單片機(jī)的并行口線課件

第10章

單片機(jī)的并行口線擴(kuò)展及應(yīng)用10.1并行口線擴(kuò)展10.2輸出口線的驅(qū)動(dòng)與隔離

10.1并行口線擴(kuò)展

10．1.1通過(guò)鎖存存器擴(kuò)展并行接口10.1.2可編程并行接口芯片815510.1并行口線擴(kuò)展

10．1.1通過(guò)鎖存存器擴(kuò)展并行接口51單片機(jī)本身有4個(gè)8位的I/O口線，一般情況下足以滿(mǎn)足我們的要求，在需要較多的I/O端口時(shí)，可以用擴(kuò)展I/O口線的方法：（1）采用74LS244，74LS273芯片實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器映像方式的I/O口線擴(kuò)展；（2）采用8155、8255可編程I/O芯片的I/O口擴(kuò)展；（3）采用串行轉(zhuǎn)并行的方式的I/O口擴(kuò)展。51系列單片機(jī)通過(guò)總線擴(kuò)展外設(shè)的方法如圖4-1所示。并行輸入擴(kuò)展通常采用緩沖器74LS244實(shí)現(xiàn)輸入口線擴(kuò)展的原理圖如圖10-2所示，在圖10-2中，采用3-8譯碼器74LS138進(jìn)行地址譯碼，74LS138的ABC輸入端接地址線為A0A1A2,74LS138使能端接G1aG2aG2B,分別接A15A14及，因此只有在A15為1，A14為0和信號(hào)有效，即執(zhí)行MOVXA，@DPTR指令，且DPTR滿(mǎn)足相應(yīng)地址條件時(shí)，輸入端的狀態(tài)才能被讀入到A中，實(shí)現(xiàn)輸入端口的擴(kuò)展功能。輸出端口的擴(kuò)展功能如圖10-2所示，與輸入端口不同的是74LS244緩沖器換成了74LS2738D觸發(fā)器及信號(hào)換成了，當(dāng)執(zhí)行MOVX@DPTR,A時(shí)，地址符合條件譯碼器輸出有效，同時(shí)使能端WR也有效，輸出的數(shù)據(jù)由A中送到8D觸發(fā)器74LS273上并鎖存住，完成了輸出A中內(nèi)容到74LS273并鎖存的功能，實(shí)現(xiàn)了輸出口線的擴(kuò)展功能。10-2采用74LS244的輸入口線擴(kuò)展圖10-3采用74LS273的輸出口線擴(kuò)展圖10-3是同時(shí)擴(kuò)展輸入和輸出的電路，在圖10-3中地址譯碼采用線譯碼方式，即采用A15地址線(P2.7)完成，8000H地址譯碼，當(dāng)對(duì)8000H地址進(jìn)行MOVXA,@DPTR和MOVX@DPTR,A時(shí)，分別從74LS244及74LS273上輸入或輸出信號(hào)，采用此方法可以同時(shí)擴(kuò)展多片74LS244或74LS273，實(shí)現(xiàn)多I/O口的擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展數(shù)量較多時(shí)，應(yīng)注意P0口的帶載能力，可以在P0口上加緩沖器實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，但需要注意的是P0口中數(shù)據(jù)的流向，如果只擴(kuò)展輸入口線或只擴(kuò)展輸出口線，則可以采用74LS244單向緩沖器進(jìn)行緩沖，如果同時(shí)擴(kuò)展輸入及輸出口線，應(yīng)采用74LS245這樣的雙向緩沖器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)能力擴(kuò)展。如圖10-4所示。10.1.2可編程并行接口芯片8155圖10-58155的引腳圖8155是一種可編程的并行I/O插口芯片。有2個(gè)8位1個(gè)6位并行I/O口一個(gè)14位計(jì)數(shù)器的及256BRAM。8155的引腳見(jiàn)圖4-5所示。

1、8155各引腳功能說(shuō)明如下：

RST：復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。復(fù)位后，3個(gè)I/O口均為輸入方式。

AD0～AD7：三態(tài)的地址/數(shù)據(jù)總線。與單片機(jī)的低8位地址/數(shù)據(jù)總線（P0口）相連。單片機(jī)與8155之間的地址、數(shù)據(jù)、命令與狀態(tài)信息都是通過(guò)這個(gè)總線口傳送的。

：讀選通信號(hào)，控制對(duì)8155的讀操作，低電平有效。：寫(xiě)選通信號(hào)，控制對(duì)8155的寫(xiě)操作，低電平有效。：片選信號(hào)線，低電平有效。IO/：8155的RAM存儲(chǔ)器或I/O口選擇線。當(dāng)IO/＝0時(shí)，則選擇8155的片內(nèi)RAM，AD0～AD7上地址為8155中RAM單元的地址（00H～FFH）；當(dāng)IO/＝1時(shí)，選擇8155的I/O口，AD0～AD7上的地址為8155I/O口的地址。ALE：地址鎖存信號(hào)。8155內(nèi)部設(shè)有地址鎖存器，在ALE的下降沿將單片機(jī)P0口輸出的低8位地址信息及，IO/的狀態(tài)都鎖存到8155內(nèi)部鎖存器。因此，P0口輸出的低8位地址信號(hào)不需外接鎖存器。

PA0～PA7：8位通用I/O口，其輸入、輸出的流向可由過(guò)程控制。

PB0～PB7：8位通用I/O口，功能同A口。

PC0～PC5：有兩個(gè)作用，既可作為通用的I/O口，也可作為PA口和PB口的控制信號(hào)線，這些可通過(guò)過(guò)程控制。

TIMERIN：定時(shí)/計(jì)數(shù)器脈沖輸入端。

TIMEROUT：定時(shí)/計(jì)數(shù)器輸出端。

VCC：＋5V電源。表10-18155芯片的I/O口地址AD7～AD0選擇I/O口A7A6A5A4A3A2A1A0××××××××××××××××××××××××××××××000011001100010101命令/狀態(tài)寄存器A口B口C口定時(shí)器低8位定時(shí)器高6位及方式8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或選通I/O方式。C口可工作于基本I/O方式，也可作為A口、B口在選通工作方式時(shí)的狀態(tài)控制信號(hào)線。當(dāng)C口作為狀態(tài)控制信號(hào)時(shí)，其每位線的作用如下：

PC0：AINTR（A口中斷請(qǐng)求線）

PC1：ABF（A口緩沖器滿(mǎn)信號(hào)）

PC2：（A口選通信號(hào)）

PC3：BINTR（B口中斷請(qǐng)求線）

PC4：BBF（B口緩沖器滿(mǎn)信號(hào)）

PC5：（B口選通信號(hào)）

8155的I/O工作方式選擇是通過(guò)對(duì)8155內(nèi)部命令寄存器設(shè)定控制字實(shí)現(xiàn)的。命令寄存器只能寫(xiě)入，不能讀出，命令寄存器的格式如圖10-6所示。在ALT1～ALT4的不同方式下，A口、B口及C口的各位工作方式如下：

ALT1：A口，B口為基本輸入/輸出，C口為輸入方式。

ALT2：A口，B口為基本輸入/輸出，C口為輸出方式。

ALT3：A口為選通輸入/輸出，B口為基本輸入/輸出。PC0為AINTR，PC1為ABF，PC2為，PC3～PC5為輸出。

ALT4：A口、B口為選通輸入/輸出。PC0為AINTR，PC1為ABF，PC2為，PC3為BINTR，PC4為BBF，PC5為。8155內(nèi)還有一個(gè)狀態(tài)寄存器，用于鎖存輸入/輸出口和定時(shí)/計(jì)數(shù)器的當(dāng)前狀態(tài)，供CPU查詢(xún)用。狀態(tài)寄存器的端口地址與命令寄存器相同，低8位也是00H，狀態(tài)寄存器的內(nèi)容只能讀出不能寫(xiě)入。所以可以認(rèn)為8155的I/O口地址00H是命令/狀態(tài)寄存器，對(duì)其寫(xiě)入時(shí)作為命令寄存器；而對(duì)其讀出時(shí)，則作為狀態(tài)寄存器。圖10-78155狀態(tài)寄存器格式3、8155的定時(shí)/計(jì)數(shù)器

8155內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)際上是一個(gè)14位的減法計(jì)數(shù)器，它對(duì)TIMERIN端輸入脈沖進(jìn)行減1計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)結(jié)束（即減1計(jì)數(shù)“回0”）時(shí)，由TIMEROUT端輸出方波或脈沖。當(dāng)TIMERIN接外部脈沖時(shí)，為計(jì)數(shù)方式；接系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，可作為定時(shí)方式。

定時(shí)/計(jì)數(shù)器由兩個(gè)8位寄存器構(gòu)成，其中低14位組成計(jì)數(shù)器，剩下的兩個(gè)高位（M2，M1）用于定義輸出方式。其格式如圖10-8所示。圖10-88155定時(shí)/計(jì)數(shù)器控制字10.2輸出口線的驅(qū)動(dòng)與隔離

10.2.1驅(qū)動(dòng)芯片

開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出，從原理上講十分簡(jiǎn)單，在控制現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常遇到。CPU只要通過(guò)對(duì)輸入到端口的信息進(jìn)行分析，判斷其狀態(tài)是“0”還是“1”，就可得知開(kāi)關(guān)是“閉合”的還是“斷開(kāi)”的。對(duì)于軟件設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，如果要控制某個(gè)執(zhí)行器的工作狀態(tài)，只需在編程時(shí)送出“0”或者“1”，即可操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。但是由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在著電、磁、振動(dòng)、溫度等各種干擾，再加上各類(lèi)執(zhí)行器所要求的一電壓量及功率不同，所以在接口電路中除根據(jù)需要選用不同的元器件來(lái)設(shè)計(jì)電路外，還需要考慮各種緩沖、隔離和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。見(jiàn)圖10-9單片機(jī)驅(qū)動(dòng)口線的幾種接法.圖10-9單片機(jī)口線驅(qū)動(dòng)其它電路的幾種接法常用驅(qū)動(dòng)芯片有ULN2803,7407等,見(jiàn)圖10-10所示。

八達(dá)林頓晶體管陣列ULN2803中的八NPN達(dá)林頓連接晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路(如TTL，CMOS或PMOS／NMOS)和大電流高電壓要求的燈、繼電器、打印機(jī)錘和其它類(lèi)似負(fù)載驅(qū)動(dòng)理想器件。廣泛用于計(jì)算機(jī)，工業(yè)和消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中。所有器件的集電極開(kāi)路輸出并接有用于瞬變抑制的續(xù)流鉗位二極管。ULN2803的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)TTL系列兼容。7407是一種集電極開(kāi)路的驅(qū)動(dòng)芯片,用它可以驅(qū)動(dòng)小型電器的電路.由于集電極開(kāi)路,故可以由電源經(jīng)負(fù)載到7407輸出端,然后到地形成新的控制回路。常用的驅(qū)動(dòng)電路如圖10-10所示,圖10-11是ULN2803驅(qū)動(dòng)小型繼電器的電路。圖10-11ULN2803驅(qū)動(dòng)小型繼電器的電路10.2.2光耦合器件

1、光耦合器件原理

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，為了防止干擾，一般采用隔離技術(shù)，I/O的隔離最常采用的是光耦合器。光耦合器是以光為媒介傳輸信號(hào)的器件，它把一個(gè)發(fā)光二極和一個(gè)光敏晶體管封裝在一起，發(fā)光二極管加上正向輸入電壓信號(hào)（＞1.1V）就會(huì)發(fā)光。光信號(hào)作用在光敏晶體管上輸出信號(hào)。光電耦合器的輸入電路和輸出電路是絕緣的，是把“電的聯(lián)系”轉(zhuǎn)化為“光的傳輸”，再把“光的傳輸”轉(zhuǎn)化為“電的聯(lián)系”。即采用光耦合器件時(shí)，單片機(jī)用的是一組電源，外圍器件用的是另一組電源，兩者之間完全隔離了電氣聯(lián)系，而通過(guò)光的聯(lián)系來(lái)傳輸信息。一路光耦合器可以完成一路開(kāi)關(guān)量的隔離，如果將8路或16路一起使用，就能實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)或16位數(shù)據(jù)的隔離。

光耦合器的輸入側(cè)都是發(fā)光二極管，但是輸出側(cè)則有多種結(jié)構(gòu)，如光敏晶體管、達(dá)林頓晶體管、TTL邏輯電路以及光敏晶閘管等。光電耦合器的主要參數(shù)有：

（1）導(dǎo)通電流和截止電流：當(dāng)發(fā)光二極管流過(guò)一電流時(shí)，光耦合器輸出端處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)流過(guò)發(fā)光二極管的電流小于某一值時(shí)，光耦合器輸出端截止。不同的光耦合器通常有不同的導(dǎo)通電流，一般在10～20mA之間。

（2）頻率響應(yīng)：由于受發(fā)光二極和光敏晶體管響應(yīng)時(shí)間的影響，開(kāi)關(guān)信號(hào)傳輸速度受光耦合器頻率特性的影響，普通光耦只能傳輸10kHz以?xún)?nèi)的脈沖信號(hào)。因此，高頻信號(hào)傳輸中要考慮其頻特性。在開(kāi)關(guān)量I/O通道中，信號(hào)頻率一般較低，不會(huì)受光耦合器頻率特性的影響。（6）隔離電壓：是指光耦合器對(duì)電壓的隔離能力。

光電耦合器二極管側(cè)的驅(qū)動(dòng)電路可采用門(mén)電路直接驅(qū)動(dòng)。一般的門(mén)電路能力有限，常選用帶OC門(mén)的電路（如7406反向驅(qū)動(dòng)器、7407同向驅(qū)動(dòng)器）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。根據(jù)受光源結(jié)構(gòu)的不同，可以將光耦合器件分為晶體管輸出型和晶閘管輸出型。晶體管輸出型光耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10-12所示。在晶體管輸出的光耦合器件中，受光源為光敏晶體管。光敏晶體管可能有基極,如圖10-12（a）所示的4N25，此外還有4N27、4N38等，如圖10-12(b)所示的TLP521，此外還有TLP421，TLP621等。部分光耦合器輸出回路的晶體管采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，用來(lái)提高電流傳輸比,如圖10-12（c）所示的4N33，此外還有H11G1、H11G2、H11G3等。

晶閘管輸出型光耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10-13所示晶閘管（俗稱(chēng)可控硅）輸出的光耦合器件受光元件為光敏晶閘管。輸入回路驅(qū)動(dòng)電流是發(fā)光二極的工作電流，一般為10～30mA。輸出回路中的光敏晶閘管可耐高壓，4N40和MOC3041的耐壓值高達(dá)400V，MOC3009～3012的輸出耐壓值電壓為250V，工作電流為十到幾百毫安，可直接控制小功率負(fù)載或作為大功率晶閘管的觸發(fā)源。

2、開(kāi)關(guān)量輸入接口

（1）行程開(kāi)關(guān)、繼電器觸點(diǎn)與MCS-51單片機(jī)的接口、行程開(kāi)關(guān)、繼電器觸點(diǎn)輸入與MCS-51單片機(jī)的接口如圖10-14所示。當(dāng)觸點(diǎn)閉合時(shí)，光電耦合器件的發(fā)光二極管因有電流流過(guò)而發(fā)光，使得右側(cè)光敏晶體管導(dǎo)通，從而單片機(jī)的一根I/O端口線送高電平；而當(dāng)觸點(diǎn)未閉合時(shí)，光敏晶體管不導(dǎo)通，送向單片機(jī)的I/O端品引腳為低電平。如果用按鈕一來(lái)代替行程開(kāi)關(guān)、繼電器觸點(diǎn)，其原理是相同的。所以，可以用此接口電路的原理采集輸入按鈕開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、繼電器觸點(diǎn)等的狀態(tài)信息。對(duì)于類(lèi)似上述輸入的開(kāi)關(guān)信號(hào)。（2）按鍵開(kāi)關(guān)與M51系列單片機(jī)的接口，按鍵一或者鈕子開(kāi)關(guān)類(lèi)器件，可將高電平（或低電平）經(jīng)單片機(jī)的I/O引腳輸入單片機(jī)。

如圖10-15所示，根據(jù)8路開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)程序分別轉(zhuǎn)移至KF1～KF8的程序。圖中8路開(kāi)關(guān)通過(guò)擴(kuò)展輸入接口74LS244與AT89S51的P0口相連，開(kāi)關(guān)閉合時(shí)產(chǎn)生低電平，當(dāng)P3.0和RD均為低電平時(shí)才能選通74LS244。ORG0100H

START：CLR P3.0 ;準(zhǔn)備選通74LS244讀入開(kāi)關(guān)狀態(tài)

MOVX A，@DPTR ;讀P0口數(shù)據(jù)（只需操作）

RRC A

JNC KF1 ;如果D0為低電平，轉(zhuǎn)KF1

RRC A

JNC KF2 ;如果D1為高電平，轉(zhuǎn)KF2

RRC A

JNC KF3 ;如果D2為低電平，轉(zhuǎn)KF3

RRC A

JNC KF4 ;如果D3為低電平，轉(zhuǎn)KF4

RRC A

JNC KF5 ;如果D4為低電平，轉(zhuǎn)KF5

RRC AJNC KF6 ;如果D5為低電平，轉(zhuǎn)KF6

RRC A

JNC KF7 ;如果D6為低電平，轉(zhuǎn)KF7

RRC A

JNC KF8 ;如果D7為低電平，轉(zhuǎn)KF8

SJMPSTART3、功率輸出電路的控制

繼電器常用于控制電路的導(dǎo)通和斷開(kāi)，包括電磁繼電器、接觸器和干簧管。其工作原理是利用線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸引內(nèi)部的銜鐵，使動(dòng)片離開(kāi)常閉結(jié)點(diǎn)，與常開(kāi)結(jié)點(diǎn)連通，實(shí)現(xiàn)電路的通斷。根據(jù)線圈所加電壓類(lèi)型分為直流繼電器和交流繼電器兩大類(lèi)，其中直流繼電器常用于單片機(jī)系統(tǒng)的輸出接口。在驅(qū)動(dòng)大功率設(shè)備時(shí)，經(jīng)常得用繼電器作為中間驅(qū)動(dòng)源，通過(guò)這個(gè)驅(qū)動(dòng)源，可以完成從低壓直流到高壓交流的過(guò)渡。如圖10-16所示。控制信號(hào)經(jīng)光電隔離后，繼電器控制線圈由直流部分控制，而其輸出觸點(diǎn)則可以直接控制220V基至更高的電壓。

在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮3個(gè)方面：（1）驅(qū)動(dòng)電壓與繼電器的額定電壓相匹配。例如，額定吸合電壓為12V的繼電器，驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)在12V左右。驅(qū)動(dòng)電壓太小，將引起繼電器抖動(dòng)，甚至不吸合；驅(qū)動(dòng)電壓太大，會(huì)因線圈過(guò)流而損壞。

（2）控制回路的工作電流要小于繼電器的額定觸點(diǎn)電流。

（3）由于電器的控制線圈有一定的電感，在關(guān)斷瞬間能產(chǎn)生較大的反電勢(shì)，因此在繼電器的控制線圈上反向并聯(lián)一個(gè)二極管用于電感反向放電，用來(lái)保護(hù)驅(qū)動(dòng)晶體管不會(huì)擊穿。

（4）對(duì)于驅(qū)動(dòng)電流較大的繼電器，可以采用達(dá)林頓輸出的光耦合器件直接驅(qū)動(dòng)。也可以在光電耦合器件與繼電器之間再加一級(jí)晶體管驅(qū)動(dòng)，例如S8050、S8550、S9012～S9015等。1、雙向晶閘管輸出接口

如圖10-17為MOC3041與雙向晶閘管的接線圖，雙向晶閘管具有雙向?qū)üδ?，開(kāi)關(guān)無(wú)觸點(diǎn)，且能在交流、大電流的應(yīng)用場(chǎng)合使用，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。雙向晶閘管器件也稱(chēng)光耦合雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)器，與一般的光耦合器不同，其輸出部分是硅光敏雙向晶閘管，有的還帶有過(guò)零觸發(fā)檢測(cè)器，用于保證在電壓接近為零時(shí)觸發(fā)晶閘管。常用的有MOC3000系列等，如MOC3011用于110V交流、MOC3041用于220V交流。

2、固態(tài)繼電器數(shù)出接口

固態(tài)繼電器是(SSR)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型電子繼電器，其輸入控制電流小，用TTL、HTL、CMOS等集成電路或簡(jiǎn)單的輔助電路就可以直接驅(qū)動(dòng)，因此特別適宜在控制現(xiàn)場(chǎng)作為輸出功率控制組件。其輸出利用晶體管或晶閘管驅(qū)動(dòng)，無(wú)接觸電，與普通的電磁繼電器和磁力開(kāi)關(guān)相比，具有無(wú)機(jī)械噪聲、無(wú)抖動(dòng)和回跳、開(kāi)關(guān)速度快、體