单片机中级教程 第9章接口设计.docx

单片机中级教程 第9章接口设计.docx

《单片机中级教程 第9章接口设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机中级教程 第9章接口设计.docx（68页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

单片机中级教程第9章接口设计

第9章MCS-51单片机的接口技术

一般单片机应用系统中，通常包括有数据采集部分（即前向通道）、控制输出部分（即后向通道）和人机通信部分。

而每一部分又都有各自的信号接口，本章将介绍组成单片机应用系统的这几个基本组成部分。

9.1人机通信接口技术

9.1.1键盘接口技术

在单片机应用系统中，为了控制其运行状态，需要向系统输入一些命令或数据，因此应用系统中应设有键盘，这些键包括数字键、功能键和组合控制键等。

这些按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。

但是，这些开关绝不仅仅是简单的电平输入。

1．键输入过程与软件结构

当所设置的功能键或数字键按下时，单片机应用系统应完成该按键所设定的功能。

因此，键盘信息输入是与软件结构密切相关的。

对某些简单应用系统来说，如对于智能仪表来说，键输入程序是整个应用程序的核心部分。

在MCS-51系列单片机的指令系统中设有散转指令JMP@A+DPTR，可看成是专门配合键盘信息输入而设置的指令，或是键盘信息输入的软件接口。

图9-1是MCS-51单片机应用系统的键输入软件框图。

对于任何一个单片机应用系统，

图9-1MCS-51单片机应用系统键输入软件框图

键盘总要有其相应的接口电路与CPU相连，通过软件了解键盘输入的信息。

而CPU可以采用中断方式或查询方式来了解有无键输入，并检查是那一个键按下，将键号送入累加器ACC，然后通过散转指令转去执行相应的程序，以完成该键应完成的功能。

最后又返回到原始状态。

2．键盘输入接口与软件应解决的任务

CPU对键盘操作的响应要满足实时性，即及时发现键盘操作，及时作出响应，因此，键输入接口与软件应可靠而快速地实现键信息输入与键功能任务。

为此，应用系统应解决下列问题。

1）键开关状态的可靠输入

键盘的操作，无论是按键或键盘都是利用机械触点的合、断作用。

一个电压信号通过机

械触点的闭合、断开过程，其波形如图9-2所示。

由于机械触点的弹性作用，在闭合及断开瞬间均有抖动过程，会出现一系列负脉冲。

抖动时间的长短，与开关的机械特性有关，一般为5~10ms。

按键的稳定闭合期，由操作人员的按

键动作所确定，一般为十分之几秒到几秒

的时间。

为了保证CPU对键的一次闭合，

仅作一次键输入处理，必须去除抖动影响。

通常去抖动影响的措施有硬、软件两

种。

对于系统软件量不大的场合，采用软

件去抖即节省硬件开销，又很实用且有效。

图9-2键闭合及断开时的电压抖动

采用软件去除抖动影响的办法是：

检测到有键按下时，执行一个10ms的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如保持闭合状态电平则可确认确实有键按下，从而消除了抖动的影响。

2）按键编码与键号定义

一组按键或键盘都要通过I/O口线查询按键的开关状态。

根据键盘结构不同，采用的编码也有所不同。

但无论有无编码，以及采用什么编码，最后都要转换成为与累加器中数值相对应的键值，以实现按键功能程序的转移（相应的转移指令为JMP@A+DPTR）。

3）键盘监测与编制键盘程序

对于单片机应用系统，键盘扫描只是CPU工作的一部分，键盘处理只是在有键按下时才有意义。

对是否有键按下的信息检测方式有中断与查询方式两种。

不同的应用场合，所采用的键盘检测手段不同。

在编制键盘控制程序时应考虑如下问题：

⑴监测有无按键按下；

⑵有键按下后，在无硬件去抖电路时，应用软件延时方法除去抖动影响；

⑶有可靠的逻辑处理办法。

比如是采用双键锁定方式还是N键轮回方式。

如采用N键锁定，即只处理一个键，其间任何按下又松开的键不产生影响；不管一次按键持续有多长时间，仅执行一次按键功能程序等；

⑷给出确定的键号以满足散转指令要求。

3．独立式按键

1）独立式按键结构

独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。

每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态。

独立式按键电路如图9-3所示。

独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费较大。

故在按键数量不多时，常采用这种按键电路。

图9-3（a）为中断方式的独立式按键电路，图9-3（b）为查询方式的独立式按键电路。

通常按键输入都采用低电平有效。

上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。

当I/O口内部有上拉电阻时，外电路可以不配置上拉电阻。

（a）中断方式（b）查询方式

图9-3独立式按键电路

2）独立式按键的软件结构

下面是查询方式的键盘程序。

程序中没有使用散转指令，也没有软件防抖动措施。

它只包括键查询、键功能程序转移。

FUN0-FUN7为功能程序入口地址标号，其地址间隔应能容纳JMP指令字节，SUB0-SUB7分别为每个按键的功能程序。

程序清单如下（设键盘接入端口为P1口）

Start:

MOVP1，#0FFH；置I/O口为输入方式

MOVA，P1；读入键状态

CPLA

JZStart；无键按下，则返回

JBACC.0，FUN0；0号键按下转

JBACC.1，FUN1；1号键按下转

JBACC.2，FUN2；2号键按下转

JBACC.3，FUN3；3号键按下转

JBACC.4，FUN4；4号0号键按下转键按下转

JBACC.5，FUN5；5号键按下转

JBACC.6，FUN6；6号键按下转

SJMPFUN7；7号键按下转

FUN0:

AJMPSUB0

FUN1:

AJMPSUN1

…

FUN7:

AJMPSUN7

SUB0:

…

LJMPStart

SUB1:

…

LJMPStart

SUB7:

…

LJMPStart

从程序中可以看出，键盘的内部优先级别依次为0~7。

4.矩阵式键盘

1）矩阵式键盘电路的结构及工作原理

矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行线、列线分别连接到按键开关的两端。

如图9-4所示。

由图可知，一个4×4的行、列结构可以构成

一个含有16个按键的键盘，很明显，在按键数量

较多的场合，矩阵键盘与独立式按键键盘相比，

要节省很多的I/O口线。

图中行线通过上拉电阻接+5V，平时无按键动

作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，

则对应的行线和列线短接，行线电平状态将由与

此行线相连的列线电平决定。

图9-4矩阵式键盘结构

如果把行线接到单片机的输入口线，列线接到单片机的输出口线，则在单片机的控制下，可以判别键盘中究竟哪一个按键被按下。

其方法是：

先令列线Y0为低电平（0），其余3根列线Y1、Y2、Y3都为高电平，读行线状态。

如果X0、X1、X2、X3都为高电平，则Y0这一列上没有键闭合，如果读出的行线状态不全为高电平，则为低电平的行线和Y0相交的键处于闭合状态；如果Y0这一列上没有键闭合，接着使列线Y1为低电平，其余列线为高电平。

用同样的方法检查Y1这一列上有无键闭合，以此类推，最后使列线Y3为低电平，其余列线为高电平，检查Y3这一列有无键闭合。

这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘进行扫描。

2）键盘的工作方式

在单片机应用系统中，扫描键盘只是CPU的工作任务之一。

在实际应用中要想做到既能及时响应键操作，又不过多地占用CPU的工作时间，就要根据应用系统中CPU的忙闲情况，选择好键盘的工作方式。

键盘的工作方式一般有编程扫描方式和中断扫描方式两种。

（1）编程扫描方式

编程扫描方式是利用CPU在完成其他工作的空余，调用键盘扫描子程序，来响应键输入要求。

在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求。

键盘扫描程序一般应具备下述4个功能。

①判别键盘上有无键按下。

其方法为扫描口输出全扫描字“0”（即Y0～Y3均为低电平），读X0~X3的状态，若为全“1”，则键盘无键按下，若不全为“1”，则有键按下。

②去除键的抖动影响。

其方法为判别到有键按下后，软件延时一段时间（一般为10ms左右）后，再判断键盘状态，如果仍为有键按下状态，则认为有一个确定的键被按下，否则按键抖动处理。

③求按键位置。

根据前面介绍的键盘扫描方法，逐行逐列进行扫描，最后确定按下键的键号。

对于图9-4中16个按键，每行的行首键号给以固定编号：

0、4、8、12；列线依次为0~3。

则闭合键的键号等于为低电平的行首键号加上为低电平的列号。

闭合键的键号也可以用计算法获得：

为低电平的行号×4＋为低电平的列号。

④判别按键是否释放，键闭合一次仅进行一次键功能操作。

等键释放以后再将键值送入累加器A中，，然后执行键功能操作。

（2）中断扫描方式

采用上述扫描键盘的工作方式，能及时响应键入的命令和数据，但是这种方式不管键盘上有无键按下，CPU总要定时扫描键盘，而应用系统在工作时，并不经常需要键输入，因此CPU经常处于空扫描状态。

为了进一步提高CPU的工作效率，可采用中断扫描工作方式。

即当键盘上有键闭合时产生中断请求，CPU响应中断请求后，转去执行中断服务程序，在中断服务程序中判别键盘上闭合键的键号，并作相应的处理。

3）键盘接口举例

图9-5为8×2的行列式按键键盘接口电原理图。

图9-58×2行列式按键键盘接口电原理图

这是一个由74HC245构成的8×2行列式键盘扫描接口电路。

电路中，74HC245只占用应用系统的一个扩展I/O口和两条I/O口线，这样做的好处就在于它不占用太多的I/O口，也可以达到对键盘进行实时扫描的目的。

其基本工作原理是：

当P1.0为低电平、P1.1为高电平时，只有0到7号键某个键按下改变74HC245A口的状态，而8到F键是否按下不会改变74HC245A口的状态；而P1.0为高电平、P1.1为低电平时，0到7号键是否按下，不会改变74HC245A口的状态，而8到F键某个按下将改变74HC245A口的状态。

下面是其键盘扫描的程序（采用查询方法）：

KS:

MOVDPTR，#7FFFH；键扫程序CLRP1.0；先扫描第一列（即0~7号键）MOVXA，@DPTR；读入按键状态MOV37H，A；暂存按键状态CPLAJZKSK1；0~7号键没有键操作，则跳

LCALLDL20；0~7号键有按键操作，则延时去抖

MOVXA，@DPTR；再读按键状态

XRLA，37H；和延时前的状态一样吗？

JZKS1；一样，则转去查询键号

KSK1:

SETBP1.0；开始扫描第二列键，即8~F号键

CLRP1.1

MOVXA，@DPTR；读入按键状态

MOV37H，A；暂存按键状态

CPLA

JZKSK2；8~F号键没有键操作，则跳

LCALLDL20；8~F号键有按键操作，则延时去抖

MOVXA，@DPTR；再读按键状态

XRLA，37H；和延时前的状态一样吗?

JZKS1；一样，则转去查询键号

KSK2:

AJMPKS9；8~F键也不存在键操作，则跳

KS1:

MOVXA，@DPTR；再读按键状态

CPLA

JNZKS1；按键还没有松开，则等待松开

MOVA，37H；查询有键操作的键号

JBACC.0，KS2；不是第一个键，则跳

MOV37H，#00H；赋键初值

AJMPKS10

KS2:

JBACC.1，KS3；不是第二个键，则跳

MOV37H，#01H；赋键初值

AJMPKS10

KS3:

JBACC.2，KS4；不是第三个键，则跳

MOV37H，#02H；赋键初值

AJMPKS10

KS4:

JBACC.3，KS5；不是第四个键，则跳

MOV37H，#03H；赋键初值

AJMPKS10

KS5:

JBACC.4，KS6；不是第五个键，则跳

MOV37H，#04H；赋键初值

AJMPKS10

KS6:

JBACC.5，KS7；不是第六个键，则跳

MOV37H，#05H；赋键初值

AJMPKS10

KS7:

JBACC.6，KS8；不是第七个键，则跳

MOV37H，#06H；赋键初值

AJMPKS10

KS8:

JBACC.7，KS9；不是第八个键，则跳

MOV37H，#07H；赋键初值

AJMPKS10

KS9:

SETBACC.7；设置键值无效标志

AJMPKS11

KS10:

MOVA，37H；取得按键号码，即键值

ANLA，#07H

JNBP1.0，KS11；是0~7号键，则跳

SETBACC.3；是8~F键，则置第二列标志

KS11:

ORLP1，#03H

MOV37H，A；将键值存入37H单元

RET；返回

按照上述键值整定法，第一列按键的键值依次为0~7，第二列按键的键值依次为8~F，这是一个键盘扫描子程序，子程序的出口条件是37H单元中存放有键操作的按键号，即键值。

并且，规定单元中的最高位为“1”，则键值无效。

把键盘扫描程序编成子程序的好处是：

当需要对键盘进行扫描时，就可调用之，否则，CPU可不必始终扫描键盘，这样，也就节省了大量的CPU时间。

9.1.2显示接口技术

单片机应用系统中，常用的显示器件有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）。

这两种器件都具有成本低廉、配置灵活、与单片机接口方便的特点。

随着电子技术的飞速发展，近年来，也开始出现有配置简易形式的CRT接口，以方便图形显示。

本节将以在单片机应用中普遍使用的LED显示器为例进行介绍。

1．LED结构与显示方式

1）LED显示器结构与原理

LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件，也可称为数码管。

在单片机应用系统中通常使用的是七段LED。

这种显示块有共阴极与共阳极两种，如图9-6所示。

共阴极LED显示块的发光二级管阴极共地。

如图中9-6（a）所示，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接（在系统中，接驱动电源）。

如图中9-6（b）所示。

当某个发光二极管的阴极为低电平时，发光二极管点亮。

通常的七段LED显示块中有八个发光二极管，故也称做八段显示器。

其中七个发光二极管构成七笔字形“8”；一个发光二极管构成小数点的“·”。

七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段，因此提供给LED显示器的字形数据正好一个字节。

其对应关系如下：

D7D6D5D4D3D2D1D0

dp

g

f

e

d

c

b

a

LED显示块与单片机接口非常容易。

只要将一个8位并行输出口与显示块的发光二极

（a）共阴极（b）共阳极（c）管脚配置

图9-6七段LED显示块

管引脚相连即可。

8位并行输出口输出不同的字节数据可显示不同的数字或字符，如表9-1所示。

通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段选码或称字形代码，公共极称为位选线。

共阳极与共阴极的段选码互为补数。

表9-1七段LED的段选码

显示

字符

共阴极段

选码

共阳极段

选码

显示

字符

共阴极段

选码

共阳极段

选码

0

3FH

COH

C

39H

C6H

1

06H

F9H

d

5EH

A1H

2

5BH

A4H

E

79H

86H

3

4FH

B0H

F

71H

8EH

4

66H

99H

P

73H

8CH

5

6DH

92H

U

3EH

C1H

6

7DH

82H

Г

31H

CEH

7

07H

F8H

y

6EH

91H

8

7FH

80H

8.

FFH

00H

9

6FH

90H

“灭”

00H

FFH

A

77H

88H

┇

┇

┇

b

7CH

83H

2）LED显示器与显示方式

在单片机应用系统中，经常要使用LED显示块构成N位LED显示器。

图9-7是N位LED显示器的构成原理图。

图9-7N位LED显示器的构成原理图

N位LED显示器有N根位选线和8*N根段选线。

根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。

段选线控制要显示什么样的字符，而位选线则控制要在哪一位上显示这个字符。

LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。

（1）LED静态显示方式所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止，并且显示器的各位可同时显示。

静态显示时，较小的驱动电流就能得到较高的显示亮度。

LED显示器工作在静态显示方式下，共阴极或共阳极连接在一起接地或+5V；每位的段选线（a—dp）分别与一个8位并行口相连。

如图9-8所示，该图表示了一个4位静态LED显示器电路。

该电路每一位可独立显示，只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符。

由于每一位由一个8位输出口控制段选码，故在同一时间里，各位可同时显示，且显示的字符可以各不相同。

图9-84位LED显示器的构成原理图N位静态显示器要求有N*8根I/O口线，占用I/O口线资源较多。

故在位数较多时往往不采用静态显示，而是采用动态显示方式。

（2）．LED动态显示方式

所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮显示器的各个位（扫描），对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。

显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。

在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，通常将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。

而各位的共阴极点或共阳极点分别由相应的I/O口线控制。

实现各位的分时选通，图9-9就是一个8位LED动态显示器电路。

图9-9八位LED动态显示器电路

8位LED动态显示电路只需要两个8位I/O口。

其中一个控制段选码，另一个控制位选。

由于所有位的段选码皆由一个8位I/O口控制，因此，在每个瞬间，8位LED可能显示相同的字符。

要想每位显示不同的字符，必须采用扫描显示方式。

即在每一瞬间只使某一位显示相应字符。

在此瞬间，段选码由控制I/O口输出相应字符电平，位选I/O口输出位选码（共阴极送低电平、共阳极送高电平）以保证该位显示相应字符。

如此轮流，使每位显示该位应显示字符，并延时一段时间，以造成视觉暂留效果。

例如，要求8位LED动态显示数为表9-28位动态扫描显示器状态表

385.47C9F时，I/O

（1）和I/O

（2）轮流

送入的段选码、位选码及显示状态如表

9-2所示。

段选、位选码每送入一次后延

时1~5ms（设显示块为共阴极LED）。

不

断循环送出相应的段选码和位选码，就可

获得视觉稳定的显示状态。

表中的段选码和位选码都是按共阴极

LED数码管设置的，如果是共阳极LED

数码管显示块，表中的段选码取反、位选

码改用反码和原码。

2．由MC14543构成的静态LED驱动接口电路

1）MC14543引脚功能

MC14543为4线-七段译码/驱动电路，具有4位二进制锁存、BCD-七段译码和驱动功能。

图9-10为该集成电路的引脚图。

其各引脚功能如下：

M：

输入线，用来控制输出状态的正反向；

BI：

输入线，用来消隐显示；

LD：

输入线，用来锁存BCD码；

D0-D3：

显示数据输入端（BCD码）；

Ya-Yg：

BCD-七段码的译码/驱动输出端；

VDD接电源，VSS接地。

采用液晶显示时，应在液晶的公共电极和电路的图9-10MC14543引脚图

M端施加方波脉冲，电路的输出端直接连接到液晶的各笔划段。

也可采用发光二极管、荧光数码管和白炽灯显示。

表9-3是4线-七段译码/驱动器MC14543的逻辑真值表。

从该表中可

表9-3MC14543的逻辑真值表

以看出，使用共阴极发光二极管时，M=L；使用共阳极发光二极管时，M=H；使用液晶显示器时，从M端加脉冲；译码/驱动输出的状态由LD从H变到L时的内部锁存器的状态而定。

2）由MC14543构成的静态LED驱动接口电路

图9-11给出了由MC14543构成的静态LED驱动接口电路。

从图9-11中可以看出，该电路主要由51单片机、或非门、MC14543、共阴阳数码管组成。

其中，或非门用来产生锁存信号，MC14543完成锁存、译码、驱动，数码管则用来显示。

上两个MC14543的地址为0BFFFH，下两个MC14543的地址为7FFFH。

只要给出相应的地址，并在单片机的P0口输出BCD码，就会在相应的数码管上显示对应的数据。

图9-11MC14543构成的静态LED驱动接口电路

9.1.3键盘/显示接口芯片8279

Intel8279芯片是一种通用的可编程序的键盘、显示接口器件，单个芯片就能完成键盘输入和LED显示控制两种功能。

其内部结构如图9-12所示。

图9-128279结构框图

8279包括键盘输入和显示输出两个部分。

键盘部分提供的扫描方式，可以和具有64个按键或传感器的阵列相连。

能自动消除开关抖动以及n键同时按下的保护。

显示部分按扫描方式工作。

可以显示8或16位LED显示块。

1．8279电路工作原理

根据结构框图，分别介绍各部分电路的作用及原理。

１）I/O控制及数据缓冲器

数据缓冲器是双向缓冲器，连接内、外部总线，用于传送CPU和8279之间的命令或数据。

I/O控制线是CPU对8279进行控制的引线。

是8279的片选信号，当

=0，8279才被允许读出或写入信息。

、

为来自CPU的读、写控制信号。

Ao用于区别信息特性：

Ao=1时，表示数据缓冲器输入为指令、输出为状态字；A=0时，输入、输出皆为数据。

2）控制与定时寄存器及定时控制

控制与定时寄存器用来寄存键盘及显示的工作方式，以及由CPU编程的其它操作方式。

这些寄存器一旦接收并锁存送来的命令，就通过译码产生的相应的信号，从而完成相应的控制功能。

定时控制包含基本一些计数器。

首级计数器是一个可编程的N级计数器。

N可以2~31之间由软件编程，以便从外界时钟CLK分频得到内部所需要的100kHz时钟。

然后再经过分频，为键盘扫描提供适当的逐行扫描频率和显示扫描时间。

3）扫描计数器

扫描计数器有两种工作方式。

按编码方式工作时，计数器作二进制计数。

4位计数状态