《單片機原理與應(yīng)用（第3版）》第6章 數(shù)字信號輸入輸出接口電路

單片機原理與應(yīng)用2024/1/15第6章數(shù)字信號輸入輸出接口電路

輸入/輸出接口電路是單片機應(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)過單片機處理后的數(shù)據(jù)輸出電路。單片機應(yīng)用系統(tǒng)總要對輸入信號進行比較、判斷或運算處理后，輸出適當(dāng)?shù)目刂菩盘柸タ刂铺囟ㄔO(shè)備。輸入/輸出量可以是模擬信號，也可以開關(guān)信號。對于模擬信號，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)字信號后，單片機才能處理；單片機處理結(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)模擬信號的處理，如D/A、A/D轉(zhuǎn)換方法后續(xù)章節(jié)會介紹，本章主要介紹數(shù)字信號的輸入/輸出(I/O)接口電路。

單片機原理與應(yīng)用2024/1/156.1開關(guān)信號輸入/輸出方式

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

單片機原理與應(yīng)用2024/1/151.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，如圖6-1(a)所示。2.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，按二進制編碼后輸入或輸出。例如，對于n條輸出引腳，經(jīng)過譯碼后，可以控制2n個設(shè)備；對于2n個不同時有效的輸入量，經(jīng)過編碼器與CPU連接時，也只需要n個引腳，如圖6-1(b)所示。

3.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、列的交叉點就構(gòu)成了所需的N×M個檢測點。顯然，所需的I/O引腳數(shù)目為N+M,而檢測點總數(shù)達到了N×M個，如圖6-1（C）所示。可見，I/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，另一組為輸入線時就構(gòu)成了N×M個輸入檢測點，如矩陣鍵盤電路。

6.2I/O資源及擴展

通過單片機實現(xiàn)數(shù)字信號的輸入處理和輸出控制時，必須了解以下問題：

(1)準確理解CPU中各引腳的功能，確定可利用的I/O資源，并做出相對合理的使用規(guī)劃。

(2)作輸出控制信號時，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端口輸出級電路結(jié)構(gòu)和I/O端口的負載能力。只有了解了CPUI/O端口輸出級電路結(jié)構(gòu)和負載能力，才可能設(shè)計出原理正確、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。

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用

對于輸出口，當(dāng)輸出高電平時，能給負載提供的最大驅(qū)動電流就是該輸出口高電平驅(qū)動能力，當(dāng)輸出電流大于最大驅(qū)動電流時，上拉MOS管內(nèi)阻上的壓降將增加，VOH會下降。當(dāng)VOH小于某一數(shù)值后，后級電路會誤認為輸入為低電平，

產(chǎn)生邏輯錯誤。因此，要注意輸出高電平時的負載能力。而當(dāng)輸出低電平時，輸出級飽和，負載電流倒灌。同樣，倒灌的電流也不能太大，否則會使輸出級因過流而損壞，即使沒有損壞，也會因灌電流太大，造成輸出低電平VOL上升。當(dāng)VOL大于某一數(shù)值后，后級電路同樣會誤以為輸入為高電平，產(chǎn)生錯誤。單片機原理與應(yīng)用2024/1/156.2.1通過鎖存器、觸發(fā)器擴展I/O口

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

單片機原理與應(yīng)用2024/1/151.輸出口

MCS-51寫外部RAM時，用作寫選通信號。在時序上，數(shù)據(jù)輸出有效到有效時間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）時間TWHQX也不超過1個機器周期。而利用觸發(fā)器擴展輸出口時，觸發(fā)器送數(shù)時鐘信號由外部RAM寫選通信號和高位地址譯碼信號經(jīng)過“與門”或“或非門”產(chǎn)生，這樣送數(shù)時鐘信號就存在一定的延遲，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）來擴展MCS-51的輸出口，如圖6-2所示。

圖6-2使用74LS273擴展輸出口

2.輸入口

對輸入口來說，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展芯片，如圖6-3所示。

圖6-4是一個實用的輸入/輸出口擴展電路，其中74LS273構(gòu)成8位輸出口，74LS373構(gòu)成8位輸入口。

圖6-4擴展輸入/輸出口

單片機原理與應(yīng)用2024/1/156.2.2利用串入并出及并入串出芯片擴展I/O口

在速度要求不高情況下，可利用74LS164、74HC594、74HC595等“串入并出”芯片擴展輸出口；利用74LS165、74HC597等“并入串出”芯片擴展輸入口，也是一種簡單、實用的I/O口擴展方式。當(dāng)串行口未用時，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，可根據(jù)串行芯片的操作時序，使用I/O引腳完成數(shù)據(jù)的輸入/輸出，例如在圖6-5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。單片機原理與應(yīng)用2024/1/156.2.3用8255可編程I/O芯片擴展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單片機應(yīng)用系統(tǒng)中較常見的并行I/O擴展芯片之一。

1.8255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6-6所示。

單片機原理與應(yīng)用2024/1/152.8255工作方式

8255屬于可編程的I/O擴展芯片，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6-2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

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用

8255I/O口有三種工作方式：方式0，基本輸入/輸出方式。特點是對輸出信號鎖存功能；對輸入信號沒有鎖存功能。方式1，選通輸入/輸出方式。特點是使用C口部分引腳作為A、B通信聯(lián)絡(luò)信號，對輸入、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，對輸入、輸出數(shù)據(jù)均具有鎖存功能。

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用

可見8255三個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，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，C口部分引腳作為A、B口通信聯(lián)絡(luò)信號（這時未用的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6-3所示。

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用C口引腳方式1（A或B口）方式2（A口）輸入輸出輸入輸出PC0INTRBINTRB

PC1IBFB

PC2

PC3PC4

PC5

PC6

PC7

BBBINTRAINTRAINTRAINTRAIBFAIBFAAAAAAA表6-3A、B口工作在方式1/2下C口引腳的含義

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用(a)A口工作在選通輸入方式下信號連接方式及時序

(b)A口工作在選通輸出方式下信號連接方式及時序

單片機原理與應(yīng)用2024/1/153.8255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（）、寫控制信號（）分別與CPU讀寫控制信號相連。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。片選信號可直接與CPU高位地址線相連（即采用線選法，如圖6-X所示）或由高位地址譯碼后產(chǎn)生，如例6.1所示。

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用單片機原理與應(yīng)用2024/1/156.2.4利用8155/8156可編程I/O芯片擴展MCS-51的I/O口

8155/8156曾經(jīng)是MCS-51單片機系統(tǒng)常用的可編程并行I/O擴展芯片之一，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擴展芯片除了可提供三個可編程的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存儲單元和一個14位的可編程定時/計數(shù)器，并內(nèi)置了地址鎖存器，地址線可直接與MCS-51單片機的P0口相連，無須使用74LS373鎖存低8位地址信號，適合擴展具有片內(nèi)程序存儲器的MCS-51單片機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)存儲器容量不大時，由1片CPU和1片8155即可構(gòu)成I/O端口較多的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。單片機原理與應(yīng)用2024/1/151.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7-9所示。

單片機原理與應(yīng)用2024/1/152.8155芯片初始化

8155內(nèi)部有一個命令寄存器，其內(nèi)容規(guī)定8155的工作方式，各位含義如表6-4所示。

單片機原理與應(yīng)用2024/1/156.2.5利用CPU擴展I/O

當(dāng)I/O引腳資源不夠時，用另一塊CPU來擴展I/O端口比通過三態(tài)門、觸發(fā)器、專用I/O擴展芯片如8255、8155等擴展I/O引腳，在某些單片機應(yīng)用系統(tǒng)中可能更經(jīng)濟。一方面，不僅擴展了I/O引腳，也擴展了其他硬件資源（如定時/計數(shù)器、中斷輸入端），部分工作可由擴展CPU完成，有效地減輕了主CPU負擔(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擴展I/O資源時，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現(xiàn)兩CPU之間的信息交換。6.3簡單顯示驅(qū)動電路

6.3.1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6-11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6-11LED二極管伏安特性曲線

（1）

外加正向電壓小于0.9V～1.1V時，LED不導(dǎo)通；當(dāng)外加電壓大于正向閥值電壓時，LED導(dǎo)通，同時發(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6-7所示。

表6-7LED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)1.6～1.86.3.2驅(qū)動電路

LED工作電流較大，而MCS～51系列CPUP1～P3口I/O引腳負載能力僅為四個TTL門電路，因此不能直接驅(qū)動LED發(fā)光二極管，

必須使用三極管或驅(qū)動IC芯片驅(qū)動，如圖6-12所示。

圖6-12CPU與LED接口電路（a）、(b)、(d)低電平有效；(c)高電平有效

單片機原理與應(yīng)用2024/1/156.3.3LED發(fā)光二極管顯示狀態(tài)及同步

一般說來，單個LED有“亮”、“滅”顯示兩種狀態(tài)，但在單片機應(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?！?、“過壓”、“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?！薄ⅰ敖涣髡?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LED指示燈的狀態(tài)。2024/1/15單片機原理與應(yīng)用

當(dāng)系統(tǒng)中存在兩個或兩個以上LED發(fā)光二極管以閃爍方式表示不同的狀態(tài)時，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)類似霓虹的走動顯示效應(yīng)。解決方法：快閃、慢閃時間呈倍數(shù)關(guān)系，如快閃切換時間為0.15s～0.25s，則慢閃切換時間可設(shè)為0.45s～0.75s(2～3倍)；然后在定時中斷服務(wù)程序中設(shè)置快、慢閃切換標志，并根據(jù)LED狀態(tài)關(guān)閉或打開LED指示燈即可。單片機原理與應(yīng)用2024/1/156.4LED數(shù)碼管及其顯示驅(qū)動電路

6.4.1LED數(shù)碼管

LED數(shù)碼管是單片機控制系統(tǒng)中最常用的顯示器件之一，LED數(shù)碼管在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的地位類似于CRT(陰極射線管)顯示器在臺式微機系統(tǒng)中的地位。在單片機系統(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/輸出信號的狀態(tài)或大小。

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用LED數(shù)碼管的外觀如圖6-13(a)所示，筆段及其對應(yīng)引腳排列如圖6-13(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，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，每只LED工作電壓通常以2.0V計算，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。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)光二極管的負極連在一起，如圖6-13(c)所示；而在共陽極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6-13(d)所示。圖6-13LED數(shù)碼顯示管

單片機原理與應(yīng)用2024/1/156.4.2LED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被點亮?xí)r，就可以顯示數(shù)字“０”；又如筆段a、b、c、d、g被點亮就顯示數(shù)字“3”。理論上，七個筆段可以顯示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6-8所示。

依據(jù)顯示驅(qū)動方式的不同，可將LED數(shù)碼顯示驅(qū)動電路分為靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。單片機原理與應(yīng)用2024/1/151.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)動電路不用筆段譯碼器)、驅(qū)動器等部分組成。在單片機應(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現(xiàn)譯碼，原因是軟件譯碼靈活、方便，下面是單片機系統(tǒng)中常用的LED靜態(tài)顯示接口電路形式。

(1)圖6-14(a)是一位的共陽LED靜態(tài)顯示驅(qū)動電路，

P1口輸出筆段代碼，通過7407驅(qū)動LED數(shù)碼管。該電路優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，直接利用P1口鎖存器作筆段代碼鎖存器，缺點是占有了P1.0～P1.6七根I/O線。

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用

(2)在圖6-14(b)中，通過八上升沿D型觸發(fā)器74LS273擴展輸出口，分別作為LED1、LED2的筆段代碼鎖存器。

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用

(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)動芯片7407，如圖6-14(c)所示。

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用

(4)當(dāng)系統(tǒng)中I/O引腳資源不緊張時，可使用I/O引腳作D型觸發(fā)器鎖存脈沖，如圖6-14(d)。

單片機原理與應(yīng)用2024/1/152.動態(tài)顯示方式LED顯示器

在靜態(tài)顯示方式中，顯示驅(qū)動程序簡單，CPU占用率低，但每一位LED數(shù)碼管需要一個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，印制板面積也會隨之增加)，僅適用于顯示位數(shù)較少(4位以下)的場合。當(dāng)需要顯示的位數(shù)在4～12時，

多采用按位掃描軟件（在單片機系統(tǒng)一般不用硬件）譯碼的動態(tài)顯示方式或按筆段掃描的動態(tài)顯示方式，如圖6-15所示。2024/1/15單片機原理與應(yīng)用

在圖6-15中，使用P2口作為筆段碼鎖存器，用7407作筆段碼驅(qū)動器（由于在LED動態(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)動器）；P0口作位掃描碼鎖存器，用低頻中功率PNP管作位驅(qū)動器。顯然，筆段、位掃描均采用軟件譯碼方式。顯示時，依次將各位筆段碼送P2口，位掃描碼送P口，即可分時顯示所有位。就微觀來說，任一時刻只有一只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亮，且沒有閃爍感。從圖中可以看出，在軟件譯碼的動態(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)動器，一套位掃描碼鎖存器與驅(qū)動器，硬件開銷少。因此，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用

當(dāng)CPUI/O引腳資源緊張時，可采用D型鎖存器、可編程8255并行I/O擴展芯片構(gòu)成動態(tài)LED顯示器的筆段碼鎖存器和位掃描碼鎖存器，如圖6-16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口負載能力有限，不能直接驅(qū)動LED，為此圖中采用中功率PNP管（如MPS8850）增大筆段驅(qū)動電流。

(a)由74LS273(74HC273)構(gòu)成的按位掃描動態(tài)顯示驅(qū)動電路2024/1/15單片機原理與應(yīng)用當(dāng)顯示位數(shù)較多，如12位以上時，即使將顯示刷新率降到25Hz(實際上當(dāng)刷新頻率降到25Hz時已出現(xiàn)明顯閃爍現(xiàn)象)后，仍不能保證每位顯示時間大于1ms時，可采用按字段掃描方式或按位分組掃描方式的動態(tài)顯示驅(qū)動電路。

在按字段掃描方式中，不論位數(shù)多少，對于八段數(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，每一字段顯示時間依然為1/(50×8)=2.5ms。顯示時每次點亮一個字段（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6-17(a)所示，顯示時先將顯示數(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。顯示時只將位筆段顯示信息送位選擇口。2024/1/15單片機原理與應(yīng)用由8255構(gòu)成的按位掃描動態(tài)顯示驅(qū)動電路單片機原理與應(yīng)用2024/1/156.5鍵盤電路

在單片機應(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)的運行狀態(tài)，或向系統(tǒng)輸入運行參數(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。6.5.1按鍵結(jié)構(gòu)按鍵電壓波形6.5.2鍵盤電路形式6.5.3鍵盤按鍵編碼6.5.4鍵盤監(jiān)控方式6.5.1按鍵結(jié)構(gòu)按鍵電壓波形1.按鍵結(jié)構(gòu)及工作原理

單片機控制系統(tǒng)中廣泛使用的機械鍵盤的工作原理是：按下鍵帽時，按鍵內(nèi)的復(fù)位彈簧被壓縮，動片觸點與靜片觸點相連，使按鍵的兩個引腳被接通，接觸電阻大小與按鍵觸點面積及材料有關(guān)，一般在數(shù)十Ω以下；松手后，復(fù)位彈簧將動片彈開，使動片與靜片觸點脫離接觸，兩引腳斷開。可見，機械鍵盤或按鈕的基本工作原理就是利用動片和靜片觸點的接觸和斷開來實現(xiàn)鍵盤或按鈕兩引腳的通、斷。

在理想狀態(tài)下，按鍵引腳電壓變化如圖6-20(a)所示。但實際上，在按鍵被按下或放開的瞬間，由于機械觸點存在彈跳現(xiàn)象，實際按鍵電壓波形如圖6-20（b）所示，即機械按鍵在按下和釋放瞬間存在抖動現(xiàn)象，抖動時間的長短與按鍵的機械特性有關(guān)，一般在5ms～10ms之間，而按鍵穩(wěn)定閉合期長短與按鍵時間有關(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措施，避免一次按鍵輸入一串?dāng)?shù)碼。2.按鍵波形單片機原理與應(yīng)用2024/1/156.5.2鍵盤電路形式

根據(jù)所需按鍵個數(shù)、I/O引腳輸出級電路結(jié)構(gòu)以及可利用的I/O引腳數(shù)目，確定鍵盤電路形式。單片機原理與應(yīng)用2024/1/151.直接編碼輸入鍵盤

通過檢測單片機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6-19(b)所示。優(yōu)點是鍵盤接口電路簡單，適用于僅需少量按鍵的場合單片機原理與應(yīng)用2024/1/152.矩陣鍵盤

當(dāng)系統(tǒng)所需按鍵個數(shù)較多時，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6-22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）。單片機原理與應(yīng)用2024/1/156.5.3鍵盤按鍵編碼

在鍵盤電路中，按鍵的個數(shù)不止一個，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，例如對于圖7-19這樣的簡單鍵盤接口電路，將K0對應(yīng)的按鍵值定義為“0”；K1對應(yīng)的按鍵值定義為“1”；依此類推，K3對應(yīng)的按鍵值定義為“3”。對于圖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、列對應(yīng)的二進制值作為鍵值，例如當(dāng)列線P1.7～P1.4輸出的掃描信號為1110，如果P1.4與P1.0交叉點對應(yīng)按鍵，即第一個按鍵被按下時，從P1.3～P1.0口讀入的信息必然為1110，因此P1.0與P1.4交叉點對應(yīng)的按鍵值為1110，1110（即0EEH）；同理，P1.0與P1.5交叉點對應(yīng)的按鍵值為1101，1110（即0BEH）,P1.0與P1.7交叉點對應(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盤按鍵進行編碼，即將按鍵行列對應(yīng)的二進制碼作為掃描碼，查表轉(zhuǎn)換為鍵值。例如，可按如下順序?qū)D6-23所示矩陣鍵盤的按鍵進行編號：

將P1.0引腳對應(yīng)行線的行號定義為0，P1.1引腳對應(yīng)行線的行號定義為1，P1.2引腳對應(yīng)行線的行號定義為2，P1.3引腳對應(yīng)行線的行號定義為3；P2.0引腳對應(yīng)列線的列號定義為0，P2.1引腳對應(yīng)列線的列號定義為1，依次類推，P2.4引腳對應(yīng)列線的列號定義為4，則鍵盤任意按鍵的掃描碼=5×行號+列號（因為一行為5列）或4×列號+行號（因為一列為4行）。單片機原理與應(yīng)用2024/1/156.5.4鍵盤監(jiān)控方式

在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，可采用查詢方式（包括隨機掃描方式和定時中斷掃描方式）或硬件中斷方式監(jiān)視鍵盤有無按鍵輸入。單片機原理與應(yīng)用2024/1/151.隨機掃描方式

在隨機掃描方式中，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)定操作中檢測鍵盤有無輸入，失去了對系統(tǒng)的控制，很少采用。單片機原理與應(yīng)用2024/1/152.定時掃描方式

定時掃描方式與隨機掃描方式基本相同，利用CPU內(nèi)的定時中斷，每隔一定時間（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，可通過鍵盤命令進行干預(yù)，如取消，或暫停等。在定時掃描方式中，為提高CPU利用率，盡量避免通過被動延遲10ms～20ms方式等待按鍵穩(wěn)定閉合，建議在定時中斷服務(wù)程序中，用3個位存儲單元記錄最近三次定時中斷檢測到的按鍵狀態(tài)（可初始化為111態(tài)）。如果規(guī)定沒有按鍵被按下時為“1”，有按鍵被按下時為“0”，則按鍵狀態(tài)含義下：111——表示最近三次定時中斷均未發(fā)現(xiàn)按鍵被按下；110——表示前兩次定時中斷未檢測到按鍵被按下，只在本次定時中斷檢測到按鍵被按下，未延遲，還不能肯定按鍵被按下。100——表示最近兩次定時中斷檢測到按鍵被按下，且已延遲了一次定時中斷時間；對鍵盤進行掃描，確定哪一按鍵被按下，并執(zhí)行按鍵規(guī)定的動作。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——在很短時間內(nèi)（小于兩次中斷時間）檢測到按鍵處于釋放狀態(tài)，視為干擾，作000態(tài)處理。101——在很短時間內(nèi)（小于兩次中斷時間間隔）檢測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志（在單片機控制系統(tǒng)中，按鍵個數(shù)一般不超過64個，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。單片機原理與應(yīng)用2024/1/156.6并行接口及應(yīng)用實例

6.6.1MCS-51與并行輸入/輸出設(shè)備之間的連接

當(dāng)單片機芯片以并行方式與另一單片機芯片或并行輸入/輸出設(shè)備連接時，就涉及并行接口問題，在并行接口中主要涉及下列信號：

(1)數(shù)據(jù)線及寬度。對于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)，即一個字節(jié)分兩次傳送。2024/1/15單片機原理與應(yīng)用(2)

選通脈沖(Strobe)。由輸出設(shè)備提供，輸入設(shè)備用信號鎖存數(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(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，向輸出設(shè)備回送的應(yīng)答信號。此外，一些高速并行輸入設(shè)備，如并行接口打印機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)信號代替應(yīng)答信號。輸出設(shè)備將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線，并給出選通信號后，如果檢測到Busy信號無效，就接著輸出下一數(shù)據(jù)，直到Busy信號有效為止（表示輸入緩沖器滿）。MCS-51與并行輸出/輸入設(shè)備之間可按圖6-25所示連接。圖6-25MCS-51與并行輸入/輸出設(shè)備之間的連接單片機原理與應(yīng)用2024/1/156.6.2MCS-51與并行打印機之間的連接

1.并行打印機接口標準

并行打印機一般采用與Centronic標準兼容的DB-25并行接口，各信號含義如表6-9所示，DB-25插座引腳編號、信號時序如圖6-26所示。表6-9Centronic并行接口標準信號引腳編號信號名稱信號流向(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，如計算機主機向打印機輸出控制命令及數(shù)據(jù)。10輸出，低電平有效打印機應(yīng)答信號。表明打印機已可靠接收了主機輸出的數(shù)據(jù)。11Busy輸出，高電平有效打印機忙信號，當(dāng)該信號有效時，表示打印機忙（即打印機輸入緩沖器滿，不能再接收數(shù)據(jù)）。12PE輸出，高電平有效打印機缺紙。當(dāng)PE為高電平時，表示打印機處于缺紙狀態(tài)。13SEL輸出，高電平有效聯(lián)機信號。當(dāng)SEL為低電平時，表明打印機處于脫機狀態(tài)(如打印電纜未連接或用戶觸發(fā)聯(lián)機按鈕造成脫機)14備用

15輸出，低電平有效出錯。當(dāng)輸入命令有錯時，該信號有效16～17備用

18～25GND

接地2024/1/15單片機原理與應(yīng)用圖6-26并行打印機插座引腳編號及信號時序

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用2.MCS-51與并行打印機之間連接實例

當(dāng)I/O引腳資源不緊張時，并行打印機各信號線直接掛接在MCS-51的I/O引腳上，如圖6-27(a)所示；當(dāng)I/O引腳資源緊張時，可通過并行I/O口擴展芯片，如8255與并行打印機相連，如圖6-27(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，最好將8255芯片A口置為方式1（即選通輸出方式），這時PC7是輸出緩沖器滿信號，將它作為打印機選通脈沖；打印機應(yīng)答信號接PC6引腳，8255中斷請求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。圖6-27MCS-51與并行打印機的連接單片機原理與應(yīng)用2024/1/156.7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6-28所示。

從發(fā)光二極管特性看出：發(fā)光強度與流過發(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轉(zhuǎn)化為變化的光信號，而光敏三極管中集電極電流大小與注入的光強度有關(guān)，從而實現(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現(xiàn)耦合，因此光電耦合器件也稱為光電隔離器件，或簡稱光耦。

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用圖6-28光耦結(jié)構(gòu)及等效電路

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用

晶體管輸出的光電