第6章數(shù)字信號(hào)輸入/輸出接口電路6.1開(kāi)關(guān)信號(hào)的輸入/輸出方式6.2I/O資源及擴(kuò)展6.3簡(jiǎn)單顯示驅(qū)動(dòng)電路6.4LED數(shù)碼管及其顯示驅(qū)動(dòng)電路6.5LCD顯示器件及其驅(qū)動(dòng)電路6.6鍵盤電路6.7并行接口及應(yīng)用實(shí)例6.8光電耦合器件接口電路6.9單片機(jī)與繼電器接口電路6.10電平轉(zhuǎn)換電路輸入/輸出接口電路是單片機(jī)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(guò)單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)輸出電路。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)總是要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行比較、判斷或運(yùn)算處理后，輸出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)去控制特定設(shè)備。

輸入/輸出量可以是模擬信號(hào)，也可以是開(kāi)關(guān)信號(hào)。對(duì)于模擬信號(hào)，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(hào)后，單片機(jī)才能處理；單片機(jī)處理結(jié)果也需要經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換、平滑濾波后，才能得到模擬量。本章主要介紹數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出(I/O)接口電路。

開(kāi)關(guān)信號(hào)包括脈沖信號(hào)、電平信號(hào)兩類。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，常采用如下方式實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)信號(hào)的輸入和輸出。6.1開(kāi)關(guān)信號(hào)的輸入/輸出方式

1.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(kāi)關(guān)信號(hào)，如圖6-1(a)所示，其中P1.0、P1.1作為輸入引腳，當(dāng)S1、S2斷開(kāi)時(shí)，P1.0、P1.1引腳為高電平；當(dāng)S1、S2被按下時(shí)，相應(yīng)引腳為低電平。對(duì)于內(nèi)置了上拉電阻的I/O口，如MCS-51系列CPU的P1口，無(wú)須外接上拉電阻R1、R2。對(duì)于CMOS輸入結(jié)構(gòu)的I/O口，輸入時(shí)I/O引腳處于懸空狀態(tài)，如PIC16C系列CPU的I/O端口，這類I/O引腳作輸入引腳使用時(shí)，必須外接上拉電阻，使S1、S2不按下時(shí)，輸入引腳為高電平。在圖6-1(a)中，P1.2作為輸出引腳，驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光二極管。如果CPUI/O引腳驅(qū)動(dòng)電流有限，則必須外接驅(qū)動(dòng)器，如集電極開(kāi)路輸出的7407或7406等。

在直接編碼輸入/輸出方式中，每一I/O引腳僅能輸入或輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)，各引腳相互獨(dú)立，沒(méi)有編碼關(guān)系。顯然，I/O引腳利用率低，只適用于僅需要輸入或輸出少量開(kāi)關(guān)信號(hào)的場(chǎng)合。

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(jìn)制編碼后輸入或輸出。例如，對(duì)于n條輸出引腳，經(jīng)二進(jìn)制譯碼器譯碼后，可以控制2n個(gè)設(shè)備；對(duì)于2n個(gè)不同時(shí)有效的輸入量，經(jīng)過(guò)編碼器與CPU連接時(shí)，也只需要n個(gè)引腳，如圖6-1(b)所示。

顯然，采用編碼輸入/輸出時(shí)，CPUI/O引腳利用率最高，但硬件開(kāi)銷大，在單片機(jī)控制系統(tǒng)中很少采用。

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、列交叉點(diǎn)就構(gòu)成了所需的n

×

m個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。顯然，所需的I/O引腳數(shù)目為n

+

m，而檢測(cè)點(diǎn)總數(shù)達(dá)到了n

×

m個(gè)，如圖6-1(c)所示。可見(jiàn)，I/O引腳的利用率較高，硬件開(kāi)銷少，因此得到了廣泛應(yīng)用。

圖6-1輸入/輸出方式

(a)直接解碼輸入/輸出方式；(b)矩陣輸入/輸出方式；(c)編碼輸入/輸出方式在矩陣編碼方式中，如果行線、列線均定義為輸出狀態(tài)，就可輸出n

×

m個(gè)開(kāi)關(guān)量；當(dāng)行、列線中有一組為輸出線，另一組為輸入線時(shí)就構(gòu)成了n

×

m個(gè)輸入檢測(cè)點(diǎn)，如矩陣鍵盤電路。

通過(guò)單片機(jī)芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的輸入處理和輸出控制時(shí)，必須了解以下問(wèn)題：

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

例如在MCS-51系列單片機(jī)中，理論上可以使用的I/O端口數(shù)目為四個(gè)8位口，共計(jì)32根I/O線。6.2I/O資源及擴(kuò)展但當(dāng)系統(tǒng)中含有外部ROM或外部RAM存儲(chǔ)器時(shí)，P0口將作為地址/數(shù)據(jù)總線使用，即在取指期間，P0口輸出指令碼所在存儲(chǔ)單元(外部程序存儲(chǔ)器)的低8位地址，讀出的指令碼也從P0口輸入，即又作數(shù)據(jù)總線使用；P2口輸出外部程序存儲(chǔ)器、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器高8位地址。因此，在含有外部存儲(chǔ)器的MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，P0、P2口不能再作為通常意義上的I/O總線使用。

內(nèi)含OTPROM、FlashROM程序存儲(chǔ)器的MCS-51及兼容芯片，如87C51/52/54/58、89C51/52/54/58、87C51×2/52

×2/54×2/58×2、89C51×2/52×2/54×2/58X2、AT89S51

/52/53已成為主流芯片，這類芯片無(wú)須擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器，一般只需擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O端口。但在MCS-51系統(tǒng)中，沒(méi)有獨(dú)立的I/O端口地址空間，即I/O地址空間是外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的一部分，因此，只要系統(tǒng)中使用了可尋址的I/O接口芯片，如8155、8255等，也不能將P0口作為一般意義上的I/O引腳使用，P2口也不能作為一般意義上I/O引腳使用，除非擴(kuò)展外部RAM和I/O端口地址小于256字節(jié)，P2口才可作為一般意義上的I/O引腳使用(通過(guò)“MOVX@Ri,A”和“MOVXA,@Ri”訪問(wèn))。

P3口是多功能復(fù)用端口，只有當(dāng)不使用其中的第二輸入/輸出功能時(shí)，才可作為一般I/O口使用。例如，P3.6、P3.7引腳分別是外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀寫控制信號(hào)，因此在含有外部RAM、可尋址I/O芯片的控制系統(tǒng)中，不能再將這兩個(gè)引腳挪做他用。又如，當(dāng)使用作為電源掉電中斷輸入端時(shí)，P3.2引腳同樣不能作為一般I/O引腳使用。

可見(jiàn)，在MCS-51系列CPU中，只有P1口和P3口中未用的引腳可作為一般I/O引腳使用，即能夠使用的I/O線數(shù)目在8～16之間；在使用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器芯片的MCS-51系統(tǒng)中，如果所需外部RAM、I/O端口空間小于256字節(jié)時(shí)，P1口、P2口和P3口中未用的引腳可作為一般I/O引腳使用，即能夠使用的I/O線數(shù)目在16～24之間。因此，在MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常需要通過(guò)觸發(fā)器或I/O擴(kuò)展芯片擴(kuò)展I/O引腳。

(2)作輸出控制信號(hào)線時(shí)，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)只有了解了CPUI/O端口輸出級(jí)電路結(jié)構(gòu)和負(fù)載能力，才可能設(shè)計(jì)出原理正確、工作可靠的I/O接口電路。

對(duì)于輸出口，當(dāng)輸出高電平時(shí)，能給負(fù)載提供的最大驅(qū)動(dòng)電流就是該輸出口高電平驅(qū)動(dòng)能力，當(dāng)輸出電流大于最大驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，上拉MOS管內(nèi)阻上的壓降將增加，VOH會(huì)下降。當(dāng)VOH小于某一數(shù)值后，后級(jí)電路會(huì)誤認(rèn)為輸入為低電平，產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤。因此，要注意輸出高電平時(shí)的負(fù)載能力。而當(dāng)輸出低電平時(shí)，輸出級(jí)飽和，負(fù)載電流倒灌。同樣，倒灌的電流也不能太大，否則會(huì)使輸出級(jí)因過(guò)流而損壞，即使沒(méi)有損壞，也會(huì)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(jí)電路同樣會(huì)誤以為輸入為高電平，產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤。

負(fù)載能力通常以能驅(qū)動(dòng)多少個(gè)TTL門電路作為計(jì)量單位。MCS-51系列CPU各I/O端口內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)已在第2章介紹過(guò)，這里不再詳細(xì)介紹。至于I/O端口負(fù)載能力可從CPU芯片技術(shù)手冊(cè)中查到。

(4)了解I/O端口輸出電平范圍。

(5)了解輸入及OD輸出狀態(tài)下，I/O端口最大耐壓。6.2.1通過(guò)鎖存器、觸發(fā)器擴(kuò)展I/O口

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

1.輸出口

圖6-2使用74HC273擴(kuò)展輸出口

MOVDPTR,#9800H ；輸出口地址送數(shù)據(jù)指針

MOVX@DPTR,A ；累加器Acc內(nèi)容鎖存到74HC273的輸出端

顯然，擴(kuò)展輸出口的狀態(tài)不能讀出，當(dāng)僅需要修改輸出口中個(gè)別位狀態(tài)時(shí)，可使用具有位尋址功能的內(nèi)部RAM單元作為擴(kuò)展輸出口的映像地址，采用間接方式訪問(wèn)，即先對(duì)映像地址單元進(jìn)行“讀—改—寫”操作，再將映像地址單元內(nèi)容送外部端口。例如通過(guò)如下指令即可將9800H口的b0位取反：

PORTP6DATA28H ；使用28H單元作為9800H端口的映像地址

MOVA,PORTP6 ；Acc←9800H端口映像地址

CPLACC.0 ；對(duì)b0位取反

MOVPORTP6,A ；回寫映像地址單元

MOVDPTR,#9800H ；DPTR←端口地址

MOVX@DPTR,A ；端口映像內(nèi)容b0位取反后送74HC273輸出端

對(duì)于確實(shí)需要將數(shù)據(jù)寫入這類“高電平送數(shù)，下降沿鎖存”的器件，如某些LCD顯示模塊I/O口時(shí)，可將這類器件的數(shù)據(jù)輸入端、數(shù)據(jù)鎖存使能端LE與CPU的I/O引腳(如P1.X)或具有輸出鎖存功能的I/O擴(kuò)展芯片，如8255、8155的輸出口相連，如圖6-8所示。

2.輸入口

對(duì)輸入口來(lái)說(shuō)，一般無(wú)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(dòng)器、D型觸發(fā)器(如74HC374)以及電平觸發(fā)的鎖存器(如74HC373)等均可以作為輸入口擴(kuò)展芯片，如圖6-3所示。

在圖6-3中分別使用了兩片74HC373、一片74HC125構(gòu)成了三個(gè)輸入口，共擴(kuò)展了20條輸入線，其中U1的輸出允許端接U4的譯碼輸出引腳。圖6-3擴(kuò)展輸入口當(dāng)A15、A14、A13、A12、A11為10000，且為低電平時(shí)，輸出低電平，即讀8000H端口時(shí)，引腳將出現(xiàn)負(fù)脈沖(由于輸入口無(wú)須鎖存，因此將74HC373的鎖存輸入端LE通過(guò)2.2kΩ電阻與電源VCC相連)，使數(shù)據(jù)輸入端與CPU數(shù)據(jù)總線相連。不難看出，由U2構(gòu)成的第二個(gè)輸入端口地址為8800H，其中鎖存脈沖由外部輸入設(shè)備提供；由U3構(gòu)成的第三個(gè)輸入端口地址為9000H。

圖6-4是一個(gè)實(shí)用的輸入/輸出口擴(kuò)展電路，其中74HC273構(gòu)成8位輸出口，74HC373構(gòu)成8位輸入口。

圖6-4擴(kuò)展輸入/輸出口在圖6-4所示I/O擴(kuò)展電路中，由于I/O端口數(shù)不多，沒(méi)有用P2口(即高8位地址A15～A8)引腳，在應(yīng)用程序中不用“MOVXA,@DPTR”與“MOVX@DPTR,A”指令，而用“MOVXA,@Ri”與“MOVX@Ri,A”指令讀寫I/O端口時(shí)，P2口全部引腳可作為一般I/O引腳使用。6.2.2利用串入并出及并入串出芯片擴(kuò)展I/O口

在速度要求不高的情況下，可利用74HC164、74HC594、74HC595等“串入并出”芯片擴(kuò)展輸出口；利用74HC165、74HC597等“并入串出”芯片擴(kuò)展輸入口，也是一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的I/O口擴(kuò)展方式。當(dāng)串行口未用時(shí)，可通過(guò)串行口方式0完成串行數(shù)據(jù)的輸入或輸出(參閱第4章)；而當(dāng)串行口已作它用時(shí)，可根據(jù)串行輸入/輸出芯片的操作時(shí)序，使用I/O引腳模擬串行移位脈沖，完成數(shù)據(jù)的輸入/輸出，例如在圖6-5中使用89C5×芯片三根I/O線，借助兩片74HC595即可將3根I/O引腳通過(guò)串行移位方式擴(kuò)展為16根輸出線。

圖6-5通過(guò)“串入并出”芯片擴(kuò)展輸出引腳假設(shè)擴(kuò)展輸出引腳ED7～ED0輸出信息在內(nèi)存中的映像地址為EDATA1；ED15～ED8輸出信息在內(nèi)存中的映像地址為EDATA1+1，則可通過(guò)如下程序段將數(shù)據(jù)串行輸出到ED15～ED0引腳。

EDATA1 DATA 38H ；假設(shè)輸出數(shù)據(jù)存放在38H、39H單元中

SDI BITP1.0 ；串行數(shù)據(jù)輸入接P1.0引腳

SRCLK

BIT P1.1 ；串行移位脈沖接P1.1引腳

RCLK BIT P1.2 ；并行輸出鎖存脈沖接P1.2引腳

；----------串行數(shù)據(jù)輸出程序段---------

CLRRCLK ；并行鎖存脈沖置為低電平

MOVR0,#EDATA1

MOVR2,#2 ；共需要串行輸出兩個(gè)字節(jié)

LOOP1:

MOVA,@R0 ；取輸出數(shù)據(jù)

MOVR3,#8 ；右移8次

LOOP2:

CLRSRCLK ；串行移位脈沖置為低電平

RRCA ；帶進(jìn)位Cy循環(huán)右移

MOVSDI,C ；串行數(shù)據(jù)送SDI

NOP ；插入NOP指令適當(dāng)延遲(是否延遲由CPU指令周期決定)

SETBSRCLK ；串行移位脈沖置為高電平，形成上升沿

DJNZR3,LOOP2

INCR0 ；R0加1，指向高8位

DJNZR2,LOOP1 ；循環(huán)，輸出高8位

SETBRCLK ；并行輸出鎖存脈沖置為高電平，形成上升沿6.2.3用8255可編程I/O芯片擴(kuò)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中較常見(jiàn)的并行I/O擴(kuò)展芯片之一。

此外8155/8156也曾經(jīng)是MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)常用的可編程并行I/O擴(kuò)展芯片之一，與MCS-51接口方便。8155/8156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(kuò)展芯片除了可提供三個(gè)可編程的I/O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(chǔ)單元和一個(gè)14位的可編程定時(shí)/計(jì)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(jī)的P0口相連，無(wú)須使用74HC373鎖存低8位地址信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)所需外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量不大時(shí)，由1片CPU(如8751、8752、87C51/52/54/58、89C51/52/54/58、87C51×2/52×2/54×2/58×2、89C51×2/52×2/54×2/58×2等)和1片8155即可構(gòu)成I/O端口較多、具有256字節(jié)外部RAM的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。但隨著內(nèi)置256～1792B片內(nèi)擴(kuò)展RAM的MCS-51內(nèi)核兼容芯片，如SST系列、STC系列、89C51RX等系列普及，在MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，已不再采用8155/8156PIO芯片擴(kuò)展并行I/O口。

1.?8255的結(jié)構(gòu)及引腳功能

8255采用DIP40、LCC44或QFP44封裝形式，引腳功能及排列如圖6-6所示，其中：

D7～D0—數(shù)據(jù)總線，雙向，三態(tài)，可直接與CPU數(shù)據(jù)總線相連。

A1、A0—地址線，輸入。8255含有A、B、C三個(gè)8位輸入/輸出口和一個(gè)控制/狀態(tài)寄存器，即4個(gè)可尋址的I/O端口。A1、A0地址線狀態(tài)編碼與這四個(gè)I/O端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表6-1所示。

圖6-68255A引腳

(a)引腳功能；(b)引腳排列

表6-1地址線與對(duì)應(yīng)端口的關(guān)系

表6-28255的工作狀態(tài)PA7～PA0—A口數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。

PB7～PB0—B口數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。

PC7～PC0—C口數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。當(dāng)A、B口工作在選通方式時(shí)，C口部分引腳作為A、B口的通信聯(lián)絡(luò)信號(hào)。

8255內(nèi)部由A、B、C三個(gè)并行口和一個(gè)控制/狀態(tài)寄存器組成。其中控制寄存器主要用于選擇A、B、C三個(gè)并行口的工作狀態(tài)——包括工作方式，輸入還是輸出。

A口：作輸出口時(shí)，是一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存和緩沖器；作輸入口時(shí)，是一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。

B口：作輸出口時(shí)，是一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存和緩沖器；作輸入口時(shí)，是一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器。

C口：作輸出口時(shí)，是一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存和緩沖器；作輸入口時(shí)，是一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器(即C口對(duì)輸入數(shù)據(jù)不具備鎖存功能)。

2.?8255工作方式

8255屬于可編程的I/O擴(kuò)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6-3所示。

表6-38255工作方式控制字各位的含義8255I/O口有三種工作方式：

方式0，基本輸入/輸出方式。特點(diǎn)是對(duì)輸出信號(hào)具有鎖存功能，對(duì)輸入信號(hào)沒(méi)有鎖存功能。

方式1，選通輸入/輸出方式。特點(diǎn)是使用C口部分引腳作為A、B通信聯(lián)絡(luò)信號(hào)，對(duì)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(hào)，對(duì)輸入、輸出數(shù)據(jù)均具有鎖存功能?？梢?jiàn)8255三個(gè)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；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(shí)，C口全部引腳可作為輸入/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或方式2時(shí)，C口部分引腳作為A、B口通信聯(lián)絡(luò)信號(hào)(這時(shí)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6-4所示。

表6-4A、B口工作在方式1或方式2時(shí)C口引腳的含義需要注意的是：8255I/O引腳采用互補(bǔ)推挽輸出電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)I/O引腳被定義為輸入方式時(shí)，相當(dāng)于懸空，因此需要外接上拉電阻。

其中：

圖6-7選通輸入/輸出連接示意圖

(a)

A口工作在選通輸入方式下信號(hào)連接方式及時(shí)序；

(b)

A口工作在選通輸出方式下信號(hào)連接方式及時(shí)序

(3)在雙向傳輸方式(A口方式2)下，使用了PC7～PC3作為聯(lián)絡(luò)信號(hào)。

可見(jiàn)，當(dāng)A或B工作在方式1或方式2時(shí)，C口部分引腳作通信聯(lián)絡(luò)信號(hào)使用，不能再作為一般的I/O引腳使用(但未用的C口引腳仍可作為一般I/O引腳使用)。

例如，當(dāng)A口工作在方式0(基本輸入/輸出方式)，B口工作在方式1時(shí)，除PC7～PC4可作為一般I/O引腳使用(輸入還是輸出由工作方式控制字的b3位決定)外，PC3也可作為一般I/O引腳使用(輸入還是輸出由工作方式控制字的b0位決定)。

又如，當(dāng)A、B口均工作在選通輸入方式時(shí)，PC7～PC6仍可作為一般I/O引腳使用(輸入還是輸出由工作方式控制字的b3位決定)。

3.?C口復(fù)位/位置控制字

當(dāng)C口處于輸出狀態(tài)時(shí)，具有位控制功能，把“復(fù)位/位置控制字”寫入控制寄存器后，即可使C口相應(yīng)位置1或清0，C口復(fù)位/位置控制字格式如下：例如，當(dāng)PC7～PC4處于輸出狀態(tài)時(shí)，把控制字00001010B(即0AH)寫入控制寄存器，即可使PC5引腳輸出0電平。

4.?8255芯片與MCS-51接口應(yīng)用舉例

圖6-8MCS-51與8255芯片的連接圖6-98255與8×C5×接口電路

例6.1

在某單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，需要4

×

5(共20)個(gè)按鍵的矩陣鍵盤電路，以及驅(qū)動(dòng)FM19264點(diǎn)陣式LCD顯示器，其中LCD顯示器引腳信號(hào)功能如表6-5所示。

表6-5例6.1LCD顯示器引腳功能試通過(guò)8255芯片形成LCD顯示器和鍵盤接口電路。

分析：由于該LCD顯示模塊的使能信號(hào)E采用“高電平送數(shù)，下降沿鎖存”，不能直接與單片機(jī)連接，且所需I/O引腳較多，可通過(guò)8255與CPU連接，具體線路如圖6-9所示。

A、B口工作在方式0，其中A口與LCD的數(shù)據(jù)總線DB7～DB0相連，對(duì)LCD進(jìn)行寫入操作時(shí)，PA是輸出引腳；對(duì)LCD進(jìn)行讀操作時(shí)，PA口是輸入引腳。

B口輸出，其中PB5～PB0作為矩陣鍵盤列掃描線；PB7接LCD的(讀/寫)控制端，PB6接LCD的(數(shù)據(jù)/命令選擇段)。

C口A組(即PC7～PC4)輸出，分別接LCD的使能輸入端E和片選信號(hào)CS3～CS1；C口的B組(即PC3～PC0)接矩陣鍵盤的行線，輸入。因此，8255的工作方式控制字為81H(對(duì)LCD進(jìn)行寫操作時(shí))和91H(對(duì)LCD進(jìn)行讀操作時(shí))。

而8255的片選信號(hào)接U4的譯碼輸出(當(dāng)然，如果系統(tǒng)中沒(méi)有其他I/O芯片，也可以用線選法，直接將8255的片選信號(hào)與未用高位地線相連)，根據(jù)138譯碼條件，可知：

8255A口地址為8400H；

8255B口地址為8401H；

8255C口地址為8402H；

8255控制寄存器口地址為8403H。

可通過(guò)如下指令對(duì)8255進(jìn)行初始化：

MOVDPTR,#8403H ；8255控制口地址送DPTR

MOVA,#81H ；工作方式控制字送累加器A

MOVX@DPTR,A ；工作方式控制字送8255控制口

通過(guò)如下命令將存放在累加器A的數(shù)據(jù)信息寫入LCD：

MOVDPTR,#8400H ；將LCD顯示器數(shù)據(jù)口地址送DPTR

MOVX@DPTR,A ；寫入數(shù)據(jù)信息送A口

INCDPTR ；指向B口

MOVA,#01000000B ；送讀寫、數(shù)據(jù)/命令標(biāo)志(B口低6位與LCD讀寫操作無(wú)關(guān)，可設(shè)

；為0)

MOVX@DPTR,A ；使引腳為低電平；引腳為高電平

INCDPTR ；指向C口

MOVA,#11110000B

MOVX@DPTR,A ；即E為高，同時(shí)選中CS3-CS1

CLRAcc.7 ；使E信號(hào)為低電平，以便LCD將數(shù)據(jù)鎖存到其內(nèi)部的數(shù)據(jù)鎖存

；器中

MOVX@DPTR,A表6-6LED正向壓降與材料的關(guān)系6.2.4利用MCU擴(kuò)展I/O

當(dāng)I/O引腳資源不夠時(shí)，在特定應(yīng)用系統(tǒng)中用另一塊MCU來(lái)擴(kuò)展I/O端口比用三態(tài)門、觸發(fā)器、專用I/O擴(kuò)展芯片如8255、8155等擴(kuò)展I/O引腳可能更實(shí)用。一方面，不僅擴(kuò)展了I/O引腳，也擴(kuò)展了其他硬件資源(如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷輸入端等)；另一方面，部分工作可由擴(kuò)展MCU完成，減輕了主MCU的負(fù)擔(dān)；再者，MCUI/O口電平狀態(tài)可編程設(shè)置，從而省去承擔(dān)邏輯轉(zhuǎn)換的與非門電路芯片；當(dāng)使用I/O口輸出級(jí)電路結(jié)構(gòu)可編程選擇的MCU，如P89PLC900系列、STC12C54××系列芯片擴(kuò)展I/O引腳時(shí)，除了具有上述便利條件外，還能簡(jiǎn)化I/O接口電路，如電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。因此，強(qiáng)烈推薦考慮通過(guò)MCU擴(kuò)展I/O口。

利用MCU擴(kuò)展I/O資源時(shí)，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(shí)現(xiàn)兩MCU之間的信息交換。

6.3.1發(fā)光二極管

發(fā)光二極管LED具有體積小，抗沖擊、震動(dòng)性能好，可靠性高，壽命長(zhǎng)，工作電壓低，功耗小，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，常用于顯示系統(tǒng)的狀態(tài)或用于系統(tǒng)中某一功能電路，甚至某一輸出引腳的電平狀態(tài)顯示，如電源指示、停機(jī)指示、錯(cuò)誤指示等，使人一目了然。6.3簡(jiǎn)單顯示驅(qū)動(dòng)電路此外，將多個(gè)LED管芯組合在一起，就構(gòu)成了特定字符(文字或數(shù)碼)的顯示器件，如七段、八段LED數(shù)碼管和點(diǎn)陣式LED顯示器，將發(fā)光二極管和光敏三極管組合在一起，就構(gòu)成了光電耦合器件以及由此衍生出來(lái)的固態(tài)繼電器。因此，了解LED發(fā)光二極管性能、使用方法，對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常必要。

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(gè)PN結(jié)，同樣具有正向?qū)ǎ聪蚪刂沟奶匦?。發(fā)光二極管的伏安特性曲線與普通二極管相似，如圖6-10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)。由圖6-10看出：

(1)當(dāng)外加正向電壓小于0.9～1.1V時(shí)，

LED不導(dǎo)通；當(dāng)外加電壓大于正向閾值電壓時(shí)，LED導(dǎo)通，同時(shí)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6-6所示。

圖6-10LED二極管伏安特性曲線

(2)

LED導(dǎo)通后，伏安特性曲線更陡，即LED導(dǎo)通后，內(nèi)阻更小(因此也可作為降壓元件使用，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5～10V之間。

LED二極管的亮度與LED材料、結(jié)構(gòu)以及工作電流有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，工作電流越大，亮度也越大，但亮度與工作電流的關(guān)系，因材料而異，例如GaP發(fā)光二極管，當(dāng)工作電流增加到一定數(shù)值后，電流增加，LED亮度不再增大，即出現(xiàn)亮度飽和現(xiàn)象；而GaAsP發(fā)光二極管的亮度隨電流的增大而增大，在器件因功耗增加而損壞前觀察不到亮度飽和現(xiàn)象。

LED發(fā)光二極管工作電流一般控制在3～20mA之間，最大不超過(guò)50mA，否則會(huì)損壞。為了獲得良好的發(fā)光效果，LED平均工作電流控制在10～15mA范圍內(nèi)。6.3.2驅(qū)動(dòng)電路

LED工作電流較大，而MCS-51系列CPUP1～P3口I/O引腳負(fù)載能力僅為四個(gè)TTL門電路，一般不能直接驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光二極管，可使用三極管或驅(qū)動(dòng)IC芯片驅(qū)動(dòng)，如圖6-11所示。

圖6-11CPU與LED接口電路

(a)、(b)、(d)低電平有效；(c)高電平有效其中圖(a)采用PNP三極管驅(qū)動(dòng)，當(dāng)P1.X引腳輸出低電平時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，限流電阻R與LED內(nèi)阻(幾歐姆～幾十歐姆)構(gòu)成了集電極等效電阻Rc。限流電阻R的大小由LED二極管工作電流IF決定，即IC

=

IF

=

(VCC

-

VF

-

VCES)/R。其中IC為集電極電流；IF為L(zhǎng)ED工作電流；VCC為電源電壓；VCES為三極管飽和壓降，一般在0.1～0.2V之間；VF為L(zhǎng)ED導(dǎo)通電壓，一般在1.2～2.5V之間。

當(dāng)VCC為5V，VF取2.0V，VCES取0.2V，IF取15mA時(shí)，限流電阻R大致為200Ω。

當(dāng)P1.X引腳輸出高電平時(shí)，三極管截止，LED不亮。值得注意的是：為使LED發(fā)光時(shí)，驅(qū)動(dòng)管處于飽和狀態(tài)，發(fā)光二極管LED不宜串在發(fā)射極。

圖(b)、圖(c)采用集電極開(kāi)路輸出(OC門)的集成驅(qū)動(dòng)器，如7407(同相驅(qū)動(dòng))、7406(反相驅(qū)動(dòng))，限流電阻R與LED導(dǎo)通時(shí)內(nèi)阻構(gòu)成了輸出級(jí)集電極等效電阻Rc。限流電阻R的計(jì)算方法與圖(a)相同。在圖(b)中，當(dāng)P1.X引腳輸出低電平時(shí)，7407驅(qū)動(dòng)器輸出低電平，LED亮。而在圖(c)中，當(dāng)P1.X引腳輸出高電平時(shí)，7406反相器輸出低電平，LED亮，該電路不足之處是CPU復(fù)位期間LED亮。對(duì)于漏極開(kāi)路輸出的I/O口，如增強(qiáng)型MCS-51的P0口，可直接驅(qū)動(dòng)1～3只工作電流不大的小功率LED發(fā)光二極管，如圖(d)所示(但必須注意I/O引腳電流總和不能大于器件允許值)。6.3.3LED發(fā)光二極管顯示狀態(tài)及同步

一般說(shuō)來(lái)，單個(gè)LED有“亮”、“滅”兩種狀態(tài)，但在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，由于I/O引腳數(shù)量、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(wú)交流”、“交流正常”、“過(guò)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(wú)交流/電池電壓正常”、“交流正常/電池電壓正常”、“交流正常/電池低壓”、“無(wú)交流/電池低壓”四種狀態(tài)。在這種情況下，一般用兩位記錄每一只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)的內(nèi)部RAM單元可記錄4個(gè)LED指示燈的狀態(tài)。

當(dāng)系統(tǒng)中存在兩個(gè)或兩個(gè)以上LED發(fā)光二極管以閃爍方式表示不同的狀態(tài)時(shí)，就遇到LED顯示同步問(wèn)題，否則可能出現(xiàn)甲燈亮?xí)r，乙燈滅——呈現(xiàn)類似霓虹燈的走動(dòng)顯示效應(yīng)。

解決方法：快閃、慢閃時(shí)間呈倍數(shù)關(guān)系，如快閃切換時(shí)間為0.15～0.25s，則慢閃切換時(shí)間可設(shè)為0.45～0.75s(2～3倍)；然后在定時(shí)中斷服務(wù)程序中設(shè)置快、慢閃切換標(biāo)志，并根據(jù)LED狀態(tài)關(guān)閉或打開(kāi)LED指示燈即可。

例6.2

假設(shè)某系統(tǒng)存在3個(gè)具有快慢閃狀態(tài)的發(fā)光二極管指示燈LED1、LED2、LED3，通過(guò)P1.2～P1.0引腳經(jīng)7407驅(qū)動(dòng)與LED3～LED1相連，試寫出顯示驅(qū)動(dòng)程序。

分析：可用LEDSTUD單元記錄3個(gè)LED發(fā)光二極管的狀態(tài)，其中b1/b0記錄LED1的狀態(tài)；b3/b2記錄LED2的狀態(tài)；b5/b4記錄LED3的狀態(tài)。如果定時(shí)器T0每10ms中斷一次，則定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序中與LED發(fā)光二極管顯示有關(guān)的程序片段如下：

LEDSTU DATA 28H ；LED狀態(tài)寄存器

LEDTIME DATA 30H ；LED顯示記時(shí)器

LEDTB1 BIT 00H ；快閃切換時(shí)間(0.16s)到標(biāo)志

LEDTB2 BIT 01H ；慢閃切換時(shí)間(0.48s)到標(biāo)志

；定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序

PROCCTC0

CTC0:

…… ；現(xiàn)場(chǎng)及工作區(qū)切換略

；****LED顯示程序段*****

INCLEDTIME ；顯示時(shí)間計(jì)時(shí)器+1

MOVA,LEDTIME

CJNEA,#48,NEXT1

NEXT1:

JCNEXT2

MOVLEDTIME,#0 ；計(jì)時(shí)器已達(dá)到48，從0開(kāi)始計(jì)數(shù)

CPLLEDTB2 ；慢閃切換時(shí)間到標(biāo)志取反

SJMPNEXT3 ；快、慢閃切換時(shí)間到標(biāo)志同時(shí)有效

NEXT2:

ANLA,#0FH ；僅保留b3～b0

JZNEXT3 ；低4位b3～b0為0，即顯示時(shí)間被除16整數(shù)不是0，說(shuō)明不

；是16的倍數(shù)

LJMPLEDEND ；既不是48(即0.48s)，也不是16的倍數(shù)，說(shuō)明時(shí)間未到

NEXT3:

CPLLEDTB1 ；快閃切換時(shí)間到標(biāo)志取反

；--------LED1顯示設(shè)置-------

MOVA,LEDSTU

ANLA,#03H ；保留LED1的顯示狀態(tài)

CJNEA,#0,NEXT11

SETBP1.0 ；關(guān)閉LED1

SJMPLED1END

NEXT11:

CJNEA,#1,NEXT12

MOVC,LEDTB2 ；把慢閃切換標(biāo)志送P1.0

MOVP1.0,C

SJMPLED1END

NEXT12:

CJNEA,#2,NEXT13

MOVC,LEDTB1 ；把快閃切換標(biāo)志送P1.0

MOVP1.0,C

SJMPLED1END

NEXT13:

CLRP1.0 ；等于11，常亮，開(kāi)LED1

LED1END:

；--------LED2顯示設(shè)置-------

MOVA,LEDSTU

ANLA,#0CH ；保留LED2的顯示狀態(tài)

CJNEA,#0H,NEXT21

SETBP1.1 ；關(guān)閉LED2

SJMPLED2END

NEXT21:

CJNEA,#4H,NEXT22

MOVC,LEDTB2 ；把慢閃切換標(biāo)志送P1.1

MOVP1.1,C

SJMPLED2END

NEXT22:

CJNEA,#8H,NEXT23

MOVC,LEDTB1 ；把快閃切換標(biāo)志送P1.1

MOVP1.1,C

SJMPLED2END

NEXT23:

CLRP1.1 ；等于11，常亮，開(kāi)LED2

LED2END:

；--------LED3顯示設(shè)置-------

MOVA,LEDSTU

ANLA,#30H ；保留LED3的顯示狀態(tài)

CJNEA,#0H,NEXT31

SETBP1.2 ；關(guān)閉LED3

SJMPLEDEND

NEXT31:

CJNEA,#10H,NEXT32

MOVC,LEDTB2 ；把慢閃切換標(biāo)志送P1.2

MOVP1.2,C

SJMPLEDEND

NEXT32:

CJNEA,#20H,NEXT33

MOVC,LEDTB1 ；把快閃切換標(biāo)志送P1.2

MOVP1.2,C

SJMPLEDEND

NEXT33:

CLRP1.2 ；等于11，常亮，開(kāi)LED3

LEDEND:

…… ；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)(略)

RETI

END

LED數(shù)碼管是單片機(jī)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的地位類似于CRT(陰極射線管)、LCD(液晶)顯示器在臺(tái)式微機(jī)系統(tǒng)中的地位。在單片機(jī)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(hào)的狀態(tài)或大小。6.4LED數(shù)碼管及其顯示驅(qū)動(dòng)電路6.4.1LED數(shù)碼管

LED數(shù)碼管的外觀如圖6-12(a)所示，筆段及其對(duì)應(yīng)引腳排列如圖6-12(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(diǎn)，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1.2～2.5V；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(shí)，每只LED工作電壓通常以2.0V計(jì)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

7～8V之間，電源電壓VCC必須取9V以上。

圖6-12LED數(shù)碼管根據(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)碼管分為共陰和共陽(yáng)兩大類。在共陰LED數(shù)碼管中，所有筆段的LED發(fā)光二極管的負(fù)極連在一起，如圖6-12(c)所示；而在共陽(yáng)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6-12(d)所示。由于共陽(yáng)LED數(shù)碼管與OC、OD門驅(qū)動(dòng)器連接方便，因此在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，多用共陽(yáng)LED數(shù)碼管。

LED數(shù)碼管有單體、雙體、三體等多種封裝形式，對(duì)于雙體、三體封裝形式LED數(shù)碼管，其引腳排列與筆段對(duì)應(yīng)關(guān)系可能因生產(chǎn)廠家的不同而不同，通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表或指針式萬(wàn)用表歐姆擋即可判別出連接方式(共陰還是共陽(yáng))及其公共端后，即可借助外部電源與一只阻值為1kΩ的限流電阻識(shí)別出引腳排列方式。6.4.2LED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(diǎn)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(diǎn)亮?xí)r，就可以顯示數(shù)字“０”；又如筆段a、b、c、d、g被點(diǎn)亮?xí)r就顯示數(shù)字“3”。理論上，七個(gè)筆段可以顯示128種不同的字符，扣除其中沒(méi)有意義的狀態(tài)組合后，七段LED數(shù)碼管可以顯示的字符如表6-7所示。

表6-7七段LED數(shù)碼管可以顯示的字符

依據(jù)顯示驅(qū)動(dòng)方式的不同，可將LED數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)電路分為靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。

1.?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(dòng)電路無(wú)須筆段譯碼器)、驅(qū)動(dòng)器等部分組成。在單片機(jī)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，而是采用軟件方式譯碼，原因是軟件譯碼靈活、方便。下面是單片機(jī)系統(tǒng)中常用的LED靜態(tài)顯示接口電路形式。

(1)圖6-13(a)是一位的共陽(yáng)LED靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路，P1口輸出筆段代碼，通過(guò)7407驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管。該電路優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接利用P1口鎖存器作筆段代碼鎖存器，缺點(diǎn)是占有了P1.0～P1.6七根I/O線。

驅(qū)動(dòng)程序如下：

MOVDPTR,#LEDTAB ；筆段碼表首地址送DPTR

MOVCA,@A+DPTR ；取數(shù)字對(duì)應(yīng)的筆段碼，待顯示的數(shù)字存放在A累加器中

MOVP1,A ；取出的筆段碼送P1口顯示

LEDTAB: ；筆段碼表首地址

DBC0H,0F9H,0A4H,... ；筆段代碼表

例如，顯示數(shù)字“0”時(shí)，要求a、b、c、d、e、f筆段亮，即P1.0～P1.5輸出低電平，P1.6輸出高電平，P1.7與筆段無(wú)關(guān)，規(guī)定輸出高電平，因此數(shù)字“０”的筆段代碼為C0H。同理，可以推算出其他數(shù)字或字符的筆段代碼。

(2)在圖6-13(b)中，通過(guò)八上升沿D型觸發(fā)器74HC273擴(kuò)展輸出口，分別作為L(zhǎng)ED1、LED2的筆段代碼鎖存器。

根據(jù)74HC138譯碼條件，U3鎖存脈沖接U2的1腳，因此LED1筆段碼鎖存器地址(也就是LED1數(shù)碼管I/O口地址)為8000H；U4鎖存脈沖接U2的4腳，因此LED2筆段碼鎖存器地址為8400H。顯示驅(qū)動(dòng)程序如下：

MOVDPTR,#LEDTAB ；筆段碼表首地址送DPTR

MOVCA,@A+DPTR ；取相應(yīng)數(shù)字的筆段代碼，待顯示的數(shù)字存放在A累加器中

MOVDPTR,#80000H ；LED1筆段碼鎖存器地址送DPTR

MOVX@DPTR,A ；輸出筆段碼

(3)如果LED數(shù)碼管工作電流小于10mA，使用74HC273芯片后，可省去驅(qū)動(dòng)芯片7407，如圖6-13(c)所示。

(4)當(dāng)系統(tǒng)中I/O引腳資源不緊張時(shí)，可使用I/O引腳作D型觸發(fā)器的鎖存脈沖，如圖6-13(d)所示。

驅(qū)動(dòng)程序如下：

MOVDPTR,#LEDTAB ；筆段碼表首地址送DPTR

MOVCA,@A+DPTR ；取相應(yīng)數(shù)字的筆段代碼，待顯示的數(shù)字存放在A累加器中

MOVP0,A ；筆段碼送P0口

CLRP2.6

SETBP2.6 ；形成LED1鎖存脈沖上升沿，將出現(xiàn)在P0口的筆段碼鎖存

當(dāng)然，也可以使用并行I/O擴(kuò)展芯片鎖存LED顯示位的筆段碼。

圖6-13LED靜態(tài)顯示接口電路(1)圖6-13LED靜態(tài)顯示接口電路(1)

圖6-13LED靜態(tài)顯示接口電路(2)圖6-13LED靜態(tài)顯示接口電路(2)

2.動(dòng)態(tài)顯示方式LED顯示器

在靜態(tài)顯示方式中，顯示驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)單，CPU占用率低，但每一位LED數(shù)碼管需要一個(gè)8位鎖存器來(lái)鎖存筆段碼，硬件開(kāi)銷大(元件數(shù)目多，印制板面積也會(huì)隨之增加)，僅適用于顯示位數(shù)較少(4位以下)的場(chǎng)合。當(dāng)需要顯示的位數(shù)在4～12時(shí)，多采用按位掃描軟件譯碼(在單片機(jī)系統(tǒng)中一般不用硬件譯碼)的動(dòng)態(tài)顯示方式或按筆段掃描的動(dòng)態(tài)顯示方式，如圖6-14所示。在按位掃描的動(dòng)態(tài)顯示方式中，各位筆段引腳a～dp并聯(lián)在一起，共用一個(gè)筆段代碼鎖存器(由于單片機(jī)I/O口、I/O擴(kuò)展電路，如8155、8255等大多具有輸出鎖存功能，因此往往不再需要筆段代碼鎖存器)、譯碼器(采用軟件譯碼時(shí)，不用譯碼器)及驅(qū)動(dòng)器；為了控制各LED數(shù)碼管輪流工作，各顯示位的公共端與位譯碼(采用軟件譯碼時(shí)不用)、鎖存、驅(qū)動(dòng)電路相連。這樣即可依次輸出每一顯示位的筆段代碼和位掃描碼，輪流點(diǎn)亮各LED數(shù)碼顯示管，實(shí)現(xiàn)按位動(dòng)態(tài)顯示?？梢?jiàn)，在動(dòng)態(tài)顯示方式中，僅需要一套筆段代碼鎖存、譯碼(軟件譯碼除外)、驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)位掃描碼鎖存、驅(qū)動(dòng)器，硬件開(kāi)銷少。圖6-14由P0、P2口構(gòu)成的8位LED動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路在動(dòng)態(tài)顯示方式中，各LED數(shù)碼管輪流工作，為了防止出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，LED數(shù)碼管刷新頻率必須大于25Hz，即同一LED數(shù)碼管相臨兩次點(diǎn)亮?xí)r間間隔要小于40ms。對(duì)于具有N個(gè)LED數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示電路來(lái)說(shuō)，如果LED顯示器刷新頻率為f，那么刷新周期為1/f，則每一位的顯示時(shí)間為1/(f

×

N)秒。顯然，位數(shù)越多，每一位的顯示時(shí)間就越短，在驅(qū)動(dòng)電流一定的情況下，亮度就越低(正因如此，在動(dòng)態(tài)LED顯示電路中，需適當(dāng)增大驅(qū)動(dòng)電流，對(duì)高亮度LED來(lái)說(shuō)，一般取10～20mA；對(duì)普通亮度LED來(lái)說(shuō)，一般取20～30mA，以抵消因顯示時(shí)間短引起的亮度下降)。為保證一定的亮度，實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)于普通亮度LED來(lái)說(shuō)，在驅(qū)動(dòng)電流取30mA的情況下，每位顯示時(shí)間不能小于1ms。在圖6-14中，使用P2口作為筆段碼鎖存器，7407作筆段碼驅(qū)動(dòng)器(由于在LED動(dòng)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，一般不能省去筆段碼驅(qū)動(dòng)器)；P0口作位掃描碼鎖存器，用中功率PNP管作位驅(qū)動(dòng)器。顯然，筆段、位掃描均采用軟件譯碼方式。

顯示時(shí)，依次將各位筆段碼送P2口，位掃描碼送P0口，即可分時(shí)顯示所有位。就微觀來(lái)說(shuō)，任一時(shí)刻只有一只LED數(shù)碼管工作，利用人眼視覺(jué)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(shí)顯示，且沒(méi)有閃爍感。

從圖中可以看出，在軟件譯碼的動(dòng)態(tài)LED顯示電路中，無(wú)論位數(shù)多寡，都只需一套筆段碼鎖存器與驅(qū)動(dòng)器，一套位掃描碼鎖存器與驅(qū)動(dòng)器，硬件開(kāi)銷少。因此，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

P0口漏極開(kāi)路，低電平驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可吸收3.2mA的灌電流，當(dāng)PNP三極管電流放大系數(shù)β大于100時(shí)，集電極最大電流ICmax達(dá)320mA，足可以驅(qū)動(dòng)10只動(dòng)態(tài)工作電流為30mA的發(fā)光二極管。在本例中，基極限流電阻取2kΩ，基極電流IB在1.80～2.2mA之間。筆段限流電阻為100～120Ω，當(dāng)LED壓降取2V時(shí)，LED工作電流IF約為20～24mA之間。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅使用8只中功率PNP管、2塊7407同相驅(qū)動(dòng)器；驅(qū)動(dòng)程序編寫、調(diào)試容易。

在動(dòng)態(tài)掃描顯示方式中，一般使用定時(shí)中斷方式，本例使用定時(shí)器T2。由于顯示位較多，刷新頻率取50Hz，即一位顯示時(shí)間為(1/50

×

8)即2.5ms。因此定時(shí)器T2溢出時(shí)間為2.5ms，假設(shè)晶振頻率為11.0592MHz，則定時(shí)器T2初值為63232(F700H)。

用軟件方式完成筆段譯碼時(shí)，一般采用雙顯示緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)：顯示數(shù)碼緩沖區(qū)和筆段代碼緩沖區(qū)。當(dāng)有數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)碼緩沖區(qū)時(shí)，執(zhí)行查表操作，把顯示數(shù)碼緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)碼轉(zhuǎn)換為筆段碼并保存到筆段代碼緩沖區(qū)內(nèi)；在顯示定時(shí)中斷服務(wù)程序中，只需將筆段碼緩沖區(qū)信息輸出到筆段代碼鎖存器中，因?yàn)椴粫?huì)經(jīng)常改寫顯示內(nèi)容。這樣能有效減少顯示驅(qū)動(dòng)程序的執(zhí)行時(shí)間，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。圖6-14顯示驅(qū)動(dòng)參考程序如下：

LEDBUF1 DATA 70H ；數(shù)碼顯示緩沖區(qū)(為調(diào)試方便，高位存放在低地址中)

LEDBUF2 DATA 78H ；筆段代碼緩沖區(qū)(采用雙緩沖區(qū)結(jié)構(gòu))

LEDSP DATA 6FH ；LED位掃描指針

NDHZ BIT 08H ；滅0標(biāo)志

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG002BH

LJMPCTC2

ORG100H

MAIN:

MOVSP,#0DFH ；對(duì)于具有256字節(jié)內(nèi)部RAM芯片來(lái)說(shuō)，將E0H-FFH，

；共計(jì)32字節(jié)作為堆棧區(qū)

；---復(fù)位后，將01H～0FF內(nèi)部RAM單元清0

MOVR0,#01H

LOOP1:

MOV@R0,#0

INCR0

CJNER0,#0,LOOP1

；----初始化定時(shí)器T2

MOVTH2,#0F7H

MOVTL2,#00H ；初值0F700送定時(shí)器T2

MOVRCAP2H,#0F7H

MOVRCAP2L,#00H ；初始化重裝初值

MOVT2CON,#00000100B ；初始化T2工作方式(自動(dòng)重裝初值、定時(shí))并啟動(dòng)了T2

；-----初始化中斷控制器

SETBET2 ；允許定時(shí)器T2中斷

SETBEA ；開(kāi)中斷

HERE:SJMPHERE ；虛擬主程序

；定時(shí)器T2作顯示定時(shí)器(溢出時(shí)間為2.5ms,自動(dòng)重裝初值方式)

PROCCTC2

CTC2:

PUSHPSW

PUSHACC ；保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)

SETBRS1

SETBRS0 ；切換工作區(qū)

MOVA,LEDSP ；取掃描位指針

ANLA,#07H ；僅保留低3位

ADDA,#LEDBUF2 ；與筆段碼緩沖區(qū)首地址相加，以便獲得筆段碼地址

MOVR0,A ；對(duì)應(yīng)位筆段地址保存在R0中

MOVP2,@R0 ；筆段碼送P2口

；送掃描碼

MOVA,LEDSP

ANLA,#07H ；僅保留低3位

CJNEA,#0,NEXT1

MOVP0,#01111111B ；輸出位掃描碼(P0.7位亮)

SJMPEXIT

NEXT1:

CJNEA,#1,NEXT2

MOVP0,#10111111B ；輸出位掃描碼(P0.6位亮)

SJMPEXIT

NEXT2:

CJNEA,#2,NEXT3

MOVP0,#11011111B ；輸出位掃描碼(P0.5位亮)

SJMPEXIT

NEXT3:

CJNEA,#3,NEXT4

MOVP0,#11101111B ；輸出位掃描碼(P0.4位亮)

SJMPEXIT

NEXT4:

CJNEA,#4,NEXT5

MOVP0,#11110111B ；輸出位掃描碼(P0.3位亮)

SJMPEXIT

NEXT5:

CJNEA,#5,NEXT6

MOVP0,#11111011B ；輸出位掃描碼(P0.2位亮)

SJMPEXIT

NEXT6:

CJNEA,#6,NEXT7

MOVP0,#11111101B ；輸出位掃描碼(P0.1位亮)

SJMPEXIT

NEXT7:

MOVP0,#11111110B ；輸出位掃描碼(P0.0位亮)

EXIT:

INCLEDSP ；指針加1

CLRTF2

POPACC

POPPSW

RETI

END

DISPTAB: ；七段共陽(yáng)LED筆段碼(0-F)

DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH

；把顯示緩沖區(qū)內(nèi)待顯示數(shù)碼轉(zhuǎn)換為筆段碼，并存放在筆段碼緩沖區(qū)(檢查高位是否為0，若是

；要滅0)

PROCDISPC

DISPC:

MOVR0,#LEDBUF1 ；數(shù)碼緩沖區(qū)首地址送R0

MOVR1,#LEDBUF2 ；筆段碼緩沖區(qū)首地址送R1

MOVR2,#7 ；記錄轉(zhuǎn)換位

MOVDPTR,#DISPTAB ；把共陽(yáng)LED筆段表首地址裝入DPTR

SETBNDHZ ；滅0標(biāo)志置1

LOOP1:

MOVA,@R0 ；取顯示數(shù)碼

JNBNDHZ,NEXT1

；滅0標(biāo)志有效，說(shuō)明高位0，要檢查數(shù)碼是否為0

CJNEA,#0,NEXT2 ；本位數(shù)碼為0，不顯示

MOV@R1,#0FFH ；直接送FF碼

LJMPNEXT3

NEXT2:

CLRNDHZ ；高位為0，但本位不是0，要清滅0標(biāo)志

NEXT1:

MOVCA,@A+DPTR

MOV@R1,A ；筆段數(shù)碼送筆碼顯示緩沖區(qū)

NEXT3:

INCR0

INCR1

DJNZR2,LOOP1 ；循環(huán)直到十位

；轉(zhuǎn)換個(gè)位(個(gè)位不滅0)

MOVA,@R0 ；取顯示數(shù)碼

MOVCA,@A+DPTR

MOV@R1,A ；筆段數(shù)碼送筆碼顯示緩沖區(qū)

RET

END

當(dāng)CPUI/O引腳資源緊張時(shí)，可采用D型觸發(fā)器、可編程8255并行I/O擴(kuò)展芯片構(gòu)成動(dòng)態(tài)LED顯示器的筆段碼鎖存器和位掃描碼鎖存器，如圖6-15所示。圖(a)使用兩片74HC273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(fù)載能力有限，不能直接驅(qū)動(dòng)LED，為此圖中采用中功率PNP管(如8550)增大筆段驅(qū)動(dòng)電流。圖6-15按位掃描LED動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路(1)(a)由74HC273構(gòu)成按位掃描動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路圖6-15按位掃描LED動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路(2)(b)由8255構(gòu)成的按位掃描動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路圖6-16多位動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路(1)(a)按筆段掃描動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路圖6-16多位動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路(2)(b)按位分組掃描動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)顯示位數(shù)較多，如12位以上時(shí)，即使將顯示刷新率降到25Hz(實(shí)際上當(dāng)刷新頻率降到25Hz時(shí)已出現(xiàn)輕微的閃爍感)后，仍不能保證每位顯示時(shí)間大于1ms時(shí)，可采用按字段掃描方式或按位分組掃描方式的動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路。

在按字段掃描方式中，不論位數(shù)多少，對(duì)于八段數(shù)碼顯示器來(lái)說(shuō)，筆段引腳只有8根，即使顯示刷新頻率為50Hz，按字段掃描時(shí)，每一字段顯示時(shí)間依然為1/(50

×

8)

=

2.5ms。顯示時(shí)每次點(diǎn)亮一個(gè)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6-16(a)所示，顯示時(shí)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，如下圖所示。顯示時(shí)只將位筆段顯示信息送位選擇口。圖6-16(a)所示按字段掃描LED動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)程序如下：

；P0口輸出筆段掃描碼；P2口輸出1～8位筆段顯示信息；P1高4位輸出9～12位筆段顯示

；信息

；刷新率定為50Hz，即同一筆段必須在1/50，即20ms內(nèi)點(diǎn)亮一次，每筆段顯示時(shí)間為

；20/8

=

2.5ms，即定時(shí)器溢出時(shí)間為2.5ms

；由于不會(huì)經(jīng)常改寫顯示緩沖區(qū)內(nèi)容，為提高系統(tǒng)反應(yīng)速度，設(shè)三緩沖區(qū)：顯示數(shù)碼緩沖區(qū)、

；筆段碼緩沖區(qū)、位筆段顯示信息緩沖區(qū)

LEDBUF1 DATA 80H ；數(shù)碼顯示緩沖區(qū)(為調(diào)試方便，高位存放在低地址中)

LEDBUF2 DATA 90H ；筆段代碼緩沖區(qū)

LEDBUF3 DATA 0A0H ；位筆段顯示信息緩沖區(qū)(共占用16字節(jié))

LEDSP DATA 6FH ；LED字段指針

NDHZ BIT 08H ；滅0標(biāo)志

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG002BH

LJMPCTC2

ORG100H

MAIN:

MOVSP,#0AFH

HERESJMPHERE；將顯示緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)碼轉(zhuǎn)換為筆段碼(檢查高位是否為0，若是要滅0)

PROCDISPC

DISPC:

MOVR0,#LEDBUF1

MOVR1,#LEDBUF2

MOVR2,#11 ；先轉(zhuǎn)換高11位(個(gè)位不滅0)

MOVDPTR,#DISPTAB ；把共陰LED筆段碼表首地址裝入DPTR

SETBNDHZ ；滅0標(biāo)志置1

CLRET2 ；為避免改寫位筆段顯示信息緩沖區(qū)時(shí)出現(xiàn)混亂，禁止T2

；中斷

LOOP1:

MOVA,@R0 ；取顯示數(shù)碼

JNBNDHZ,NEXT1

；滅0標(biāo)志有效，說(shuō)明高為0，要檢查數(shù)碼是否為0

CJNEA,#0,NEXT2

；本位為0，不顯示

MOV@R1,#00H ；直接送00碼(共陰LED)

LJMPNEXT3

NEXT2:

CLRNDHZ ；清滅標(biāo)志

NEXT1:

MOVCA,@A+DPTR

MOV@R1,A ；筆段碼送筆段碼緩沖區(qū)

NEXT3:

INCR0

INCR1

DJNZR2,LOOP1 ；循環(huán)直到十位

；轉(zhuǎn)換個(gè)位

MOVA,@R0 ；取顯示數(shù)碼

MOVCA,@A+DPTR ；查筆段碼表

MOV@R1,A ；送筆段碼緩沖區(qū)

；把每一位的筆段碼轉(zhuǎn)換為位筆段顯示信息

MOVR1,#LEDBUF3

MOVR3,#8 ；記錄移動(dòng)筆段數(shù)

LOOP2:

MOVR0,#LEDBUF2

MOVR2,#0 ；記錄轉(zhuǎn)換位

CLRC ；清除Cy標(biāo)志

LOOP3:

MOVA,@R0

RRCA ；把筆段碼移到Cy

MOV@R0,A ；回寫

MOVA,@R1 ；取位字段顯示信息

RLCA ；把CY移到位顯示信息

MOV@R1,A ；回寫

INCR0

INCR2 ；指向下一位

CJNER2,#4,NEXT4

；將9～12位筆段顯示信息對(duì)調(diào)，因?yàn)?～12位筆段顯示信息從P1.