第10章單片機(jī)iO口擴(kuò)展及應(yīng)用-08

1西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院第10章單片機(jī)I/O口擴(kuò)展及應(yīng)用

2西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院7.1單片機(jī)為什么要I/O擴(kuò)展

MCS-51單片機(jī)本身具有較強的接口能力。對于8051/8751組成的系統(tǒng)，P0～P3口均可作I/O口使用，共有32根I/O口線。同時他們都可以驅(qū)動小功率的元件，如門電路或發(fā)光二極管等。但作用有限。3西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院7.1.2為什么要擴(kuò)展I/O口1.單片機(jī)接口功能有限。口的數(shù)量以及在控制功能等方面欠缺。

除P1口外，其他口都是多功能的。

P0口：用作I/O和數(shù)據(jù)總線和低8位地址總線。

P2口：用作I/O和作高8位地址總線。

P3口：用作I/O第二功能：

P3.0：RxDP3.4：T0P3.1：TxDP3.5：T1P3.2：INT0P3.6：WDP3.3：INT1P3.7：RD2.有時無法滿足復(fù)雜接口需要。主要表現(xiàn)有

·速度差異大：高速、低速

·設(shè)備種類繁多：機(jī)械、機(jī)電、電子

·數(shù)據(jù)信號多種多樣：電壓、電流、數(shù)字、模擬4西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院3.擴(kuò)展I/O口能實現(xiàn)的功能

·速度協(xié)調(diào)：單片機(jī)與外設(shè)進(jìn)行異步通訊，只有在外設(shè)好的情況下才能傳送。

·輸出數(shù)據(jù)鎖存：保證數(shù)據(jù)在總線上的保留足夠時間。

·輸入數(shù)據(jù)三態(tài)緩沖：工作數(shù)據(jù)與總線連接，其他必須與總線隔離。

·數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：單片機(jī)只能輸入輸出數(shù)字信號，接口需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。 增強驅(qū)動能力。7.1.3I/O口的相關(guān)技術(shù)1.接口（interface）與端口（port）：

接口：計算機(jī)與外設(shè)間的數(shù)據(jù)聯(lián)系。接口需要有數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器、命令寄存器。且寄存器可以編址、可讀寫。

端口：接口電路中可編址、可讀寫的寄存器叫做端口（口）。一個接口可以包含多個端口，用戶要了解端口的設(shè)置和編址情況。5西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院2.數(shù)據(jù)總線隔離技術(shù) 單片機(jī)接口都掛在總線上，但是每一時刻只能對一個源或負(fù)載進(jìn)行操作，因此要用到總線隔離技術(shù)。方法：使用三態(tài)緩沖電路或稱三態(tài)門（TSL） 技術(shù)要求：速度快，信號延遲時間短。 高阻抗，對數(shù)據(jù)總線不呈現(xiàn)負(fù)載。3.單片機(jī)I/O口編址技術(shù) 單片機(jī)必須能夠找到需要查找的口，因此需要進(jìn)行口的編址。

·獨立編址 將存儲器和口分開編址。使其相互獨立、界限分明。但需要硬件和命令的滿足。如Z80的IN和OUT指令。

·統(tǒng)一編址

“存儲器映象”編址方式。使用存儲器指令進(jìn)行讀寫I/O口，不需專門指令。簡單、方便、功能強。缺點是指令長且執(zhí)行速度慢。6西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院7.1.4單片機(jī)I/O口控制方式 單片機(jī)使用：無條件傳送、查詢、中斷三種控制方式1、無條件傳送 同步程序傳送。不需測試設(shè)備狀態(tài)，可隨時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 適合的設(shè)備有：

·常駐數(shù)據(jù)信號（機(jī)械開關(guān)、指示燈、二極管、數(shù)碼管）可視為“隨時好”。

·工作速度快，足以和單片機(jī)同步的設(shè)備7西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院2、查詢方式 又稱有條件傳送方式。在進(jìn)行I/O口操作前，先檢測（查詢）設(shè)備狀態(tài)，了解設(shè)備是否準(zhǔn)備好。優(yōu)點：軟硬結(jié)合，電路簡單，適用于各種設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送。 缺點：查詢時消耗單片機(jī)資源。 適用條件：單道作業(yè)，規(guī)模較小的單片機(jī)系統(tǒng)。3、中斷方式 程序中斷方式。被動查詢。設(shè)備準(zhǔn)備好后，向單片機(jī)發(fā)出中斷請求。 中斷方式大大提高了效率，好像與單片機(jī)并行工作，但中斷造成的CPU開銷也不小。 使用條件：任何設(shè)備都可以。8西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院7.2簡單I/O口擴(kuò)展

I/O口數(shù)據(jù)傳送指令

輸出：

9西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院MOVPx,AMOVPx,RnMOVPx,@RiMOVPx,direct輸入：MOVA,PxMOVRn,PxMOV@Ri,PxMOVdirect,Px位操作指令：MOVCLRSETBCPLJBJNBJBC其他命令：ANLORLXRLINCDECDJNZCJNE10西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院7.2簡單I/O口擴(kuò)展7.2.1簡單輸入口 如果其輸入輸出是一些簡單的開關(guān)量，若采用一些可編程的專用接口芯片往往價格比較高，可以采用TTL或CMOS電路的芯片。輸入用三態(tài)緩沖器，如74LS244、74LS245等。這些芯片結(jié)構(gòu)簡單，配置靈活方便，比較容易擴(kuò)展使系統(tǒng)降低了成本縮小了體積。11西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院多輸入口擴(kuò)展使用或非門（74LS32），只有RD和線選信號同時有效，才能讀入。12西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院例題：1#口地址為7FFFH，2#口地址為0BFFFHI片，011111111111

11117FFFII片，101111111111

1111BFFF13西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院7.2.2簡單輸出口擴(kuò)展

主要目的是進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存。74LS273、74LS373、74LS37774LS377為帶有允許輸出端的8D鎖存器， 有8個D輸入端，

8個Q輸出端， 一個時鐘輸入端CLK， 一個鎖存允許信號。當(dāng)=0時，CLK端信號的上升沿，把8D輸入端的數(shù)據(jù)打入8位鎖存器。

利用74LS377這些特性，通過P0口擴(kuò)展一片74LS377鎖存器作輸出口，該鎖存器被視為一個外部RAM單元。使用

MOVX@DPTR，A類指令訪問之，輸出控制信號/WR為，接口邏輯如圖所示。

14西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院WR信號由0變1時寫入鎖存器。74LS377是D觸發(fā)器，上升沿有效。10.3可編程并行接口芯片Intel8155

8155內(nèi)有：兩個8位并行I/O端口、

一個6位并行I/O端口、

256B的靜態(tài)RAM、

一個14位的減法定時/計數(shù)器。10.3.18155的結(jié)構(gòu)和引腳（1）結(jié)構(gòu)組成10.3.18155的結(jié)構(gòu)和引腳IO/M：RAM或I/O口的選擇線當(dāng)CS=0，IO/M=0時，8155只能做片外RAM使用，共256B。其尋址范圍由以及AD0～AD7的接法決定，這和第8章講到的片外RAM的擴(kuò)展方法相同。同時，對8155內(nèi)RAM的操作也使用片外RAM的讀/寫指令“MOVX”。當(dāng)對系統(tǒng)同時擴(kuò)展片外RAM芯片和8155的RAM時，要注意二者的編址問題。

為高電平時，對3個I/O端口以及命令/狀態(tài)寄存器和定時/計數(shù)器進(jìn)行操作。內(nèi)部寄存器共有6個。CS：片選線，低電平有效。10.3.18155的結(jié)構(gòu)和引腳定時/計數(shù)器的脈沖輸入、輸出線TIMERIN是脈沖輸入線，其輸入每一個脈沖對8155內(nèi)部的14位定時/計數(shù)器減1；TIMEROUT為輸出線，當(dāng)計數(shù)器計滿回0時，8155從該線輸出脈沖或方波，波形形狀由計數(shù)器的工作方式?jīng)Q定。常和單片機(jī)的ALE端相連10.3.2I/O口及其工作方式（1）寄存器地址分配

當(dāng)CS=0，IO/M=1時，對3個I/O端口以及命令/狀態(tài)寄存器和定時/計數(shù)器進(jìn)行操作。內(nèi)部寄存器共有6個。8155的口地址分配AD7～AD0選中的寄存器AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0×××××000命令/狀態(tài)寄存器×××××001A口×××××010B口×××××011C口×××××100定時/計數(shù)器低8位寄存器×××××101定時/計數(shù)器高8位寄存器（2）命令/狀態(tài)字（一個單元）①命令字，只能寫，用MOVX@DPTR/Ri,A

②狀態(tài)字,只能讀，用MOVXA,@DPTR/Ri狀態(tài)字也是8位，但實際上只使用了7位。狀態(tài)字用于寄存各端口及定時/計數(shù)器的工作狀態(tài)。10.3.3I/O口的工作方式A口和B口：通用輸入/輸出口，主要用于數(shù)據(jù)的I/O傳送，它們都是數(shù)據(jù)口，因此只有輸入和輸出兩種工作方式。C口：6位口，它既可以用于數(shù)據(jù)的輸入/輸出，也可以作為控制口，用于傳送對A口和B口I/O操作時的控制信號或狀態(tài)信號。C口有四種工作方式，分別是：方式0：輸入方式；方式1：輸出方式；方式2：A口控制端口方式；方式3：A口和B口控制端口方式。

當(dāng)A口和B口以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，所需的聯(lián)絡(luò)信號由C口提供。INTR：中斷請求信號（輸出），高電平有效。BF：緩沖器滿狀態(tài)信號（輸出），高電平有效。STB：選通信號（輸入），0有效。外設(shè)應(yīng)答信號（輸出）C口線不同工作方式的功能方式1輸入方式方式2輸出方式方式3A口控制方式4A口和B口控制PC0PC1PC2PC3PC4PC5全部為輸入全部為輸出AINTRABFASTB

輸出輸出輸出AINTRABFASTBBINTRBBFBSTB10.3.48155的定時/計數(shù)器（1）定時/計數(shù)器的寄存器格式

14位的減法計數(shù)器。8155定時/計數(shù)器的寄存器格式高8位低8位M2M1T13T12T11T10T9T8T7T6T5T4T3T2T1T0輸出波形定時初始值（14位）輸出方式在TIMERIN端輸入計數(shù)脈沖，計滿時由TIMEROUT輸出脈沖或方波，輸出方式由定時/計數(shù)器高8位寄存器中的M2和M1決定。當(dāng)TIMERIN外接脈沖時為計數(shù)方式，外接系統(tǒng)時鐘時為定時方式。②8155的定時/計數(shù)器只有一種工作方式，即14位的計數(shù)器，而MCS-51的單片機(jī)有多種工作方式。（2）8155定時/計數(shù)器與MCS-51單片機(jī)定時/計數(shù)器的差異①8155的定時/計數(shù)器是減法計數(shù)，而MCS-51單片機(jī)的定時/計數(shù)器是加法計數(shù)，因此，二者確定初始值的方法不同。③8155和MCS-51的定時/計數(shù)器都有定時和計數(shù)兩種功能，但對于8155的定時/計數(shù)器，不管是定時，還是計數(shù)，其計數(shù)脈沖都由外部提供，即由TIMERIN輸入。④當(dāng)MCS-51的定時/計數(shù)器計滿時置位溢出標(biāo)志位TF，而8155的定時/計數(shù)器在計滿后由TIMEROUT

輸出不同形式的波形。

（3）定時/計數(shù)器的初始化①設(shè)置定時/計數(shù)器初始值定時/計數(shù)器的14位初始值（0~214-1）由CPU分別寫入8155定時/計數(shù)器的低8位和高8位寄存器。②設(shè)置輸出方式輸出方式的設(shè)置如前面表中。③設(shè)置工作狀態(tài)定時/計數(shù)器的工作狀態(tài)由8155命令字的最高兩位——TM2和TM1位決定。P236當(dāng)TM2、TM1=00時：空操作，無任何動作，不影響計數(shù)器的工作。

=01時：停止計數(shù)。

=10時：如果計數(shù)器未啟動，則空操作；若計數(shù)器正在工作，則計數(shù)器繼續(xù)工作至減到0時停止；

=11時：啟動計數(shù)器。

8155使用時，通常是先送計數(shù)長度和輸出方式的兩個字節(jié)，然后再送命令字到命令寄存器控制計數(shù)器的啟停。10.3.5MCS-51單片機(jī)與8155的連接一種連接方式例10-2

編寫8155定時器作100分頻器的程序。設(shè)8155命令/狀態(tài)寄存器的地址為0。解：因為8155是減數(shù)計數(shù)器，所以100分頻時，應(yīng)減數(shù)的初值為100，每計數(shù)達(dá)到100時輸出一個電平恒定的信號，在下一個100計滿時，輸出電平取反，則輸出是一個連續(xù)的方波，故M2M1=01。高8位寄存器的初始值應(yīng)為40H(01000000)，低8位寄存器的初始值為64H（100）(01100100)。若在裝入初值后就啟動定時/計數(shù)器，則TM2、TM1=11。因為與A、B、C口的控制無關(guān)，因此命令字為0C0H。若/CS接地，則8155命令/狀態(tài)寄存器的地址為0000H。則低8位和高8位寄存器的地址分別為0004H和0005H。另外在TIMERIN端輸入一定頻率的信號，在TIMEROUT端接示波器，就可觀察輸出的波形。ORG 0000HMAIN:MOVDPTR,#0004 ；低8位寄存器

MOVA,#100 ；計數(shù)初始值

MOVX@DPTR,A ；裝入初始值

INC DPTR ；高8位寄存器

MOVA,#40H ；連續(xù)方波

MOVX@DPTR,A ；裝入高8位寄存器

MOVDPTR,#0000 ；命令寄存器MOVA,#0C0H ；TM2、TM1=11MOVX@DPTR,A ；裝入命令字，啟動計數(shù)器

SJMP $ENDC51語言參考程序如下：

#include<reg51.h> #include<absacc.h> #definePORTCONXBYTE[0x0000] #defineREGLOW XBYTE[0x0004] #defineREGHIGH XBYTE[0x0005] main() { REGLOW=100; REGHIGH=0x40; PORTCON=0xc0; while(1);}例10-3

如下圖，要求從8155的A口每隔1s讀入一次開關(guān)量，然后從B口輸出給8個發(fā)光二極管。假設(shè)8051的fOSC=6MHz。命令字：02HA口入B口輸出8155的口地址分配AD7～AD0選中的寄存器AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0×××××000命令/狀態(tài)寄存器×××××001A口×××××010B口×××××011C口×××××100定時/計數(shù)器低8位寄存器×××××101定時/計數(shù)器高8位寄存器P2.7--/CS，P2.6—IO/(/M)7FF8H-01111111111110007FF9H-01111111111110017FFAH-0111111111111010 ORG 0000HMAIN:

MOV DPTR,#7FF8H ；8155命令寄存器地址 MOV A,#02H ；命令字 MOVX @DPTR,A

LOOP:MOV DPTR,#7FF9H ；讀A口

MOVX A,@DPTR

MOV DPTR,#7FFAH ；寫B(tài)口

MOVX @DPTR,A ACALLDEL1S SJMP LOOPDEL1S:MOV R5,#10 ；延時1sDEL1: MOV R6,#200DEL2: MOV R7,#125DEL3: DJNZ R7,DEL3 DJNZ R6,DEL2 DJNZ R5,DEL1 RET END#include<absacc.h>chara;voiddelay1s(){unsignedint

i,j;for(i=1000;i>0;i--)

for(j=62;j>0;j--);//6MHz}main(){while(1){XBYTE[0x7ff8]=2;a=XBYTE[0x7ff9];XBYTE[0x7ffa]=a;delay1s();}}42西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院7.58279可編程鍵盤/顯示器接口芯片10.5鍵盤接口擴(kuò)展單片機(jī)使用的鍵盤分為獨立式和矩陣式。

⑴獨立式按鍵

獨立式按鍵是每個按鍵占用一根I/O端線。

特點：①各按鍵相互獨立，電路配置靈活；②按鍵數(shù)量較多時，I/O端線耗費較多，電路結(jié)構(gòu)繁雜；③軟件結(jié)構(gòu)簡單。適用于按鍵數(shù)量較少的場合。

43西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院44西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院⑵矩陣式鍵盤

I/O端線分為行線和列線，按鍵跨接在行線和列線上，按鍵按下時，行線與列線發(fā)生短路。

特點：①占用I/O端線較少；②軟件結(jié)構(gòu)教復(fù)雜。適用于按鍵較多的場合。

按鍵的過程有2步：鍵的識別（硬件） 按鍵功能實現(xiàn)（軟件）。其中鍵盤識別分為：鍵盤掃描 鍵的識別 產(chǎn)生鍵碼 排除多鍵、去抖動45西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院鍵盤接口有 單片機(jī)芯片并口 單片機(jī)芯片串口 通用芯片：8255、8155

專用芯片：82797.7顯示器接口技術(shù)7.7.1led顯示接口

LED顯示原理

·共陽極接法

·共陰極接法46西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院LED數(shù)碼管顯示分類：靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。⑴靜態(tài)顯示方式，每一位字段碼分別從I/O控制口輸出，保持不變直至CPU刷新。特點：編程較簡單，但占用I/O口線多，一般適用于顯示位數(shù)較少的場合。47西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院⑵動態(tài)顯示方式，在某一瞬時顯示一位，依次循環(huán)掃描，輪流顯示，由于人的視覺滯留效應(yīng)，人們看到的是多位同時穩(wěn)定顯示。特點：占用I/O端線少，電路較簡單，編程較復(fù)雜，CPU要定時掃描刷新顯示。一般適用于顯示位數(shù)較多的場合。48西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院49西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院50西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院51西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院7.38255A可編程通用并行接口芯片7.3.1概述

Intel公司的80/85系列接口電路都可以直接與MCS-51接口。常用的接口器件為：

8255：可編程通用并行接口電路；

8253/8254：可編程定時/計數(shù)器；

8155/8156：可編程RAM/IO/TIMER擴(kuò)展芯片；

8251：可編程串行接口電路；

8279：可編程鍵盤顯示接口電路；以上器件最大的特點是工作方式的確定和改變需要軟件實現(xiàn)。因此稱為可編程接口芯片。7.3.28255的邏輯結(jié)構(gòu)和信號引腳 電路按功能分為三部分：口電路、總線接口電路、控制邏輯電路。52西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院1、口電路

3個8位口，

A口：8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器和8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器。

B口：8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器和8位數(shù)據(jù)輸入/輸出鎖存器/緩沖器。

C口：8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器和8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器。還可分為2個4位口，又可以控制。數(shù)據(jù)傳送時：A與C高4位合稱A組

B與C低4位合稱B組53西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院2、總線接口電路用于實現(xiàn)8255與單片機(jī)的連接的

·數(shù)據(jù)總線緩沖器。

·讀寫控制邏輯00選A01選B10選C11選控制字54西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院3、控制邏輯電路包括A組控制和B組控制，和在一起構(gòu)成8位控制寄存器。用于存放各口的工作方式控制字。讀8255寫825555西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院7.2.38255工作方式及數(shù)據(jù)I/O操作1、工作方式

8255有三種可通過編程來選擇的基本工作方式：

方式0：基本輸入輸出方式；適用于無條件數(shù)據(jù)傳送合查詢方式的數(shù)據(jù)傳送。

方式1：選通輸入輸出方式；AB口為數(shù)據(jù)傳送，C口為數(shù)據(jù)傳送聯(lián)絡(luò)信號。

方式2：雙向傳送方式(僅A口)。·方式0

是一種基本的輸入/輸出方式。在這種工作方式下，三個端口的每一個都可由程序選定作為輸入或輸出，任一端口都可由簡單的傳送指令來讀或?qū)懀糜跓o條件傳送十分方便。基本功能為：①兩個8位端口(A，B)，和兩個4位端口(C)。②任一個端口可作輸入或輸出。③輸出是鎖存的。④輸入不是鎖存的。在MCS-51系統(tǒng)中，只要執(zhí)行MOVXA，@DPTR和MOVX@DPTR，A類指令，便可完成輸入/輸出操作。56西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院·方式1的操作功能

這是一種選通I/O方式，在這種方式下，PA口或PB口仍作數(shù)據(jù)端口輸入/輸出，但同時規(guī)定PC口的某些位作為控制或狀態(tài)信息。主要功能：①用作一個或兩個選通I/O端口。②每一個端口包含8位數(shù)據(jù)線，三條控制線(是固定的，不能用編程改變)提供中斷邏輯。③任一端口都可作輸入或輸出。④若只有一個端口工作于方式1，余下13位可工作在方式0(由控制字決定)。⑤若兩個端口都工作于方式1，C口還剩下兩位可由程序指定為位的輸入或輸出，即具有置/復(fù)位功能。57西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院2.數(shù)據(jù)輸入操作連外設(shè)連單片機(jī)連單片機(jī)連單片機(jī)連外設(shè)INTR----中斷請求信號，高電平有效。表示數(shù)據(jù)已被取走，請求CPU繼續(xù)輸入信號，由/WR下降沿復(fù)位。連單片機(jī)58西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院1輸入單片機(jī)單片機(jī)外設(shè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)00變1數(shù)據(jù)