻辑功能，适用于非保密的应用场合。

(2)逻辑加密卡。卡中具有逻辑加密功能，可对EEPROM的内容进行安全保护。适用于有安全保密要求的场合，如保险卡、加油卡、医保卡等。

返回下一页8.5IC卡接口(*)(3)CPU卡。也叫智能卡，卡中集成电路包括CPU,RAM,ROM,EEPROM和固化的操作系统。用于一卡多用和保密性敏感的场合，如金融信用卡、手机SIM卡等。按和外接交换数据的媒介形式，可分为接触式和非接触式IC卡。8.5.1接触式逻辑加密IC卡SLE5542SLE5542是西门子公司设计的接触式逻辑加密卡。引脚、外形见图8.5-1和表8.5-1。它的主要特点和性能如下:.256X8bitEEPROM存储器.2总线通信·供电电源5(1士10%)V·供电电流<3mA(典型值600uA)返回下一页上一页8.5IC卡接口(*)·EEPROM擦写寿命100000次.EEPROM数据保留10年SLE5542内部结构原理见图8.5-2。主要有三部分组成。(1)EEPROM主存储器。主存储器区共256字节，分为应用数据区和保护数据区。应用数据区224字节，地址32H~255H，其内容读出不受限制，擦除和写入则须经过逻辑加密区可编程密码PSC(programablesecuritycode)的验证。保护数据区32字节，地址0H~31H，该区的数据读出也不受限制，而擦除和写入除了受逻辑加密区PSC的验证限制外，还要受保护存储器内32位数据状态的限制。返回下一页上一页8.5IC卡接口(*)(2)32位PROM保护存储器。由32位一次性可编程只读存储器组成。它按位操作，所有位出厂时均为“1"，而且只允许改写一次。0~31位对应主存储器保护数据区的0~31字节。若第N位内容为“1"，则允许对它所对应的保护数据区中的第N字节进行改写，若该位内容为“0"，则不允许改写。保护存储器本身的读出不受限制，但改写操作受加密码PSC验证限制。

(3)加密逻辑。由可编程密码和密码输入错误计数器(EC)组成。可编程密码由三个字节的内容组成，作为“参照字”，当用户输入的三字节密码和该参照字一致时，验证通过。错误计数器初始值为“111"，若密码验证错误，EC去掉一个“1"，连续错误三次，则EC值为“000”，该卡将被永久锁定，即该卡内容只能读出，永远不能再被改写了。返回下一页上一页8.5IC卡接口(*)8.5.2SLE5542的数据传送协议SLE5542是接触式IC卡，通过专用的卡座和MCU连接。卡和MCU的控制连接需要4条线(见8.5.4节)。数据传送采用两线制方式，数据通信包括4种时序模式。

(1)复位和响应模式。该模式是MCU和卡建立联系的必经步骤。MCU要对卡进行数据的读写操作，必须先进行复位和响应操作。SLE5542的复位响应时序见图8.5-3。MCU控制RST线出现高电平，并维持至少15μs,CLK线出现第。个脉冲，即为对卡的复位操作。IC卡接到该复位操作信号后，将内部地址计数器清0。随后，MCU连续发出32个CLK脉冲，IC卡在I/O线上送出4个字节32位的数据资料，也就是卡的应答标头，表示SLE5542的存在。之后MCU才可以对其进行读写操作。返回下一页上一页8.5IC卡接口(*)(2)命令模式。命令模式时序如图8.5-4。MCU对卡的操作是通过7条命令实现的。命令的模式由开始位、命令字和停止位组成。其中命令字包括3个字节，共24位。命令字的内容包括1个字节的命令码、1个字节的地址码和1个字节的数据码。开始位和停止位的定义和I2C总线定义一致。(3)输出数据模式。该模式下，IC卡将MCU指定地址的数据送出到I/O线上。MCU控制同步时钟CLK，将数据逐位读入。读入的顺序先LSB，依次到MSB。只要MCU不发出停止信号，IC自动将地址加1，顺序送出字节数据。见图8.5-5"OutgoingData"部分。返回下一页上一页8.5IC卡接口(*)(4)处理模式。该模式IC卡将MCU写入的数据进行内部擦写。擦写过程约需要5ms时间。见图8.5-5中，"Processing"部分。8.5.3SLE5542的操作命令

1)命令格式

SLE5542共有7条命令，每条命令都由3个字节组成，一是控制字节，即命令的操作码;二是地址字节，指定操作的地址;三是数据字节，指定操作的数据。见表8.5-2。返回下一页上一页8.5IC卡接口(*)2)命令内容

SLE5542的7条命令分为三类功能，读写主存储器、读写保护存储器和对密码的读写及校验。

(1)读主存储器。控制码30H。执行该命令后，在同步CLK时钟脉冲控制下，IC卡在I/O线上输出由操作地址指定位置开始的单元字节数据，字节数据从LSB位开始依次到MSB位。只要MCU不停止发出CLK,IC卡就使地址单元加1，继续送出单元字节数据。MCU读出所需字节后，停止发出CLK,IC卡的I/O线上的数据也不再更新，保持I/O线为高阻抗状态。该命令可读出N个连续地址字节数据。

(2)写主存储器。控制码38H。执行该命令后，MCU对IC卡中指定的操作地址单元写入指定的操作数据。该命令一次写一个字节。返回下一页上一页8.5IC卡接口(*)(3)读保护存储器。操作码34H。执行该命令后，从地址00开始，MCU可读出IC卡4个字节的保护存储器数据。

(4)写保护存储器。操作码3CH。执行该命令后，MCU对IC卡中指定的保护存储器单元，写入指定的操作数据。该命令一次写一个字节。注意保护存储器区是一次可编程只读存储器(PROM)，只允许改写一次。

(5)读密码。操作码31H。执行该命令后，MCU可读出IC卡4个字节的加密逻辑数据。其中第0字节是错误计数器，后3个字节是PSC码。该命令只有在验证PSC操作成功后才能被正确执行。否则，读出的PSC为全“0”。

返回下一页上一页8.5IC卡接口(*)(6)修改密码。操作码39H。执行该命令后，MCU可改写IC卡中1个字节的PSC数据。注意，该命令只有在验证PSC操作成功后才能执行。(7)校验密码。操作码33H。执行该命令，MCU送出1个用户密码和1个参照字节比较。校验PSC须连续执行3次该命令，且注意用户密码的顺序和参照字的顺序要一致。8.5.4SLE5542和MCS-51的连接应用硬件连接。SLE5542卡要经过专用的卡座才能和MCS-51连接。卡座的作用如同集成电路芯片的插座，它和SLE5542卡中的电路引脚(C1~C7），见图8.5-1。返回下一页上一页8.5IC卡接口(*)(a)接触后连接到印制板电路板上，MCS-51通过卡座和SLE5542卡的电路引脚连接。SLE5542和MCS-51的连接示意见图8.5-6。SLE5542通过4条线和MCS-51连接:电源线Ycc、复位线RST、时钟线CLK和数据线I/O。本例MCS-51使用P1口。软件流程。该连接中，MCS-51对SLE5542卡的操作，首先要经过复位和应答时序。写操作还要经过密码验证(PSC验证)。验证PSC的过程不仅仅使用校验密码1条指令，而是由多个命令组成的一个完整的校验流程来实现的。验证环节的错误会导致IC卡的永久失效，即该卡变成只读卡，不能再更改主存储器中的数据。因此，读者在实际的使用过程中，要详细阅读厂家的技术资料，按照固定的流程要求编写程序。返回上一页8.5IC卡接口(*)MCS-51应用系统中使用的打印设备，通常是微型打印机，简称微打。和办公室里打印A4纸张的通用打印机相比，微打具有机身体积小巧、打印纸张宽度窄、使用电源电压低、专用性强等特点。如出租车中的发票打印、超市里的POS机、银行的ATM机、仪器仪表的数据输出等，使用的都是微型打印机。微打的应用范围很广，种类也很多:按通信方式分，有无线和有线、串行和并行;按供电电源分，有交流直流、外接适配器、电池;按打印纸张宽度分，有33mm,44mm,57mm,76mm,82mm,114mm等;按打印原理分，有针式、热敏式和喷墨式，等等。图8.6-1是国内某企业的几款微打照片。返回下一页8.6微型打印机接口(*)MCS-51对和微型打印机的控制，是向微打传送打印的数据和发出打印格式的指令。微打在接到打印的数据后，会按照打印指令的要求，完成相应的打印操作。本节以国内某厂家生产的RI卜M系列(图8.6-1，左边款)微型打印机为例，介绍微打的一般性能和用MCS-51控制微打的方法。8.6.1RIM系列微打的主要性能介绍该系列打印机专为仪器仪表设计，采用嵌人式结构，将打印机安装在仪器仪表的面板上，开孔尺寸103mmX57mm。外形尺寸114mmX65mmX78mm。重量约220g。1)主要性能指标

返回下一页上一页8.6微型打印机接口(*)(1)打印方式:针打、热敏。

(2)打印宽度:针打:33mm/48mm;热敏:48mmo(3)打印速度:针打:0.4~1.0行/s;热敏35mm/s。

(4)字符数/行:针打:16/24/40;热敏:32。(5)打印字符:448个字符及图块;可配置国标一二级汉字库(汉字、西文和图符共8178个)。

(6)控制命令:通用ESC/P打印命令。

(7)打印纸张:针打:44mm,57mm;热敏:57mm(8)字符大小:西文:5X7点阵;块图符:6X8;汉字:24X24,16X16,12X12。(9)外接口:标准并行口、标准串行口、485口、可选配无线红外接口。

返回下一页上一页8.6微型打印机接口(*)(10)电源:针打DC5V/2A;热敏DC5V/3A2)接口介绍

RI卜M系列中不同的机型有不同的接口配置，用户可根据需要选择并行或串行接口。该系列接口的方便之处在于:若选择了并行接口的机型，除了做并口使用外，可以短接机内的设定开关，变更接口为TTL电平的串行口使用;若选择了串行接口的机型，用户通过更改机内设定，可以将RS232电平改为串行的TTL电平，也可以更改为485接口。该系列还有无线的红外接口供用户选择。

3)汉字库及汉字打印该系列中不同的机型有不同的打印字符的配置，用户可选用国标一二级汉字库。返回下一页上一页8.6微型打印机接口(*)打印汉字时，需要将汉字转换成机内码，两个字节的机内码代表一个汉字。厂家提供了专门的对话框式的转换软件，用户输入汉字，对话框输出相应的机内码，编写打印程序时，将要打印的汉字用机内码替代即可，使用起来很方便。

4)接口时序