任務2.38位流水燈

1、2.3 8位流水燈任務三 8位流水燈2.3.1 任務內容 流水燈在我們的日照生活中有著非常多的應用，如廣告牌的設計和節(jié)日彩燈的設計都用到它的原理。本節(jié)的任務是把開發(fā)板上的8個發(fā)光二極管依次點亮。另外一IO口接外部電平，高電平時流水燈從左向右依次點亮，低電平時流水燈從右向左依次點亮。2.3.2 知識準備1、單片機IO的構造在上一單元中發(fā)光二極管閃爍的實例中，I/O控制小燈閃爍，只需在Keil中對I/O寫0、和寫1就可以了，使用起來非常簡單。但是在實際應用中如果不了解I/O的特點，設計的電路存在缺陷，I/O應用起來未必會得心應手。初學者不必深究I/O控制原理，但至少得弄明白幾個基本的概念，這對后期

2、學習高檔單片機也很有幫助。在I/O構造電路中，有三極管（實際上是MOS管）、鎖存器等，我們先來學習一下這兩個基本器件的特點。（1） 三極管在I/O構造電路中，有一個器件是MOS管，I/O能對外輸出高低電平全依賴MOS管的導通與否。MOS管和三極管在外特性很相像，由于我們更熟悉三極管，所以這里講解三極管。三極管是模擬電路和數字電路的基石。在模擬電路中，三極管主要用于放大弱信號。在數字電路中，三極管更多作為開關管來使用。三極管的基本結構是兩個反向聯(lián)結的的PN接面，如圖所示，有NPN和PNP兩種組合。三個接出來的端點依次被稱為發(fā)射極（E）、基極（B）和集電極（C）。圖中也顯示了NPN和PNP三極管的

3、電路符號，射極被特別標出，箭頭由外指向內的是NPN，由內指向外的是PNP。 PNP三極管 NPN三極管圖2.3.1 PNP三極管和NPN三極管NPN三極管電流由基極和集電極流入，發(fā)射極流出；而PNP三極管則相反，從發(fā)射極流進，從基極和集電極流出。不管是NPN三極管還是PNP三極管，都滿足這樣幾個特性：三個極之間的電流的關系為：流進的=流出的，即IB+IC=IE。：Ic大小跟Ib有關：Ib為0，則Ic也為0；Ib從0開始增大，Ic也跟著增大，而且在這一過程中，Ic=Ib，其中 為放大倍數，不同三極管 不一樣，從幾十到幾百倍；當Ic的值到了極限時，Ib再增大，Ic也不再跟著增大了。：基極和發(fā)射極之

4、間可以等效成一個二極管，要獲得基極電流，基極電壓要高于發(fā)射極電壓0.60.7V，而且一旦導通之后，這個電壓基本保持不變。三極管本質上是一個以弱控強的器件，大家可以想象一下用一個閥門控制大壩匝門的情形。當閥門關閉時，大壩匝門也關閉，水流就不能從上游流到下游去，對應三極管，即沒有IB，則也沒有IC，這一區(qū)域稱為“截止區(qū)”；轉動閥門，大壩的匝門也跟著開啟，閥門擰的圈數越多，匝門的開合度也越大，從上游到下游的水流也越大，對應三極管，則為Ic= Ib，這一狀態(tài)稱為“放大區(qū)”；當大壩匝門完全開啟，再擰閥門，匝門的開合度已經到了最大值，水流不能再增大了，對應三極管，即當Ic的值到了極限時，Ib再增大，Ic也

5、不再跟著增大了，這一區(qū)域稱之為“飽和區(qū)”。下面結合圖2.3.2的電路通過實驗對三極管的三個區(qū)做一下測試。 （a）實驗原理圖 （b）在面包板上實驗測數據 圖2.3.2 三極管特性實現(xiàn)電路講究理論與實踐的統(tǒng)一，說白了就是在學完理論后，只要有條件，一定要動手做實驗，來驗證理論的正確性，這樣才會真正理解電路的特性。對于一些簡單的實驗，推薦使用如圖2.3.2所示的面包板板來驗證。圖中三極管型號為較為常用的直插中小功率NPN三極管8050，VCC=5V?；鶚O限流電阻Rb,阻值10K，集電極電阻RC阻值510。三極管的基極電壓由3296電位器提供，通過旋轉電位器，不斷調整A點電位，讓A點電位以0.2V的步進

6、升高，從0V到5V，然后用萬用表測試A點、B點和C點電壓，Ib=（Ua-Ub)/Rb，Ic=(VCC-Uc)/Rc，=Ic/Ib。 表2.3.1 三極管實現(xiàn)數據表Ua(V)Ub(V)URb（V）Ib(uA)Uc(V)URc(V)Ic(uA)0.2030.2030050000.4010.4010050000.5980.5560.0420.5674.9840.01631.37255.30.8120.620.1922.5944.7220.2785452101.0030.6380.3654.9324.4060.59411652361.2010.6480.5537.4734.0910.909178223

7、81.3990.6550.74410.0543.7851.21523822391.6020.6620.9412.7023.4551.54530292382.0010.6711.3312.7922.8022.19843092392.4030.6781.72523.3112.1712.82955472362.7990.6862.11328.5541.5663.43467332363.2060.6922.51433.9720.9614.03980782383.6020.6982.90439.2430.4124.58889962294.0030.7023.30144.6080.1714.8299468

8、2124.2010.7023.49947.2830.1434.85795232014.3920.7033.68949.8510.1354.86595391914.5970.7033.89452.6210.1324.86895451814.7970.7034.09455.3240.1294.87195501734.9850.7034.28257.8640.1244.8769560165當A點電壓<0.598V時（A點電壓為0.203V和0.401V），B點電壓和A點電壓相同，C點電壓與電源VCC相同，這說明在這段區(qū)間內，基極電流為0（電阻Rb上沒有壓降），集電極電流也為0（電阻Rc上沒有壓

9、降）。這段區(qū)域我們稱之為截止區(qū)。當A點電位超過0.6V后，基極和集電極都有電流，而且在一段區(qū)間內，隨著輸入電壓的提高，集電極電流和基極電流都跟著升高，但其比值是不變的（=238）。三極管的輸出端滿足VCC=Ic*Rc+UCE，URc升高，UCE下降，這段區(qū)域我們稱之為放大區(qū)，Ic=Ib。由關系式VCC=Ic*Rc+UCE可以看出，隨著Ic的增大，UCE減低，當UCE接近0V時，Ic到達最高值，再往后，集電極電流不再跟隨基極電流變化。從實驗數據可以看出，A點電壓超過4V后，C點電位下降至0.1V后，集電極電流和基極電流不再成比例關系。這段區(qū)域我們稱之為飽和區(qū)。基極電流再升高，UCE間始終存在0.

10、1V左右的電壓，我們稱之為飽和壓降。 在單片機應用電路中，三極管作為開關管來使用，三極管工作于截止區(qū)和飽和區(qū)。在截止區(qū)時，三極管的CE之間如同一個開關斷開時，CE之間沒有電流通過；而在飽和區(qū)時，三極管的CE之間如果一個開關導通一樣，CE之間以最大電流通過，所以我們把三極管工作于這兩個區(qū)的狀態(tài)稱之為開關。（2）D觸發(fā)器在實際的數字系統(tǒng)中往往包含大量的存儲單元，而且經常要求他們在同一時刻同步動作，為達到這個目的，在每個存儲單元電路上引入一個時鐘脈沖（CLK）作為控制信號，只有當CLK到來時電路才被“觸發(fā)”而動作，并根據輸入信號改變輸出狀態(tài)。把這種在時鐘信號觸發(fā)時才能動作的存儲單元電路稱為觸發(fā)器。D

11、觸發(fā)器是觸發(fā)器的一種。圖2.3.2是D觸發(fā)器的內部構造圖。 圖2.3.2 D觸發(fā)器內部構造D觸發(fā)器的方程為Q=D，即輸出Q的值等于輸入D的值，但這種情況只發(fā)生在時鐘的上升沿。在時鐘上升沿到來之前，即使輸入發(fā)生改變，輸出也不會立即改變。（3）P1口、P2口和P3口的內部構造51單片機的P1口、P2口和P3口的構造大同小異，在這里暫且把他們當成是同一類型。圖2.3.3中是這些I/O口的內部構造圖。在圖2.3.3中，P1、P2、P3口輸出端是一個接上拉電阻的MOS管，漏極輸出，考慮到初學者對MOS管不太熟悉，而MOS管和三極管的外特性相似，我們暫且把MOS管當成是NPN型的三極管來講解，即圖中三極管

12、發(fā)射極接地，集電極輸出電平。我們要把I/O口置成高電平，需要在程序中對I/O口寫“1”，D鎖存器的輸入端為高電平“1”，則D觸發(fā)器的反相輸出端輸出低電平，則NPN三極管截止，輸出端對外呈現(xiàn)高電平；反之，當我們在程序中寫“0”,D觸發(fā)器的反相端輸出高電平，三極管飽和導通，輸出低電平。因內部上拉電阻R的阻值較大，所以稱之為弱上拉輸出。圖2.3.3 P1、P2和P3口的內部構造（4）P0內部構造圖2.3.4是P0口的內部構造圖。與P1、P2和P3口相比，P0口構造比較特殊。P0口既可以作為普通I/O口使用，也可以作為擴展存儲器的地址/數據線使用。P0口怎樣作為地址/數據總線來使用，我們暫且不要理會，

13、但地址/數據總線的輸出形式值得一提，從圖上可以看出，MUX開關打向上邊，IO作為地址/數據用，MOS管T1和T2輪流導通，這種形式成為推挽輸出。這種雙管輪流導通的方式是AVR/PIC等單片機I/O口輸出的主要形式，輸出和輸入都具有大電流。P0口用作普通I/O時，MUX開關打向D鎖存器的輸出端，D鎖存器只能控制MOS管T2，對MOS管T1不起作用，MOS管T1截止。P0口用作普通I/O時，和P1、P2和P3口類似，不同之處在于，由于MOS管T1截止，MOS管T2沒有電源和上拉電阻，即T2漏極開路，。所以P0口作為普通IO使用，還需在P0口的外部接上拉電阻。我們的開發(fā)板上外接了5.1K的排阻。 圖

14、2.3.4 P0口內部構造 圖2.3.4 P0口內部構造 2、拉電流與灌電流 拉電流和灌電流是衡量數字電路輸出驅動能力的參數。數字電路的輸出只有高、低（即“0”和“1”）兩種電平值，高電平輸出時，一般是輸出端對負載提供電流，其提供電流的叫“拉電流”；低電平輸出時，一般是輸出端要吸收負載的電流，其吸收電流的叫“灌電流”。如圖2.3.5所示。P2.1置“0”，低電平，電流從電源VCC經負載流入P2.1，稱之為“灌電流”。P2.0置“1”，高電平，電流從芯片引腳P2.0流出，稱之為“拉電流”。 圖2.3.5 拉電流和灌電流灌電流越大，輸出端MOS管的飽和壓降就會越大，則輸出低電平則會變高，數字電路的

15、低電平是有一定限制的，它有一個最大值UOLMAX。電路工作時，不允許超過這個數值，TTL邏輯門的規(guī)范規(guī)定UOLMAX 0.40.5V。所以，灌電流有一個上限，灌電流太大，不僅會使I/O輸出端電壓升高，而且還可能使I/O燒壞。拉電流越大，輸出端的高電平就越低。這是因為MOS管的輸出端有上拉電阻的原因，輸出電流越大，上拉電阻上的壓降也會越大，則對外輸出的電壓越低。數字電路的高電平有一個最小值UOHMIN。工作時，不允許超過這個數值，TTL邏輯門的規(guī)范規(guī)定UOHMIN 2.4V。所以，拉電流也有一個上限。3、STC89C52的拉電流和灌電流大小STC89C52的官方手冊并沒有給出I/O的拉電流和灌電

16、流的大小，只是說和傳統(tǒng)8051單片機一樣，是弱上拉。表2.3.2是拉電流的測試數據，測試方法是在P20引腳外接一個電阻，電阻另外一端接地，用萬用表測試一下P20引腳的電壓，然后換其它阻值的電阻測試。表2.3.3是灌電流的測試數據，測試方法是類似拉電流的測試，不同之處在于電阻的另外一端接電源VCC。 表2.3.2 拉電流測試數據 表2.3.3 灌電流測試數據電阻（）I/O電壓(mV)輸入電流(mA)5K750.9851K3474.6535007228.556電阻（）I/O電壓(V)輸出電流(uA)95K4.5944832K412521K3.5166 從表2.3.2和表2.3.3中可以看出STC8

17、9C52的灌電流和拉電流能力都比較弱，但相比較而言，灌電流要遠遠大于拉電流，拉電流是uA級別的，而灌電流是mA級別。另外根據表2.3.2中的數據計算，STC89C52單片機I/O中內置上拉電阻的阻值在7-10K左右。通過實驗分析，就不難解釋為什么我們在驅動發(fā)光二極管時，采用低電平驅動而不是高電平驅動了。由于STC89C52的上拉電阻在10K級別，就算不接限流電阻，發(fā)光二極管也不會被點亮。 4、C語言中的位運算流水燈的程序實現(xiàn)有兩種方法，其中之一是采用移位的方法。C語言中的位運算在單片機程序中格外重要，程序中到處可見位運算，我們先了解一下C51的位運算種類和特點。C51提供了幾種位操作符，如下表

18、所示：表2.3.2 C語言中的位運算符號運算符含義運算符含義&按位與取反|按位或<< 左移按位異或>> 右移（1）“按位與”運算符（&）參與與操作的兩個位，原則是全1為1，有0才為0，即：0&0=0；0&1=0；1&0=0；1&1=1。如下例：a=0x05&0x03，即a=(0b 0101) & (0b 0011) =0b 0001。（2）“按位或”運算符（|） 參與或操作的兩個位，原則是有一個為1，則結果為1，全0為0。即：0|0=0；0|1=1；1|0=1；1|1=1。例如：a=0x30|0x0f；即a

19、= (0b00110000)|(0b00001111) = (0b00111111)=0x3f。（3）“異或”運算符()異或運算符又被稱為XOR運算符。當參與運算的兩個位相同（1與1或0與0）時結果為0。不同時為1。即相同為0，不同為1。 00=0；01=1；10=1；11=0。例如：a=0x550x3f; 即a=(0b01010101)(0b00111111)=(0b01101010)=0x6a。（4）“取反”運算符（）與其它運算符不同，“取反”運算符為單目運算符，即它的操作數只有一個。它的功能就是對操作數按位取反。也就是是1得0，是0得1。如下例：a=0xaa; a=0b10101010，

20、b=a，則b=0b01010101。（5）左移運算符（<<）左移運算符用來將一個數的各位全部向左移若干位。如：a=a<<2，表示將a的各位向左移2位，右邊補0。如a=34(0b00100010)，左移2位得0b10001000。（6）右移運算符（>>）右移與左移相類似，只是位移的方向不同。如：a=a>>2，表示將a的各位向右移動2位，左邊補0。如a=34(0b00100010)，左移2位。得0b10001000。5、C運算符位運算屬于C眾多運算符中的一種，除了位運算，還有算術運算符、關系運算符、邏輯運算符等。（1）算術運算符算術運算符用于各類數值

21、運算，包括加(+)、減(-)、乘(*)、除(/)、求余(%)、自增(+)、自減（）。在C語言中，乘法運算符為“*”，不能寫成數學中的“×”，除法運算符為“/”, 不能寫成“÷”。對于“/”運算符，C語言規(guī)定，當它的兩個運算分量都為整數時，其結果為整數，如果兩個運算分量其中一個為浮點數時，則結果為浮點數。“%”運算符，是用來求兩個數相除后的余數，相處的兩個數必須為整形數據。“+”和“”是C語言中的自增運算符，如a+，+a。其中a+是表示先使用a的值，再加1，+a表示先加1，再使用a的值。“”的用法和“+”類似，是自減1。下面是算術運算符的舉例。5+3：結果為5；5-3：結果為

22、2；5*3：結果為15；5/3: 結果為1；5+：結果為6。 （2）關系運算符C語言提供6種關系運算符，分別是大于(>)、大于等于(>=)、小于(<)、小于等于(<=)、等于(=)、不等于（！=）。需要注意的等于運算符，是雙等于號，不是單個等號，單個等號是賦值。關系運算符的結果只有兩種，0（假）和1（真）。關系成立為1，不成立則為0。如100>=20，結果1；7=3，結果為0；a<A,結構為0。（3）邏輯運算符邏輯運算符有三種，分別是邏輯與（&&）、邏輯或（|）和邏輯非（?。?，注意和位運算的區(qū)別。邏輯運算的結果只有兩種：0（假）和1（真）。具

23、體功能如表2.3.4所示：表2.3.4 邏輯運算符aba&&ba|b!a真真真真假真假假真假假真假真真假假假假真6、數組流水燈實現(xiàn)的第二種方法是采用取表的方式。我們這里所謂的“取表”實際上就是C語言中的數組。在程序設計中，為了處理方便，把具有相同類型的若干變量按有序的形式組織起來，這些按序排列的同類數據元素的集合稱為數組。C語言支持一維數組和多維數組。我們這里先來學習簡單的一維數組。（1）一維數組的定義方式在C語言中使用數組必須先進行定義，才能使用。一維數組的定義方式為：類型說明符 數組名 常量表達式;其中，類型說明符是任一種基本數據類型或構造數據類型。數組名是用戶定義的數組標

24、識符。方括號中的常量表達式表示數據元素的個數，也稱為數組的長度。例如：int a10; /* 整型數組a，有10個元素 */char ch20; /* 字符數組ch，有20個元素 */需要說明幾點，類型說明符實際是數組元素的取值類型，數組名的書寫規(guī)則遵循標示符的規(guī)定，方括號中的常量表達式用來表示數組中元素的個數，如a5表示數組中有5個元素，但是其下標從0開始計算，因此5個元素分別是a0、a1、a2、a3、a4。（2）一位數組的初始化數組賦值既可以在定義的時候給數組元素賦初值，也可以在定義后用賦值語句逐個賦值。初始化賦值的一般形式為：類型說明符 數組名常量表達式 = 值, 值值 ; 其中在 中的

25、各數據值即為各元素的初值，各值之間用逗號間隔。例如：int a10= 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 ；相當于a0=0; a1=1 . a9=9;另外數組在初始化的時候，內數組元素的個數可以不寫，編譯系統(tǒng)會根據內數據的個數計算數組元素的個數。（3）一位數組的引用數組元素引用的一般形式為：數組名下標。其中下標只能為整型常量或者整型表達式，不能為變量。7、選擇語句C語言的選擇語句中包括if語句和switch語句。我們先來看一學習一下if語句。if構成的選擇語句有3種類型。（1）第一種類型是判斷是否滿足某個條件，滿足則執(zhí)行相應的動作。其功能模型如下：if(條件) 執(zhí)行動作 （2）if語句的第

26、二種類型是在第一種類型的基礎之上，又加入了一個條件。判斷是否滿足某個條件，滿足則執(zhí)行動作1，不滿足，則執(zhí)行動作2。其功能模型如下：if(條件) 執(zhí)行動作A else 執(zhí)行動作B if(條件A) 執(zhí)行動作A；else if (條件B) 執(zhí)行動作B；else if (條件C) 執(zhí)行動作C； else 執(zhí)行動作D;（3）if語句的第三種類型是有多種條件可供選擇，執(zhí)行某個條件下的相應指令，如果條件A滿足，則執(zhí)行動作A，然后退出，不滿足則判斷條件B是否滿足，依次進行下去。其功能模型如下：另外執(zhí)行動作語句只有一個，則可以省略。三、任務實施1、移位方式實現(xiàn)流水燈程序#include<reg52.h&g

27、t;#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit Input=P10; /外接電平輸入端 void delay_ms(uint xms) /ms級延時函數 uint i,j;for(i=0;i<xms;i+)for(j=0;j<122;j+);void main() uchar i=0;uchar temp;while(1)if(keyy=1) /流水燈從右向左移動temp=0x01; /temp初值for(i=0;i<8;i+) P2=temp; /temp取反后，賦值給P2口 delay_ms(1000)

28、; /延時1000mstemp=temp<<1; /temp左移一位 else /流水燈從左向右移動temp=0x80;for(i=0;i<8;i+) P2=temp;delay_ms(1000);temp=temp>>1;程序解釋:例程中，根據輸入IO的電平（P10引腳外接電平），分為流水燈向左移和向右移，外接高電平時，向左移，外接低電平時，向右移。表2.3.5是向左移中temp變量和P2賦值的狀態(tài)，表2.3.6是向右移中temp變量和P2賦值的狀態(tài)。 表2.3.5 流水燈左移 表2.3.6 流水燈右移 iTemp（左移）P2=temp00000,00011111,111010000,00101111,110120000,01001111,101130000,10001111,011140001,00001110,111150010,00001101,111160100,00001011,111171000,00000111,1111iTemp（右移）P2=temp01000,00000111,111110100,00001011,111120010,00001101,111130001,00001110,111140000,10001111,011150000,01001111,10116