數(shù)字信號(hào)輸入輸出接口電路

第7章數(shù)字信號(hào)輸入輸出接口電路

輸入/輸出接口電路是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中必不可少的單元電路之一，它涉及數(shù)據(jù)輸入電路以及經(jīng)過單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)輸出電路。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)總要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行比較、判斷或運(yùn)算處理后，輸出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)去控制特定設(shè)備。輸入/輸出量可以是模擬信號(hào)，也可以開關(guān)信號(hào)。對(duì)于模擬信號(hào)，經(jīng)放大、限幅、低通濾波電路，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，單片機(jī)才能處理；單片機(jī)處理結(jié)果也需要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換、平滑濾波后，才能得到模擬量。有關(guān)模擬信號(hào)的處理，如D/A、A/D轉(zhuǎn)換方法后續(xù)章節(jié)會(huì)介紹，本章主要介紹數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出(I/O)接口電路。

2/26/202417.1開關(guān)信號(hào)輸入/輸出方式

開關(guān)信號(hào)包括脈沖信號(hào)、電平信號(hào)。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，常采用如下幾種方式現(xiàn)實(shí)開關(guān)信號(hào)的輸入和輸出。

2/26/202421.直接解碼輸入/輸出方式

在這種方式中，直接利用CPUI/O引腳輸入/輸出開關(guān)信號(hào)，如圖7-1(a)所示。2/26/202432.編碼輸入/輸出方式

在這種方式中，將若干條用途相同（均為輸入或輸出）的I/O引腳組合在一起，按二進(jìn)制編碼后輸入或輸出。例如，對(duì)于n條輸出引腳，經(jīng)過譯碼后，可以控制2n個(gè)設(shè)備；對(duì)于2n個(gè)不同時(shí)有效的輸入量，經(jīng)過編碼器與CPU連接時(shí)，也只需要n個(gè)引腳，如圖7-1(b)所示。

2/26/202443.矩陣輸入/輸出方式

將CPUI/O引腳分成兩組，用N條引腳構(gòu)成行線，M條引腳構(gòu)成列線，行、列的交叉點(diǎn)就構(gòu)成了所需的N×M個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。顯然，所需的I/O引腳數(shù)目為N+M,而檢測(cè)點(diǎn)總數(shù)達(dá)到了N×M個(gè)，如圖7-1（C）所示?？梢姡琁/O引腳的利用率較高，硬件開銷少，因此得到了廣泛應(yīng)用。

在矩陣編碼方式中，如果行線、列線均定義為輸出狀態(tài)，就可以輸出N×M個(gè)開關(guān)量；當(dāng)行、列線中有一組為輸出線，另一組為輸入線時(shí)就構(gòu)成了N×M個(gè)輸入檢測(cè)點(diǎn)，如矩陣鍵盤電路。

2/26/202457.2I/O資源及擴(kuò)展

通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的輸入處理和輸出控制時(shí)，必須了解以下問題：(1)準(zhǔn)確理解CPU中各引腳的功能，確定可利用的I/O資源，并做出相對(duì)合理的使用規(guī)劃。

(2)作輸出控制信號(hào)時(shí)，必須了解CPU復(fù)位期間和復(fù)位后該引腳的狀態(tài)。MCS-51系列CPU在復(fù)位期間和復(fù)位后各I/O端口的狀態(tài)可參閱第2章有關(guān)內(nèi)容。

(3)了解I/O端口輸出級(jí)電路結(jié)構(gòu)和I/O端口的負(fù)載能力。只有了解了CPUI/O端口輸出級(jí)電路結(jié)構(gòu)和負(fù)載能力，才可能設(shè)計(jì)出原理正確、工作可靠的I/O接口電路。

(4)了解I/O端口輸出電平范圍。(5)了解I/O端口耐壓。

2/26/20246對(duì)于輸出口，當(dāng)輸出高電平時(shí)，能給負(fù)載提供的最大驅(qū)動(dòng)電流就是該輸出口高電平驅(qū)動(dòng)能力，當(dāng)輸出電流大于最大驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，上拉MOS管內(nèi)阻上的壓降將增加，VOH會(huì)下降。當(dāng)VOH小于某一數(shù)值后，后級(jí)電路會(huì)誤認(rèn)為輸入為低電平，產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤。因此，要注意輸出高電平時(shí)的負(fù)載能力。而當(dāng)輸出低電平時(shí)，輸出級(jí)飽和，負(fù)載電流倒灌。同樣，倒灌的電流也不能太大，否則會(huì)使輸出級(jí)因過流而損壞，即使沒有損壞，也會(huì)因灌電流太大，造成輸出低電平VOL上升。當(dāng)VOL大于某一數(shù)值后，后級(jí)電路同樣會(huì)誤以為輸入為高電平，產(chǎn)生錯(cuò)誤。2/26/202477.2.1通過鎖存器、觸發(fā)器擴(kuò)展I/O口

當(dāng)僅需要擴(kuò)展少量的I/O引腳時(shí)，可使用鎖存器、觸發(fā)器或三態(tài)門電路實(shí)現(xiàn)。

2/26/202481.輸出口

MCS-51寫外部RAM時(shí)，用作寫選通信號(hào)。在時(shí)序上，數(shù)據(jù)輸出有效到有效時(shí)間TQVWX最小值為零，而無效到數(shù)據(jù)輸出無效（即數(shù)據(jù)保持）時(shí)間TWHQX也不超過1個(gè)機(jī)器周期。而利用觸發(fā)器擴(kuò)展輸出口時(shí)，觸發(fā)器送數(shù)時(shí)鐘信號(hào)由外部RAM寫選通信號(hào)和高位地址譯碼信號(hào)經(jīng)過“與門”或“或非門”產(chǎn)生，這樣送數(shù)時(shí)鐘信號(hào)就存在一定的延遲，因而只能利用的前沿將數(shù)據(jù)鎖存到觸發(fā)器中，常使用74LS273（八上升沿觸發(fā)器，帶公共清零端）、74LS174（六上升沿觸發(fā)器）、74LS374（八上升沿觸發(fā)器，三態(tài)輸出）、74LS377（八上升沿觸發(fā)器，帶使能端）來擴(kuò)展MCS-51的輸出口，如圖7-2所示。

2/26/20249圖7-2使用74LS273擴(kuò)展輸出口

2/26/2024102.輸入口

對(duì)輸入口來說，一般無須鎖存，原則上三態(tài)門電路、具有三態(tài)輸出的總線緩沖器、驅(qū)動(dòng)器、D型觸發(fā)器（如74LS374）以及電平觸發(fā)的鎖存器（如74LS373）等均可以作為輸入口擴(kuò)展芯片，如圖7-3所示。

2/26/2024112/26/202412圖7-4是一個(gè)實(shí)用的輸入/輸出口擴(kuò)展電路，其中74LS273構(gòu)成8位輸出口，74LS373構(gòu)成8位輸入口。

圖7-4擴(kuò)展輸入/輸出口

2/26/2024137.2.2利用串入并出及并入串出芯片擴(kuò)展I/O口

在速度要求不高情況下，可利用74LS164、74HC594、74HC595等“串入并出”芯片擴(kuò)展輸出口；利用74LS165、74HC597等“并入串出”芯片擴(kuò)展輸入口，也是一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的I/O口擴(kuò)展方式。當(dāng)串行口未用時(shí)，可通過串行口方式0完成串行數(shù)據(jù)的輸入或輸出（可參閱第4章）；而當(dāng)串行口已做它用時(shí)，可根據(jù)串行芯片的操作時(shí)序，使用I/O引腳完成數(shù)據(jù)的輸入/輸出，例如在圖7-5中使用89C5X芯片三根I/O線，借助兩片74HC595即可獲得16根輸出線。2/26/202414圖7-5通過“串入并出”芯片擴(kuò)展輸出引腳

2/26/2024157.2.3用8255可編程I/O芯片擴(kuò)展MCS-51并行I/O口

Intel公司8255芯片是一塊通用的可編程并行接口（PPI）芯片，除地址線A1、A0外，可直接與Intel公司8位微處理器，如MCS-51芯片相應(yīng)總線直接相連，是MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中較常見的并行I/O擴(kuò)展芯片之一。

2/26/2024161.8255的結(jié)構(gòu)及引腳功8255采用DIP40、LCC44或QFP44封裝形式，引腳功能及排列如圖7-6所示。

2/26/2024172.8255工作方式

8255屬于可編程的I/O擴(kuò)展芯片，其工作方式由寫入工作方式控制寄存器的工作方式控制字決定，如表7-2所示。

1b6b5b4b3b2b1b0工作方式控制字特征A口工作方式控制00（方式0）01（方式1）1x（方式2）A口輸入/輸出控制0（輸出）1（輸入）C口高4位輸入/輸出控制0（輸出）1（輸入）B口工作方式控制0（方式0）1（方式1）B口輸入/輸出控制0（輸出）1（輸入）C口低4位輸入/輸出控制：0（輸出）1（輸入）與A口工作方式有關(guān)的控制位A組(PC7～PC4)輸入/輸出控制與B口工作方式有關(guān)的控制位B組(PC3～PC0)輸入/輸出控制表7-28255工作方式控制字各含義

2/26/2024188255I/O口有三種工作方式：方式0，基本輸入/輸出方式。特點(diǎn)是對(duì)輸出信號(hào)鎖存功能；對(duì)輸入信號(hào)沒有鎖存功能。方式1，選通輸入/輸出方式。特點(diǎn)是使用C口部分引腳作為A、B通信聯(lián)絡(luò)信號(hào)，對(duì)輸入、輸出數(shù)據(jù)均具有鎖存功能。方式2，雙向傳輸方式。只有A口可以工作于方式2，使用C口部分引腳作為雙向傳輸聯(lián)絡(luò)信號(hào)，對(duì)輸入、輸出數(shù)據(jù)均具有鎖存功能。

2/26/202419可見8255三個(gè)I/O口的地位不完全相同，其中A口有三種工作方式，B口有兩種工作方式；而C口較特殊，被分成A(PC7～PC4)、B(PC3～PC0)兩組，只有當(dāng)A、B口工作在方式0時(shí)，C口才可作為輸入/輸出引腳使用（PC7～PC4、PC3～PC0處于輸入還是輸出狀態(tài)，分別由工作方式控制字的b3、b0位決定），而當(dāng)A、B口工作在方式1或2時(shí)，C口部分引腳作為A、B口通信聯(lián)絡(luò)信號(hào)（這時(shí)未用的C口引腳仍可作為輸入/輸出引腳使用，由控制寄存器的b3、b0位選擇），具體情況如表7-3所示。

2/26/202420C口引腳方式1（A或B口）方式2（A口）輸入輸出輸入輸出PC0INTRBINTRBPC1IBFBPC2PC3PC4PC5PC6PC7BBBINTRAINTRAINTRAINTRAIBFAIBFAAAAAAA表7-3A、B口工作在方式1/2下C口引腳的含義

2/26/202421(a)A口工作在選通輸入方式下信號(hào)連接方式及時(shí)序

(b)A口工作在選通輸出方式下信號(hào)連接方式及時(shí)序

2/26/2024223.8255芯片與MCS-51接口應(yīng)用舉例

MCS-51CPU與8255接口芯片按如下方式連接：8255芯片數(shù)據(jù)總線與CPU數(shù)據(jù)總線直接相連。讀控制信號(hào)（）、寫控制信號(hào)（）分別與CPU讀寫控制信號(hào)相連。8255芯片地址線A1、A0可直接與CPU高8位地址，如A9（即P2.1引腳）、A8（即P2.0引腳）相連；當(dāng)然如果已使用了D型鎖存器（如74LS373）鎖存了MCS-51芯片P0口低8位地址信號(hào)A7～A0，則8255芯片地址線A1、A0也可以與CPU地址線A1、A0相連。片選信號(hào)可直接與CPU高位地址線相連（即采用線選法，如圖7-8所示）或由高位地址譯碼后產(chǎn)生，如例7.1所示。

2/26/202423圖7-8MCS-51與8255芯片的連接

2/26/2024242/26/2024257.2.4利用8155/8156可編程I/O芯片擴(kuò)展MCS-51的I/O口

8155/8156曾經(jīng)是MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)常用的可編程并行I/O擴(kuò)展芯片之一，與MCS-51接口方便。采用DIP40、LCC44或QFP44封裝形式，單一+5V工作電源。8155/8156可編程I/O擴(kuò)展芯片除了可提供三個(gè)可編程的I/O端口(A、B均為8位I/O口，C口為6位I/O端口)外，還具有256字節(jié)的SRAM存儲(chǔ)單元和一個(gè)14位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，并內(nèi)置了地址鎖存器，地址線可直接與MCS-51單片機(jī)的P0口相連，無須使用74LS373鎖存低8位地址信號(hào)，適合擴(kuò)展具有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的MCS-51單片機(jī)CPU，如8751、8752、87C51/52/54/58、89C51/52/54/58、87C51X2/52X2/54X2/58X2、89C51X2/52X2/54X2/58X2等的I/O口。當(dāng)系統(tǒng)所需外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量不大時(shí)，由1片CPU和1片8155即可構(gòu)成I/O端口較多的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。2/26/2024261.內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能

8155/8156芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳排列如圖7-10所示。

2/26/2024272.8155芯片初始化

8155內(nèi)部有一個(gè)命令寄存器，其內(nèi)容規(guī)定8155的工作方式，各位含義如表7-4所示。

2/26/2024287.2.5利用CPU擴(kuò)展I/O

當(dāng)I/O引腳資源不夠時(shí)，用另一塊CPU來擴(kuò)展I/O端口比通過三態(tài)門、觸發(fā)器、專用I/O擴(kuò)展芯片如8255、8155等擴(kuò)展I/O引腳，在某些單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中可能更經(jīng)濟(jì)。一方面，不僅擴(kuò)展了I/O引腳，也擴(kuò)展了其他硬件資源（如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷輸入端），部分工作可由擴(kuò)展CPU完成，有效地減輕了主CPU負(fù)擔(dān)。另一方面，由于CPUI/O口電平可任意設(shè)置，完全可以省去承擔(dān)邏輯轉(zhuǎn)換的與非門電路芯片。利用CUP擴(kuò)展I/O資源時(shí)，可使用UART、I2C異步通信方式、類似SPI接口同步串行通信方式或并行通信方式實(shí)現(xiàn)兩CPU之間的信息交換。2/26/2024297.3簡(jiǎn)單顯示驅(qū)動(dòng)電路

7.3.1發(fā)光二極管

發(fā)光二極管在本質(zhì)上與普通二極管差別不大，也是一個(gè)PN結(jié)，同樣具有正向?qū)?，反向截止的特性。發(fā)光二極管的伏安特性曲線與普通二極管相似，如圖7-12所示(為了便于比較，圖中用虛線表示普通二極管的伏安特性曲線)。

圖7-12LED二極管伏安特性曲線2/26/202430

（1）

外加正向電壓小于0.9V～1.1V時(shí)，LED不導(dǎo)通；當(dāng)外加電壓大于正向閥值電壓時(shí)，LED導(dǎo)通，同時(shí)發(fā)光。顯然，LED二極管的正向?qū)妷罕绕胀ǘO管大，具體數(shù)值與LED材料有關(guān)，如表7-7所示。表7-7LED正向壓降與材料的關(guān)系（2）

LED導(dǎo)通后，伏安特性曲線更陡，即LED導(dǎo)通后，內(nèi)阻更?。ㄒ虼艘渤Ｓ米鹘祲涸?，如將+5V電源降為3V電源）。(3)LED二極管反向擊穿電壓比普通二極管低，一般在5V～10V之間。

LED材料正向?qū)妷篤F/V砷化鎵(GaAs)1.2鎵鋁砷(GaAlAs)1.6～1.8磷化鎵(GaP)1.9～2.5磷砷化鎵(GaAsP)1.6～1.82/26/2024317.3.2驅(qū)動(dòng)電路

LED工作電流較大，而MCS～51系列CPUP1～P3口I/O引腳負(fù)載能力僅為四個(gè)TTL門電路，因此不能直接驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光二極管，必須使用三極管或驅(qū)動(dòng)IC芯片驅(qū)動(dòng)，如圖7-13所示。

圖7-13CPU與LED接口電路（a）、(b)、(d)低電平有效；(c)高電平有效

2/26/2024327.3.3LED發(fā)光二極管顯示狀態(tài)及同步

一般說來，單個(gè)LED有“亮”、“滅”顯示兩種狀態(tài)，但在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，由于I/O引腳、成本等因素限制，要求一只LED發(fā)光二極管顯示出更多的狀態(tài)。例如電源監(jiān)控設(shè)備中的電源指示燈就可能用“滅”、“常亮”、“快閃”、“慢閃”四種狀態(tài)分別表示“無交流”、“交流正?！薄ⅰ斑^壓”、“欠壓”四種狀態(tài)；又如，帶有后備電池設(shè)備的電源指示燈也可用“滅”、“常亮”、“快閃”、“慢閃”分別表示“無交流/電池電壓正常”、“交流正常/電池電壓正常”、“交流正常/電池低壓”、“無交流/電池低壓”四種狀態(tài)。在這種情況下，一般用兩個(gè)bit記錄每一只LED發(fā)光二極管的狀態(tài)，如00表示滅；01表示慢閃；10表示快閃；11表示常亮，這樣一字節(jié)內(nèi)部RAM單元可記錄4個(gè)LED指示燈的狀態(tài)。2/26/202433當(dāng)系統(tǒng)中存在兩個(gè)或兩個(gè)以上LED發(fā)光二極管以閃爍方式表示不同的狀態(tài)時(shí)，就遇到LED顯示同步問題，否則可能出現(xiàn)甲燈亮?xí)r，乙燈滅——呈現(xiàn)類似霓虹的走動(dòng)顯示效應(yīng)。解決方法：快閃、慢閃時(shí)間呈倍數(shù)關(guān)系，如快閃切換時(shí)間為0.15s～0.25s，則慢閃切換時(shí)間可設(shè)為0.45s～0.75s(2～3倍)；然后在定時(shí)中斷服務(wù)程序中設(shè)置快、慢閃切換標(biāo)志，并根據(jù)LED狀態(tài)關(guān)閉或打開LED指示燈即可。2/26/2024347.4LED數(shù)碼管及其顯示驅(qū)動(dòng)電路

7.4.1LED數(shù)碼管

LED數(shù)碼管是單片機(jī)控制系統(tǒng)中最常用的顯示器件之一，LED數(shù)碼管在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的地位類似于CRT(陰極射線管)顯示器在臺(tái)式微機(jī)系統(tǒng)中的地位。在單片機(jī)系統(tǒng)中，常用一只到數(shù)只，甚至十幾只LED數(shù)碼管顯示CPU的處理結(jié)果、輸入/輸出信號(hào)的狀態(tài)或大小。

2/26/202435LED數(shù)碼管的外觀如圖7-14(a)所示，筆段及其對(duì)應(yīng)引腳排列如圖7-14(b)所示，其中a～g段用于顯示數(shù)字或字符的筆畫，dp顯示小數(shù)點(diǎn)，而3、8引腳連通，作為公共端。一英寸以下的LED數(shù)碼管內(nèi)，每一筆段含有1只LED發(fā)光二極管，導(dǎo)通壓降為1.2V～2.5V；而一英寸及以上LED數(shù)碼管的每一筆段由多只LED發(fā)光二極管以串、并聯(lián)方式連接而成，筆段導(dǎo)通電壓與筆段內(nèi)包含的LED發(fā)光二極管的數(shù)目、連接方式有關(guān)。在串聯(lián)方式中，確定電源電壓Vcc時(shí)，每只LED工作電壓通常以2.0V計(jì)算，例如4英寸七段LED數(shù)碼顯示器LC4141的每一筆段由四只LED發(fā)光二極管按串聯(lián)方式連接而成，因此導(dǎo)通電壓應(yīng)在7V～8V之間，電源電壓Vcc必須取9V以上。2/26/202436根據(jù)LED數(shù)碼管內(nèi)各筆段LED發(fā)光二極管的連接方式，可以將LED數(shù)碼管分為共陰極和共陽(yáng)極兩大類。在共陰極LED數(shù)碼管中，所有筆段的LED發(fā)光二極管的負(fù)極連在一起，如圖7-14(c)所示；而在共陽(yáng)極LED數(shù)碼管中，所有筆段的LED發(fā)光二極管的正極連在一起，如圖7-14(d)所示。圖7-14LED數(shù)碼顯示管

2/26/2024377.4.2LED數(shù)碼顯示器接口電路

從LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)可以看出，點(diǎn)亮不同筆段就可以顯示出不同的字符，例如筆段a、b、c、d、e、f被點(diǎn)亮?xí)r，就可以顯示數(shù)字“０”；又如筆段a、b、c、d、g被點(diǎn)亮就顯示數(shù)字“3”。理論上，七個(gè)筆段可以顯示128種不同的字符，扣除其中沒有意義的組合狀態(tài)后，七段LED數(shù)碼管可以顯示的字符如表7-9所示。

依據(jù)顯示驅(qū)動(dòng)方式的不同，可將LED數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)電路分為靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。2/26/2024381.LED靜態(tài)顯示接口電路

LED靜態(tài)顯示接口電路由筆段代碼鎖存器、筆段譯碼器(采用軟件譯碼的LED靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路不用筆段譯碼器)、驅(qū)動(dòng)器等部分組成。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，一般不用七段譯碼器芯片，如74249、CD4511等構(gòu)成筆段譯碼，而是采用軟件方式實(shí)現(xiàn)譯碼，原因是軟件譯碼靈活、方便，下面是單片機(jī)系統(tǒng)中常用的LED靜態(tài)顯示接口電路形式。

2/26/202439(1)圖7-15(a)是一位的共陽(yáng)LED靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路，P1口輸出筆段代碼，通過7407驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管。該電路優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接利用P1口鎖存器作筆段代碼鎖存器，缺點(diǎn)是占有了P1.0～P1.6七根I/O線。

2/26/202440(2)在圖7-15(b)中，通過八上升沿D型觸發(fā)器74LS273擴(kuò)展輸出口，分別作為L(zhǎng)ED1、LED2的筆段代碼鎖存器。

2/26/202441(3)如果LED數(shù)碼管工作電流小于10mA，使用74HC273芯片后，可省去OC輸出的驅(qū)動(dòng)芯片7407，如圖7-15(c)所示。

2/26/202442(4)當(dāng)系統(tǒng)中I/O引腳資源不緊張時(shí)，可使用I/O引腳作D型觸發(fā)器鎖存脈沖，如圖7-15(d)。

2/26/2024432.動(dòng)態(tài)顯示方式LED顯示器

在靜態(tài)顯示方式中，顯示驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)單，CPU占用率低，但每一位LED數(shù)碼管需要一個(gè)8位鎖存器來鎖存每一顯示位的筆段代碼，硬件開銷大(元件數(shù)目多，印制板面積也會(huì)隨之增加)，僅適用于顯示位數(shù)較少(4位以下)的場(chǎng)合。當(dāng)需要顯示的位數(shù)在4～12時(shí)，多采用按位掃描軟件（在單片機(jī)系統(tǒng)一般不用硬件）譯碼的動(dòng)態(tài)顯示方式或按筆段掃描的動(dòng)態(tài)顯示方式，如圖7-16所示。2/26/2024442/26/202445在圖7-15中，使用P2口作為筆段碼鎖存器，用7407作筆段碼驅(qū)動(dòng)器（由于在LED動(dòng)態(tài)顯示電路中，為獲得足夠亮度，限流電阻小，LED瞬態(tài)電流大，一般不能省去筆段驅(qū)動(dòng)器）；P0口作位掃描碼鎖存器，用低頻中功率PNP管作位驅(qū)動(dòng)器。顯然，筆段、位掃描均采用軟件譯碼方式。顯示時(shí)，依次將各位筆段碼送P2口，位掃描碼送P口，即可分時(shí)顯示所有位。就微觀來說，任一時(shí)刻只有一只LED數(shù)碼管工作，但由于人眼視覺惰性特征，只要刷新頻率不小于25Hz，宏觀上就看到所有位同時(shí)亮，且沒有閃爍感。從圖中可以看出，在軟件譯碼的動(dòng)態(tài)LED顯示電路中，無論位數(shù)多寡，都只需一套筆段碼鎖存器與驅(qū)動(dòng)器，一套位掃描碼鎖存器與驅(qū)動(dòng)器，硬件開銷少。因此，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

2/26/202446當(dāng)CPUI/O引腳資源緊張時(shí)，可采用D型鎖存器、可編程8255并行I/O擴(kuò)展芯片構(gòu)成動(dòng)態(tài)LED顯示器的筆段碼鎖存器和位掃描碼鎖存器，如圖7-16所示。圖(a)使用兩片74LS273構(gòu)成筆段碼鎖存器和位掃描碼鎖存器，而圖(b)用8255的B口作為筆段碼鎖存器；A口作為位掃描碼鎖存器。由于8255A口負(fù)載能力有限，不能直接驅(qū)動(dòng)LED，為此圖中采用中功率PNP管（如MPS8850）增大筆段驅(qū)動(dòng)電流。

2/26/202447(a)由74LS273(74HC273)構(gòu)成的按位掃描動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路2/26/202448當(dāng)顯示位數(shù)較多，如12位以上時(shí)，即使將顯示刷新率降到25Hz(實(shí)際上當(dāng)刷新頻率降到25Hz時(shí)已出現(xiàn)明顯閃爍現(xiàn)象)后，仍不能保證每位顯示時(shí)間大于1ms時(shí)，可采用按字段掃描方式或按位分組掃描方式的動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路。在按字段掃描方式中，不論位數(shù)多少，對(duì)于八段數(shù)碼顯示器來說，筆段引腳只有8根，即使顯示刷新頻率為50Hz，按字段掃描時(shí)，每一字段顯示時(shí)間依然為1/(50×8)=2.5ms。顯示時(shí)每次點(diǎn)亮一個(gè)字段（即掃描信息從字段引腳dp～a輸入），同一字段的顯示信息由位選擇電路控制，如圖7-17(a)所示，顯示時(shí)先將顯示數(shù)碼緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)碼轉(zhuǎn)換為筆段碼，然后將筆段碼緩沖區(qū)內(nèi)信息轉(zhuǎn)化為位筆段顯示信息碼，如下所示。顯示時(shí)只將位筆段顯示信息送位選擇口。2/26/202449由8255構(gòu)成的按位掃描動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路2/26/2024507.5鍵盤電路

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，除了復(fù)位按鈕外，可能還需要其他按鍵，以便控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，或向系統(tǒng)輸入運(yùn)行參數(shù)。鍵盤電路一般由鍵盤接口電路、按鍵（由控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的功能鍵和向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)的數(shù)字鍵組成）以及鍵盤掃描程序等部分組成。7.5.1按鍵結(jié)構(gòu)按鍵電壓波形7.5.2鍵盤電路形式7.5.3鍵盤按鍵編碼7.5.4鍵盤監(jiān)控方式2/26/2024517.5.1按鍵結(jié)構(gòu)按鍵電壓波形1.按鍵結(jié)構(gòu)及工作原理

單片機(jī)控制系統(tǒng)中廣泛使用的機(jī)械鍵盤的工作原理是：按下鍵帽時(shí)，按鍵內(nèi)的復(fù)位彈簧被壓縮，動(dòng)片觸點(diǎn)與靜片觸點(diǎn)相連，使按鍵的兩個(gè)引腳被接通，接觸電阻大小與按鍵觸點(diǎn)面積及材料有關(guān)，一般在數(shù)十Ω以下；松手后，復(fù)位彈簧將動(dòng)片彈開，使動(dòng)片與靜片觸點(diǎn)脫離接觸，兩引腳斷開?？梢?，機(jī)械鍵盤或按鈕的基本工作原理就是利用動(dòng)片和靜片觸點(diǎn)的接觸和斷開來實(shí)現(xiàn)鍵盤或按鈕兩引腳的通、斷。2/26/202452在理想狀態(tài)下，按鍵引腳電壓變化如圖7-20(a)所示。但實(shí)際上，在按鍵被按下或放開的瞬間，由于機(jī)械觸點(diǎn)存在彈跳現(xiàn)象，實(shí)際按鍵電壓波形如圖7-20（b）所示，即機(jī)械按鍵在按下和釋放瞬間存在抖動(dòng)現(xiàn)象，抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短與按鍵的機(jī)械特性有關(guān)，一般在5ms～10ms之間，而按鍵穩(wěn)定閉合期長(zhǎng)短與按鍵時(shí)間有關(guān)，從數(shù)百毫秒到數(shù)秒不等。為了保證按鍵由“按下”到“松手”之間僅視為一次或數(shù)次輸入（對(duì)于具有重復(fù)輸入功能的按鍵），必須在硬件或軟件上采取去抖動(dòng)措施，避免一次按鍵輸入一串?dāng)?shù)碼。2.按鍵波形2/26/2024537.5.2鍵盤電路形式

根據(jù)所需按鍵個(gè)數(shù)、I/O引腳輸出級(jí)電路結(jié)構(gòu)以及可利用的I/O引腳數(shù)目，確定鍵盤電路形式。2/26/2024541.直接編碼輸入鍵盤

通過檢測(cè)單片機(jī)I/O引腳電平狀態(tài)，判別有無按鍵輸入就構(gòu)成了直接編碼鍵盤，如圖7-19(b)所示。優(yōu)點(diǎn)是鍵盤接口電路簡(jiǎn)單，適用于僅需少量按鍵的場(chǎng)合2/26/2024552.矩陣鍵盤

當(dāng)系統(tǒng)所需按鍵個(gè)數(shù)較多時(shí)，為了減少鍵盤電路占用的I/O引腳數(shù)目，一般采用矩陣鍵盤形式，如圖7-22所示。在矩陣鍵盤電路中，行線是輸入引腳，列線是輸出引腳（當(dāng)然也可以倒過來，將行線作為輸出引腳，而列線作為輸入引腳）。2/26/2024562/26/2024577.5.3鍵盤按鍵編碼在鍵盤電路中，按鍵的個(gè)數(shù)不止一個(gè)，即存在鍵盤按鍵編碼（鍵值）問題。按鍵編碼與按鍵功能（即鍵名）有關(guān)聯(lián)，但又是兩個(gè)不同的概念。鍵盤電路結(jié)構(gòu)不同，確定鍵值的方式也不同，例如對(duì)于圖7-19這樣的簡(jiǎn)單鍵盤接口電路，將K0對(duì)應(yīng)的按鍵值定義為“0”；K1對(duì)應(yīng)的按鍵值定義為“1”；依此類推，K3對(duì)應(yīng)的按鍵值定義為“3”。對(duì)于圖7-22所示的矩陣鍵盤接口電路，確定鍵值的方法很多：可用行、列對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制值作為鍵值，例如當(dāng)列線P1.7～P1.4輸出的掃描信號(hào)為1110，如果P1.4與P1.0交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)按鍵，即第一個(gè)按鍵被按下時(shí)，從P1.3～P1.0口讀入的信息必然為1110，因此P1.0與P1.4交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的按鍵值為1110，1110（即0EEH）；同理，P1.0與P1.5交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的按鍵值為1101，1110（即0BEH）,P1.0與P1.7交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的按鍵值為0111，1110（即7EH）。但通過這種編碼方式獲得的鍵值分散性大，且不等距。因此，一般均按順序?qū)︽I盤按鍵進(jìn)行編碼，即將按鍵行列對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼作為掃描碼，查表轉(zhuǎn)換為鍵值。2/26/202458例如，可按如下順序?qū)D7-23所示矩陣鍵盤的按鍵進(jìn)行編號(hào)：將P1.0引腳對(duì)應(yīng)行線的行號(hào)定義為0，P1.1引腳對(duì)應(yīng)行線的行號(hào)定義為1，P1.2引腳對(duì)應(yīng)行線的行號(hào)定義為2，P1.3引腳對(duì)應(yīng)行線的行號(hào)定義為3；P2.0引腳對(duì)應(yīng)列線的列號(hào)定義為0，P2.1引腳對(duì)應(yīng)列線的列號(hào)定義為1，依次類推，P2.4引腳對(duì)應(yīng)列線的列號(hào)定義為4，則鍵盤任意按鍵的掃描碼=5×行號(hào)+列號(hào)（因?yàn)橐恍袨?列）或4×列號(hào)+行號(hào)（因?yàn)橐涣袨?行）。2/26/2024597.5.4鍵盤監(jiān)控方式在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，可采用查詢方式（包括隨機(jī)掃描方式和定時(shí)中斷掃描方式）或硬件中斷方式監(jiān)視鍵盤有無按鍵輸入。2/26/2024601.隨機(jī)掃描方式

在隨機(jī)掃描方式中，CPU完成某一特定任務(wù)后，執(zhí)行鍵盤掃描程序，以確定鍵盤有無按鍵被按下，然后根據(jù)按鍵功能執(zhí)行相應(yīng)的操作。但這種掃描方式因不能在執(zhí)行按鍵規(guī)定操作中檢測(cè)鍵盤有無輸入，失去了對(duì)系統(tǒng)的控制，很少采用。2/26/2024612.定時(shí)掃描方式

定時(shí)掃描方式與隨機(jī)掃描方式基本相同，利用CPU內(nèi)的定時(shí)中斷，每隔一定時(shí)間（10ms-50ms）掃描鍵盤有無按鍵被按下，鍵盤反映速度較快，在執(zhí)行按鍵功能規(guī)定操作過程中，可通過鍵盤命令進(jìn)行干預(yù)，如取消，或暫停等。在定時(shí)掃描方式中，為提高CPU利用率，盡量避免通過被動(dòng)延遲10ms～20ms方式等待按鍵穩(wěn)定閉合，建議在定時(shí)中斷服務(wù)程序中，用3個(gè)位存儲(chǔ)單元記錄最近三次定時(shí)中斷檢測(cè)到的按鍵狀態(tài)（可初始化為111態(tài)）。如果規(guī)定沒有按鍵被按下時(shí)為“1”，有按鍵被按下時(shí)為“0”，則按鍵狀態(tài)含義下：2/26/202462111——表示最近三次定時(shí)中斷均未發(fā)現(xiàn)按鍵被按下；110——表示前兩次定時(shí)中斷未檢測(cè)到按鍵被按下，只在本次定時(shí)中斷檢測(cè)到按鍵被按下，未延遲，還不能肯定按鍵被按下。100——表示最近兩次定時(shí)中斷檢測(cè)到按鍵被按下，且已延遲了一次定時(shí)中斷時(shí)間；對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，確定哪一按鍵被按下，并執(zhí)行按鍵規(guī)定的動(dòng)作。000——表示處于按鍵穩(wěn)定閉合期。001——按鍵可能處于釋放狀態(tài)。011——按鍵已經(jīng)釋放。010——在很短時(shí)間內(nèi)（小于兩次中斷時(shí)間）檢測(cè)到按鍵處于釋放狀態(tài)，視為干擾，作000態(tài)處理。101——在很短時(shí)間內(nèi)（小于兩次中斷時(shí)間間隔）檢測(cè)到按鍵處于按下狀態(tài)，視為干擾，作111態(tài)處理。再利用一字節(jié)內(nèi)部RAM單元保存按鍵值和按鍵有效標(biāo)志（在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，按鍵個(gè)數(shù)一般不超過64個(gè)，為減小內(nèi)存開銷，可使用該字節(jié)的b7位作為按鍵有效標(biāo)志），如下所示。這樣不僅記錄了最近按了哪一按鍵，也記錄是否已執(zhí)行了按鍵規(guī)定的操作。2/26/2024637.6并行接口及應(yīng)用實(shí)例

7.6.1MCS-51與并行輸入/輸出設(shè)備之間的連接

當(dāng)單片機(jī)芯片以并行方式與另一單片機(jī)芯片或并行輸入/輸出設(shè)備連接時(shí)，就涉及并行接口問題，在并行接口中主要涉及下列信號(hào)：(1)數(shù)據(jù)線及寬度。對(duì)于8位并行接口設(shè)備來說，數(shù)據(jù)線寬度為8位，即D7～D0；對(duì)16位并行接口來說，數(shù)據(jù)線寬度為16位，即D15～D0。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，由于I/O引腳限制，數(shù)據(jù)線寬度也可能只有4位(D3～D0)，即一個(gè)字節(jié)分兩次傳送。2/26/202464(2)

選通脈沖(Strobe)。由輸出設(shè)備提供，輸入設(shè)備用信號(hào)鎖存數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。至于采用低電平有效，還是高電平有效由并行通信協(xié)議決定。(3)

應(yīng)答信號(hào)(Acknowledge)。由輸入設(shè)備提供，當(dāng)輸入設(shè)備已讀取了數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)時(shí)，向輸出設(shè)備回送的應(yīng)答信號(hào)。此外，一些高速并行輸入設(shè)備，如并行接口打印機(jī)帶有一定容量的輸入緩沖器，可連續(xù)接收輸入數(shù)據(jù)，在這類并行設(shè)備中多使用Busy（輸入設(shè)備忙）聯(lián)絡(luò)信號(hào)代替應(yīng)答信號(hào)。輸出設(shè)備將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線，并給出選通信號(hào)后，如果檢測(cè)到Busy信號(hào)無效，就接著輸出下一數(shù)據(jù)，直到Busy信號(hào)有效為止（表示輸入緩沖器滿）。2/26/202465MCS-51與并行輸出/輸入設(shè)備之間可按圖7-25所示連接。圖7-25MCS-51與并行輸入/輸出設(shè)備之間的連接2/26/2024667.6.2MCS-51與并行打印機(jī)之間的連接

1.并行打印機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)并行打印機(jī)一般采用與Centronic標(biāo)準(zhǔn)兼容的DB-25并行接口，各信號(hào)含義如表7-9所示，DB-25插座引腳編號(hào)、信號(hào)時(shí)序如圖7-26所示。2/26/202467表7-9Centronic并行接口標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)引腳編號(hào)信號(hào)名稱信號(hào)流向(輸入/輸出)含義1輸入，低電平有效輸入選通脈沖2～9D0～D7輸入數(shù)據(jù)總線。由主控設(shè)備，如計(jì)算機(jī)主機(jī)向打印機(jī)輸出控制命令及數(shù)據(jù)。10輸出，低電平有效打印機(jī)應(yīng)答信號(hào)。表明打印機(jī)已可靠接收了主機(jī)輸出的數(shù)據(jù)。11Busy輸出，高電平有效打印機(jī)忙信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)有效時(shí)，表示打印機(jī)忙（即打印機(jī)輸入緩沖器滿，不能再接收數(shù)據(jù)）。12PE輸出，高電平有效打印機(jī)缺紙。當(dāng)PE為高電平時(shí)，表示打印機(jī)處于缺紙狀態(tài)。13SEL輸出，高電平有效聯(lián)機(jī)信號(hào)。當(dāng)SEL為低電平時(shí)，表明打印機(jī)處于脫機(jī)狀態(tài)(如打印電纜未連接或用戶觸發(fā)聯(lián)機(jī)按鈕造成脫機(jī))14備用15輸出，低電平有效出錯(cuò)。當(dāng)輸入命令有錯(cuò)時(shí)，該信號(hào)有效16～17備用18～25GND接地2/26/202468圖7-26并行打印機(jī)插座引腳編號(hào)及信號(hào)時(shí)序

2/26/2024692.MCS-51與并行打印機(jī)之間連接實(shí)例當(dāng)I/O引腳資源不緊張時(shí)，并行打印機(jī)各信號(hào)線直接掛接在MCS-51的I/O引腳上，如圖7-27(a)所示；當(dāng)I/O引腳資源緊張時(shí)，可通過并行I/O口擴(kuò)展芯片，如8255與并行打印機(jī)相連，如圖7-27(b)所示。為充分利用8255功能，當(dāng)8255通過PA口輸出打印數(shù)據(jù)時(shí)，最好將8255芯片A口置為方式1（即選通輸出方式），這時(shí)PC7是輸出緩沖器滿信號(hào)，將它作為打印機(jī)選通脈沖；打印機(jī)應(yīng)答信號(hào)接PC6引腳，8255中斷請(qǐng)求INTR為高電平有效，可通過NPN三極管反相后接MCS-51外中斷輸入端。2/26/202470圖7-27MCS-51與并行打印機(jī)的連接2/26/2024717.7光電耦合器件接口電路

光電耦合器件是將砷化鎵制成的發(fā)光二極管(發(fā)光源)與受光源(如光敏三極管、光敏晶閘管或光敏集成電路等)封裝在一起，構(gòu)成電－光－電轉(zhuǎn)換器件，

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7-28所示。

從發(fā)光二極管特性看出：發(fā)光強(qiáng)度與流過發(fā)光二極管中的電流大小有關(guān)，這樣就將輸入回路中變化的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為變化的光信號(hào)，而光敏三極管中集電極電流大小與注入的光強(qiáng)度有關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了“電－光－電”的轉(zhuǎn)換。由于輸入回路與輸出回路之間通過光實(shí)現(xiàn)耦合，因此光電耦合器件也稱為光電隔離器件，或簡(jiǎn)稱光耦。

2/26/202472圖7-28光耦結(jié)構(gòu)及等效電路

2/26/202473晶體管輸出的光電耦合器件與單片機(jī)的基本接口電路如圖7-29所示，其中輸入回路的工作原理與LED發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路相同，當(dāng)單片機(jī)I/O引腳輸出低電平時(shí)，7407輸出級(jí)飽和導(dǎo)通，光耦內(nèi)部的LED發(fā)光，工作電流If=(Vcc