《单片机原理与应用及上机指导》第8章：单片机的典型外围接口技术.ppt

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1、http:/第8章 单片机的典型外围接口技术教学提示和教学目标教学提示和教学目标88.1.1 键键 盘盘 接接 口口88.2.2 显显 示示 接接 口口88.3.3 DACDAC接口接口8.4 ADC8.4 ADC接口接口8.5 8.5 上机指导：键盘显示与信号转换上机指导：键盘显示与信号转换http:/教学提示和教学目标n 教学提示：利用单片机芯片的总线结构，通过片外程序存储器、数据存储器和I/O接口的扩展，可以方便地构成一个以单片机芯片为核心的计算机主机系统，但要用它组成一个完整的单片机应用系统时，则还要根据不同外设的类型、速度、信号形式等特点来设计相应的I/O接口，实现单片机与外设之间的

2、速度适配、信号适配和时序适配等。n 教学目标：掌握80C51单片机键盘接口；掌握80C51单片机显示接口；掌握数模转换器DAC0832的结构、引脚功能及与单片机的连接；掌握模数转换器ADC0809的结构、引脚功能及与单片机的 连接。http:/8.1 键 盘 接 口n 键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，操作员通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。只有通过键盘，操作人员才能输入数据和对系统状态进行干预。单片机控制系统都是专用计算机应用系统，为满足系统微型化的要求，系统的键盘控制程序和键的数量都是根据系统功能要求设计的。n 单片机控制系统的键盘从结构形式上可分为非

3、编码键盘和编码键盘，非编码键盘通过软件识别按键，编码键盘则通过硬件识别按键。按键从功能上可分为用于功能转换的功能键和用于数据输入的数字键。n 8.1.1 键盘的工作原理和扫描方式n 8.1.2 键盘的接口电路n 8.1.3 键盘接口的编程http:/8.1.1 键盘的工作原理和扫描方式n 1独立键盘工作原理n 将I/O的每根线上各接入一个按键，就可组成一个简易式键盘。每根输入线上的按键工作状态不会影响其他线上的工作状态，所以称为独立式键盘。独立式键盘配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根接口线，在按键数量多时，接口线占用多。所以，独立式键盘常用于按键数量不多的场合。n 单片机对独立式键

4、盘的控制方式有3种：程序控制扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式。n 2矩阵键盘工作原理n 独立式键盘的每个按键需占用一根输入口线，在按键数量较多时，输入口浪费大，电路结构显得很繁杂。这种情况可采用矩阵式键盘，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，因此又称行列式键盘，如图8.3所示。n 3键盘的编码n 识别按键之后要根据所按的键散转进入相应的功能程序。为了散转的方便，通常应得到按下的键号。键号是键盘对每个键的编号，可以是十进制也可以是十六进制。n 4抖动n 抖动是指当按下或释放一个键时，往往会出现按键在闭合位置和断开位置之间跳几下才稳定到闭合状态，其抖动过程 如图8.4所示，抖动的持续

5、时间通常为510ms，抖动可能造成一次按键的多次处理问题。n 5重键n 重键指两个或多个键同时闭合，也称为串按或复按。http:/图8.3 矩阵式键盘结构http:/图8.4 按键的抖动http:/8.1.2 键盘的接口电路n 键盘的接口电路分为独立键盘接口电路和矩阵键盘接口电路。n 1独立键盘接口电路n 独立式按键软件常采用查询式结构。先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键是否已按下，然后再转向该键的功能处理程序。n 2矩阵键盘接口电路n 根据矩阵键盘的工作原理，现在把单片机的P1口用作键盘I/O口，键盘的列线接到P1口的高4位，

6、键盘的行线接到P1口的低4位。列线P1.0P1.3分别接有4个上拉电阻到正电源+5V，并把列线P1.4P1.7设置为输入线，行线P1.0P.13设置为输出线。4根行线和4根列线形成16个相交点，如图8.7所示。http:/图8.7 矩阵键盘接口电路http:/8.1.3 键盘接口的编程n 常用的键盘接口电路有以下几种：n 1利用8155构成的键盘接口电路n 利用8155构成的键盘接口电路如图8.9所示。n 2利用8279构成的键盘接口n 8279是Intel公司生产的通用可编程键盘和显示器I/O接口器件，由于它本身可提供扫描信号，因而可代替处理器完成键盘和显示的控制，从而减轻了主机的负担。n

7、3利用单片机的串行口构成键盘接口电路n 当单片机的串行口未用于串行通信时，可以将其用于键盘的接口扩展电路，这里给出接口电路如图8.12所示。http:/图8.9 利用8155构成的键盘接口电路http:/图图8.12 80318.12 8031串行串行I/OI/O口扩展的行列式键盘接口口扩展的行列式键盘接口http:/8.2 显 示 接 口n 显示系统是单片机控制系统的重要组成部分，主要用于显示各种参数的值，以便使现场工作人员能够及时掌握生产过程。n 8.2.1 LED显示器的工作原理n 8.2.2 显示电路的分类与接口n 8.2.3 显示接口编程http:/8.2.1 LED显示器的工作原理

8、n 17段LED显示器的工作原理n 7段LED通常构成字型“8”，还有一个发光二极管用来显示小数点，因此有人称7段LED数码管为8段显示器。LED数码管的管脚配置如图8.13(a)所示。n LED数码管有共阴极和共阳极两类，如图8.13(b)所示。将多只LED的阴极连在一起即为共阴式，而将多只LED的阳极连在一起即为共阳式。以共阴式为例，如把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。当然，LED的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。假如将“b”和“c”段接上正电源，其他端接地或悬空，那么“b”和“c”段发光，此时，数码管将显示数字“1”。而将“a”、“b”、“d”、“e”和“g

9、”段都接上正电源，其他引脚悬空，此时数码管将显示“2”。n 使用LED显示器时，要注意区分这两种不同的接法。为了显示数字或字符，必须对数字或字符进行编码，通常称为控制发光二极管的8位字节数据为段选码。7段数码管加上一个小数点，共计8段，因此为LED显示器提供的编码正好是一个字节。n 2一位的LED显示电路n 单片机最小应用系统的 P1口直接与LED数码管的ag引脚相连，中间接上限流电阻，如图8.14所示。值得一提的是，80C51并行口的输出驱动电流并非很大，为使LED有足够的亮度，LED数码管应选用高亮度的器件，或者加上驱动电路。http:/图8.13 7 段LED显示器http:/图8.14

10、 一位的LED显示电路http:/8.2.2 显示电路的分类与接口n LED显示方式有静态显示和动态扫描显示两种方式。n 1静态显示n 所谓静态显示，是指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。4位静态LED显示如图8.15所示。静态显示的特点是：LED由接口芯片直接驱动，采用较小的驱动电流就可以得到较高的显示亮度；但这种显示方式每一位都需要有一个8位输出口控制，所以占用硬件多，一般用于显示器倍数较小的场合。当位数较多时，用静态显示所需的I/O口太多，一般采用动态显示方式。n 2动态扫描显示n 所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示，对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮

11、一次，虽然在同一时刻只有一位显示在工作，但由于人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉效应，所以看到的却是多个字符“同时”显示，就像看胶片电影一样，一张张静止的胶片图片，当轮换速度足够快时，看起来就是连续的了。n 显示器的亮度跟点亮时的导通电流有关，也跟点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电路和时间的参数，可实现亮度较高、较稳定的显示。若显示器的位数不大于8位，则控制显示，则控制显示器公共极电位只需一个I/O口(称为扫描口)，控制各位显示器所显示的字形也需一个8位口(段选码)，如图8.16所示。http:/图8.15 4位静态LED显示http:/图8.16 8位动态LED显示http:/8.

12、2.3 显示接口编程n 1并口动态扫描显示电路n 如图8.17所示，图中6个LED采用共阴极连接，8255芯片为扩展的并行接口，8255的A口接LED显示器位扫描口，当某根A口线输出为低电平时，所连接的LED就被选通。8255的B口接LED显示器段数据输出口。n 2串行口静态扫描显示电路n 单片机并行I/O口数量总是有限的，有时并行口需作其他更重要的用途，一般不会用数量众多的并行I/O口专门驱动显示电路。n 80C51的串行通信口是一个功能强大的通信口，下面利用串行通信口设计一个5位LED显示电路，如图8.18所示。显示器由5个共阴极LED 数码管组成。输入只有两个信号，它们是串行数据线DIN

13、和移位信号CLK。5个串/并移位寄存器芯片74LS164 首尾相连。每片的并行输出作为LED 数码管的段码。http:/图8.17 6位动态LED显示电路http:/图8.18 串行口静态扫描显示电路http:/8.3 DAC接口n 在数字系统的应用中，通常要将一些被测量的物理量通过传感器送到数字系统进行加工处理；经过处理获得的输出数据又要送回物理系统，对系统物理量进行调节和控制。传感器输出的模拟电信号首先要转换成数字信号，数字系统才能对模拟信号进行处理。这种模拟量到数字量的转换称为模-数(A/D)转换。处理后获得的数字量有时又需转换成模拟量，这种转换称为数-模(D/A)变换。A/D转换器简称

14、为ADC，D/A转换器简称为DAC，它们都是数字系统和模拟系统的接口电路。n 8.3.1 D/A转换器及其接口电路的一般特点n 8.3.2 D/A转换器的接口电路http:/8.3.1 D/A转换器及其接口电路的一般特点n 1D/A转换器的基本原理n D/A转换器有并行和串行两种，在工业控制中，主要使用并行D/A转换器。D/A转换器的原理可以归纳为“按权展开，然后相加”。因此，D/A转换器内部必须要有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。n 解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络和T型电阻网络。n 2D/A转换器的性能指标 n D/A转换器的主要技术指标包括转换精度、分辨率、转换速度和

15、温度系数等。n 3典型的D/A转换器芯片DAC0832 n DAC0832是一个8位D/A转换器。单电源供电，从+5+15V均可正常工作。基准电压的范围为10V；电流建立时间为1s；CMOS工艺，功耗20mW。n 4DAC0832工作方式:直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式n 5DAC0832的应用：单极性输出、双极性输出http:/8.3.2 D/A转换器的接口电路n 由于DAC0832芯片本身具有数据锁存功能，所以可以从P0口直接送入。n 1.单缓冲输出方式产生锯齿波n 前面提到了单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式。n 通过在DAC

16、0832的输出端接运算放大器，由运算放大器产生锯齿波来实现，电路连接如图8.26所示。n 2双缓冲方式 n 所谓双缓冲方式，就是将DAC0832内部的输入寄存器和DAC寄存器均连成独立的受控锁存方式。http:/图8.26 DAC0832单缓冲方式接口http:/8.4 ADC接口n A/D转换器的功能是将输入的模拟电压转换为输出的数字信号。将模拟量转换成与其成比例的数字量。一个完整的AD转换过程，必须包括采样、保持、量化、编码4部分电路。在具体实施时，常把这4个步骤合并进行。n 8.4.1 A/D转换器及其接口电路的一般特点n 8.4.2 A/D转换器的接口电路 http:/8.4.1 A/

17、D转换器及其接口电路的一般特点n A/D转换器按转换原理可分为4种，即计数式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器。n 目前最常用的是双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器。双积分式A/D转换器的主要优点是转换精度高、抗干扰性能好、价格便宜，但转换速度较慢，因此这种转换器主要用于速度要求不高的场合。另一种常用的A/D转换器是逐次逼近式的，逐次逼近式A/D转换器是一种速度较快、精度较高的转换器。其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。n 1A/D转换器的性能指标n A/D转换器的主要技术指标有转换精度、转换时间等。n 2逐次逼近式A/D转换器的工作原理

18、 n 逐次逼近式ADC包括n位逐次比较型A/D转换器，如图8.29所示。它由控制逻辑电路、时序产生器、移位寄存器、D/A转换器及电压比较器组成。n 3典型的A/D转换芯片ADC0809n ADC0809是一种常用的8位逐次逼近型A/D转换器。http:/图8.29 逐次比较型A/D转换器框图http:/8.4.2 A/D转换器的接口电路n 由于ADC0809带有输出锁存器，因此可以和MCS-51系列单片机直接相连。连接时应注意以下几点。n 要给START端送一个100ns宽的启动正脉冲。n 根据EOC的状态来判断转换是否结束。n 使OE端为高电平，读出转换后的数据。n MCS-51和A/D转换

19、器的接口通常采用查询或中断方式。采用中断方式时，EOC端经反相后作为中断请求信号，单片机响应中断后，在中断服务程序中使OE端变为高电平，读出转换后的数据。n 1查询方式n 查询方式就是查询EOC状态，当EOC变为“1”时，给OE送一个高电平，读出A/D转换后的数据n 2中断方式n 采用中断方式，EOC端经反相后作为中断请求信号，单片机响应中断后，在中断服务程序中使OE端变为高电平，读出转换后的数据。n 3举例http:/8.5 上机指导：键盘显示与信号转换n 8.5.1 键盘显示实验n 8.5.2 DAC0832 数模转换实验 n 8.5.3 ADC0809转换实验http:/8.5.1 键盘

20、显示实验n 1实验目的n(1)掌握独立式键盘的工作原理。n(2)掌握独立式键盘按键的软件识别方法。n 2实验设备n 计算机一台，软件Keil，天煌THKSCM-2型单片机综合实验装置(含仿真器)，串行数据通信线，扁平线，导线若干。n 3实验说明n 本实验提供了8个按钮的小键盘，如果有键按下，则相应输出为低，否则输出为高。通过这样可以判断按下什么键。n 4实验内容及步骤n(1)用一根扁平数据线连接查询式键盘实验模块与8位逻辑显示模块，无键按下时，键盘输出全为“1”，发光二极管全部熄灭，有键按下时，对应发光二极管点亮。此种电路的程序要判断是否有两个或两个以上的键盘同时按下，以免键盘分析错误。n(2

21、)一根8位数据线连接查询式键盘实验模块与扫描显示实验模块。无键按下时，LED数码显示8段全部熄灭；有键按下时，则对应LED段点亮。n(3)使用静态串行显示模块显示键值。单片机最小应用系统的P1口接查询式键盘输出口，RXD接静态数码显示DIN，TXD接CLK。n(4)安装好仿真器。n(5)启动计算机，进入仿真环境，选择仿真器型号、仿真头型号、CPU类型；选择通信端口，测试串行口。n(6)输入程序，编译无误后运行程序，在键盘上按下某个键，观察数显是否与按键 一致。n 5源程序http:/8.5.2 DAC0832 数模转换实验 n 1实验目的 n(1)掌握DAC0832 直通方式，单缓冲器方式、双

22、缓冲器方式的编程方法。n(2)掌握D/A 转换程序的编程方法和调试方法。n 2实验设备n 计算机一台，软件Keil，天煌THKSCM-2型单片机综合实验装置(含仿真器)，串行数据通信线，扁平线，导线若干。n 3实验说明 n DAC0832 是8 位D/A转换器，它采用CMOS工艺制作，具有双缓冲器输入结构，其输出是电流，故要经运放转换成电压输出。n 4实验步骤 n(1)单片机最小应用系统的 P0 口接DAC 0832的DI0DI7 口，单片机最小应用系统的P2.0、WR分别接D/A 转换的P2.0、WR，VREF接-5V，D/A 转换的OUT 接示波器探头。n(2)安装好仿真器，用串行数据通信

23、线连接计算机与仿真器，把仿真头插到模块的单片机插座中，打开模块电源，打开仿真器电源。n(3)启动计算机，进入仿真环境。选择仿真器型号、仿真头型号、CPU类型；选择通信端口，测试串行口。n(4)输入源程序，编译无误后全速运行程序，观察示波器，测量输出波形的周期和 幅度。n 5源程序 n 6思考题n(1)计算输出方波的周期，并说明如何改变输出方波的周期。n(2)在硬件电路不改动的情况下，请编程实现输出波形为锯齿波及三角波。n(3)请画出DAC0832在双缓冲工作方式时的接口电路，并用两片DAC0832 实现图形x轴和y轴偏转放大同步输出。http:/8.5.3 ADC0809转换实验n 1实验目的

24、 n(1)掌握ADC0809转换芯片与单片机的连接方法及ADC0809 的典型应用。n(2)掌握用查询方式、中断方式完成模/数转换程序的编写方法。n 2实验设备n 计算机一台，THKSCM-2型单片机综合实验装置(含仿真器)，串行数据通信线，扁平线，导线若干。n 3实验说明 n 本实验使用ADC0809转换器，ADC0809 是8 通道8位CMOS 逐次逼近式A/D 转换芯片，片内有模拟量通道选择开关及相应的通道锁存、译码电路，A/D 转换后的数据由三态锁存器输出，由于片内没有时钟需外接时钟信号。n 4实验步骤 n(1)单片机最小应用系统的 P0 口接A/D 转换的D0D7 口，单片机最小应用

25、系统的Q0Q7口接ADC0809 的A0A7 口，单片机最小应用系统的WR、RD、P2.0、ALE、INT1分别接A/D 转换的WR、RD、P2.0、CLOCK、INT1，A/D 转换的IN 接入+5V，单片机最小应用系统的RXD、TXD 连接到串行静态显示实验模块的DIN、CLK。n(2)安装好仿真器，用串行数据通信线连接计算机与仿真器，把仿真头插到模块的单片机插座中，打开模块电源，打开仿真器电源。n(3)启动计算机，进入仿真环境。选择仿真器型号、仿真头型号、CPU类型；选择通信端口，测试串行口。n(4)输入源程序，编译无误后全速运行程序，LED静态显示“AD XX”，“XX”为AD转换后的值，8 位逻辑电平显示“XX”的二进制值，调节模拟信号输入端的电位器旋钮，显示值随着变化，顺时针旋转值增大，AD 转换值的范围是0FFH。n 5源程序n 6思考题