第四章 MCS-51系列單片機接口及其應用系統(tǒng)設計

單片機原理與應用沈陽理工大學裝備工程學院第四章MCS-51系列單片機接口及其應用系統(tǒng)設計4.1LED數(shù)碼管及其應用系統(tǒng)設計4.2鍵盤及其應用系統(tǒng)設計4.3A/D轉換器及其應用系統(tǒng)設計4.4D/A轉換器及其應用系統(tǒng)設計4.1LED數(shù)碼管及其應用系統(tǒng)設計4.1.1LED數(shù)碼管結構與原理4.1.2LED數(shù)碼管的顯示方式4.1.3共陰極LED和共陽極LED的應用4.1.1LED數(shù)碼管結構與原理

在單片機應用系統(tǒng)中,使用的顯示器主要有:LED(發(fā)光二極顯示管)、LCD液晶顯示器、CRT等。

LED(LightEmittingDiode，發(fā)光二極管)是單片機應用系統(tǒng)中常用的輸出設備,LED由發(fā)光二極管構成，具有結構簡單、價格便宜、配置靈活、與單片機接口方便等特點。通常使用7段LED數(shù)碼管，它由7個發(fā)光二極管組成。這7個發(fā)光二極管a~g呈“日”字形排列，其結構及連接如圖4-1所示。當某個發(fā)光二極管導通時，相應地點亮某一點或某一段筆畫，通過發(fā)光二極管不同的亮暗組合形成不同的數(shù)字、字母及其其他符號。圖4-1七段數(shù)碼管結構LED數(shù)碼管的結構及分類LED數(shù)碼管中的發(fā)光二極管有兩種接法：（1）所有發(fā)光二極管的陽極連接在一起，這種連接方法稱為共陽極接法（如圖4-2a)。（2）所有發(fā)光二極管的陰極連接在一起，這種連接方法稱為共陰極接法（如圖4-2b）。共陽極的LED為低電平時，對應的段碼被點亮；共陰極的LED為高電平時，對應的段碼被點亮。一般共陰極可以不外接電阻，但共陽極中的發(fā)光二極管一定要外接電阻。ab圖4-2發(fā)光二極管的接法LED數(shù)碼管的發(fā)光二極管亮暗組合實質上就是不同電平的組合，也就是為LED數(shù)碼管提供不同的代碼，這些代碼稱為字形代碼。7段發(fā)光二極管加上1個小數(shù)點dp共計8段，字形代碼與這8段的關系如表4-1。數(shù)據(jù)字D7D6D5D4D3D2D1D0LED段dpgfedcba表4-1

字形代碼與十六進制數(shù)的對應關系部分如表4-2所示。從表中可以看出共陰極與共陽極的字形代碼互為補數(shù)。表4-24.1.2LED數(shù)碼管的顯示方式

在單片機應用系統(tǒng)中一般需使多個LED數(shù)碼管，多個LED數(shù)碼管是由N根位選線和8XN根段選線連接在一起的，根據(jù)顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法也不相同。段選線控制字符選擇，位選線控制顯示位的亮或暗。N個LED數(shù)碼管的連接方式如圖4-3所示。圖4-3多個數(shù)碼管的連接方式LED數(shù)碼管顯示有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式:

靜態(tài)顯示就是當LED數(shù)碼管要顯示一個字符時，相應的發(fā)光二極管恒定地導通或截止（如圖4-4)。優(yōu)點是顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用CPU時間少。但是采用這種顯示方式時需要一個8位輸出口控制，所以占用硬件多，如果單片機系統(tǒng)中有多個LED數(shù)碼管需進行擴展。圖4-4多個LED靜態(tài)顯示連接方法動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮各位數(shù)碼管，CPU需要時刻對數(shù)碼管進行刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用CPU的時間較長（如圖4-5）。并且數(shù)碼管的點亮既與點亮時的導通電流有關，也與點亮時間、間隔時間的比例有關。調整電流和時間的參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高，較穩(wěn)定的顯示。同時占用的I/O口較少。圖4-5多個LED動態(tài)顯示連接方法4.1.3共陰極LED和共陽極LED的應用（1）設計要求在某系統(tǒng)中有1位共陰極LED數(shù)碼管和1位共陽極LED數(shù)碼管，要求數(shù)碼管1循環(huán)顯示0~9，當按下按鈕1時，數(shù)碼管2顯示數(shù)碼管1的當時值。當按下按鈕2時，清除數(shù)碼管2的所顯示的值。（2）設計分析最小的單片機系統(tǒng)+數(shù)碼管（共陰、共陽）+按鈕（INT0、INT1）（3）系統(tǒng)原理圖設計

單片機AT89C51瓷片電容CAP30pf晶振CRYSTAL12MHz電阻RES按鈕BUTTON7SEG-COM-AN-BLUE7SEG-COM-CAT-GRN（4）程序流程圖設計

數(shù)碼管顯示字符，一般是通過調用Table字庫來進行的。由于該系統(tǒng)中采用兩種類型的數(shù)碼管（共陰極和共陽極LED），因此需要調用兩個不同的字庫，如果使用匯編來編寫此程序，則比較困難；使用C語言，相對來講就容易，因此我們采用C語言來編寫此程序。使用C語言編寫程序時，首先編寫好Tab1和Tab2這兩個庫，其中一個為共陽極LED的段碼值，另一個為共陰極LED的段碼值。程序使用兩個外部中斷INT0和INT1,其中INT0用來控制LED2顯示字符與LED1顯示字符相同，INT1使LED2不顯示。使用單片機軟件延時計數(shù)。開始中斷設置j+1J>10將Tabl1[j]送P2j++J清零YN中斷0子程序將Tab2[j]送p1中斷返回中斷１子程序p1清零中斷返回程序流程圖（5）源程序設計（C語言）#include<reg51.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharucharj;uchart;uintn;constuchartab1[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,};constuchartab2[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99, 0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,};voiddelay(uintn){uinti; for(i=0;i<n;i++); for(i=0;i<n;i++); for(i=0;i<n;i++); for(i=0;i<n;i++); }voidInt0_server_(void)interrupt0{ uchara; a=tab2[j]; P1=a; }voidInt1_server_(void)interrupt2{P1=0x00;} voidInit_Int(void){EX0=1;IT0=1;EX1=1;IT1=0;EA=1;}voidmain(void){ P1=0x00; Init_Int();while(1){ for(j=0;j<10;j++) { P2=tab1[j]; delay(65000); } }}（6）系統(tǒng)調試與仿真1）keilc調試；2）proteus調試；3）聯(lián)合調試；4）仿真結果。

單片機應用系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)綜合設計大作業(yè)：查詢相關資料，設計一個你最感興趣的單片機系統(tǒng)。該作業(yè)為綜合設計，取代傳統(tǒng)的考試，需3-5周的課外時間，自本章開始，每個學生根據(jù)自己的愛好，自擬課題。老師在授課過程中或利用課外時間，對學生的選題、設計思路、設計方法等進行輔導；同時對設計的過程進行有效監(jiān)督，確保學生能夠高質量地完成設計任務；并在本課程結束時，對學生的設計內容、設計質量、設計效果及設計論文等進行考核和驗收。單片機應用系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)本作業(yè)與課外設計作業(yè)一相呼應，可使同學們深刻認識到：沒有什么克服不了的困難，只要掌握科學合理的教與學的方法，

設計能力和實踐能力肯定能夠大幅度地提高，每個學生都有能力實現(xiàn)自己的夢想，

都能創(chuàng)造輝煌燦爛的未來。單片機應用系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)從現(xiàn)在開始，你完全可以利用你所學的知識，

設計一個你最喜愛的單片機應用系統(tǒng)！相信老師，

相信你自己，你肯定能夠成功?。。?.2鍵盤及其應用系統(tǒng)設計4.2.1鍵盤的應用4.2.2鍵盤的工作原理4.2.3矩陣式鍵盤的識別鍵盤是由若干個按鍵組成的，是向系統(tǒng)提供操作人員的干預命令及數(shù)據(jù)的接口設備。在單片機應用能夠系統(tǒng)中，為了控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及向系統(tǒng)中輸入數(shù)據(jù)時，鍵盤是不可缺少的輸入設備，它是實現(xiàn)人機對話的紐帶。如：復位用的復位鍵、功能轉換用的功能鍵、數(shù)據(jù)輸入用的數(shù)字鍵盤等。4.2.1鍵盤的應用

鍵盤按其結構形式可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種:

編碼鍵盤通過硬件的方法產生鍵碼，能自動識別按下的鍵并產生相應的鍵碼值，以并行或串行的方式發(fā)送給CPU，它接口簡單，響應速度快，但需要專門的硬件電路。

非編碼鍵盤通過軟件的方法產生鍵碼，它不需要專用的硬件電路，結構簡單、成本低廉，但響應速度不如編碼鍵盤快。為了減少復雜程度，節(jié)省單片機的I/O接口，在單片機應用系統(tǒng)中廣泛采用非編碼鍵盤。

鍵盤是由按鍵構成的，每一個按鍵都被賦予特定的功能，它們通過接口電路與單片機連接，通過軟件了解按鍵的狀態(tài)及鍵輸入的信息，并轉去執(zhí)行該鍵的功能處理程序。鍵盤的接口方法有多種，但鍵的輸入過程與軟件結構基本是一樣的。MCS-51單片機按鍵輸入過程如圖所示。4.2.2鍵盤的工作原理鍵在閉合與斷開的瞬間均有抖動過程如圖所示：鍵的閉合與否通常用高、低電平來進行檢測。鍵閉合時，該鍵為低電平；鍵斷開時，該鍵為高電平。鍵的閉合與斷開都是利用其機械彈性，由于機械彈性的作用，鍵在閉合與斷開的瞬間均有抖動過程，抖動的時間一般為5~10ms。按鍵的穩(wěn)定閉合期由操作人員的按鍵動作所決定。為了使CPU對鍵的一次閉合僅做一次鍵輸入處理，必須去抖動。去抖動有硬件的方法和軟件的方法兩種：

硬件去抖方法：如濾波防抖電路、由RS觸發(fā)器構成的雙穩(wěn)態(tài)去抖電路。

軟件去抖法：就是檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一個10~20ms的延時子程序后，再確認該鍵是否仍保持閉合狀態(tài).若仍閉合，則確認為此鍵按下，消除了抖動的影響。

在鍵盤操作過程中，當有兩個或兩個以上的鍵被同時按下時，哪個按鍵有效完全取決于開發(fā)者的設計。獨立式鍵盤直接用I/O口線構成.每個按鍵接一根I/O口線，各鍵的工作狀態(tài)互不影響。獨立式鍵盤電路按其工作方式不同又分為:查詢式（圖a）和中斷式（圖b）。（a）查詢式（b）中斷式

矩陣式鍵盤又稱為行列式鍵盤。用I/O口線組成行、列結構，行列線分別連在按鍵開關的兩端，列線通過上拉電阻至電源，使列線在無按鍵時處于高電平狀態(tài)按鍵設置在行、列線的交叉點上。例如：用3X3的行列結構可構成9個鍵的鍵盤，用4X4的行列結構可構成16個鍵的鍵盤。鍵編碼與鍵值：一組按鍵或鍵盤都要通過I/O線查詢按鍵的開關狀態(tài)。根據(jù)鍵盤結構不同，采用不同的編碼方法。但無論有無編碼，以及采用什么編碼，最后都要轉換成為與累加器中的數(shù)值相對應的鍵值，以實現(xiàn)按鍵功能程序的散轉。編碼方法：（1）用鍵盤連接的I/O線的二進制組合表示鍵碼（2）順序排列鍵碼（3）隨機排列鍵碼……用鍵盤連接的I/O線的二進制組合表示鍵碼:可用一個8位I/O線的高低4位口線的二進制組合表示16個鍵的編碼。順序排列鍵碼：鍵值的形成要根據(jù)I/O線的狀態(tài)作相應處理。鍵碼可按：鍵碼=行首鍵碼+列號4.2.3矩陣式鍵盤的識別（1）設計要求設計一個4X4的矩陣式鍵盤，以P3.0~P3.3作為行線，以P3.4~P3.7作為列線，在數(shù)碼管上顯示每個按鍵的“0~F”序號。（2）設計分析最小的單片機系統(tǒng)+數(shù)碼管（共陰或共陽）+按鈕（矩陣式鍵盤）（3）系統(tǒng)原理圖設計

單片機AT89C51瓷片電容CAP30pf晶振CRYSTAL12MHz電阻RES按鈕BUTTON7SEG-COM-CATHODE（4）程序流程圖設計如果有鍵按下，則相應輸入為低電平，否則為高電平。首先設置P3.0為低電平，檢測P3.4~P3.7列是否為低電平。如果為低電平，則轉入相應的顯示子程序中。否則再設置P3.1為低電平，檢測P3.4~P3.7列是否為低電平……這樣，以首先設置相應的行為低電平，然后再檢測相應列是否為低電平的方式來實現(xiàn)鍵盤的掃描。當按鍵為低電平時，就轉到相應顯示子程序中。（5）源程序設計（匯編語言）ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0100HMAIN:MOVP2,#000HKEY0:MOVP3,#0FEHJNBP3.4,K0JNBP3.5,K1JNBP3.6,K2JNBP3.7,K3MOVP3,#0FDHJNBP3.4,K4 JNBP3.5,K5 JNBP3.6,K6 JNBP3.7,K7 MOVP3,#0FBH JNBP3.4,K8 JNBP3.5,K9 JNBP3.6,K10 JNBP3.7,K11 MOVP3,#0F7HJNBP3.4,K12 JNBP3.4,K12 JNBP3.5,K13 JNBP3.6,K14 JNBP3.7,K15 AJMPKEY0K0:MOVP2,#03FH;0ACALLYSH1S AJMPKEY0 RETK1:MOVP2,#006H;1ACALLYSH1S AJMPKEY0 RETK2:MOVP2,#05BH;2ACALLYSH1S AJMPKEY0 RETK3:MOVP2,#04FH;3ACALLYSH1SAJMPKEY0 RETK4:MOVP2,#066H;4ACALLYSH1SAJMP KEY0 RETK5:MOVP2,#06DH;5ACALLYSH1S AJMPKEY0 RETK6:MOVP2,#07DH;6ACALLYSH1SAJMPKEY0 RETK7:MOVP2,#007H;7ACALLYSH1SAJMPKEY0 RETK8:MOVP2,#07FH;8ACALLYSH1SAJMPKEY0 RETK9:MOVP2,#06FH;9ACALLYSH1S AJMPKEY0 RETK10:MOVP2,#077H;AACALLYSH1SAJMPKEY0 RETK11:MOVP2,#07CH;BACALLYSH1SAJMPKEY0 RETK12:MOVP2,#039H;CACALLYSH1SAJMPKEY0 RETK13:MOVP2,#05EH;DACALLYSH1SAJMPKEY0 RETK14:MOVP2,#079H;EACALLYSH1SAJMPKEY0 RETK15:MOVP2,#071H;FACALLYSH1S AJMPKEY0 RETYSH1S:MOV

R3,#05HLOOP:MOV

R4,#0A8HLOOP1:MOV

R5,#08AHXHD:DJNZR5,XHDDJNZR4,LOOP1DJNZR3,LOOPRETEND（6）系統(tǒng)調試與仿真1）keilc調試；2）proteus調試；3）聯(lián)合調試；4）仿真結果。

單片機應用系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)現(xiàn)在你是否感覺到:單片機應用系統(tǒng)的設計其實很簡單，每個同學都能夠利用所學的知識，

設計單片機應用系統(tǒng)！

自信來源于能力的提升,

相信你們自己，你們每個人都能夠成功！！！4.3A/D轉換器及其應用系統(tǒng)設計

4.3.1模/數(shù)轉換器概述

4.3.2模/數(shù)轉換器與單片機的接口

4.3.3模/數(shù)轉換器的應用4.3.1模/數(shù)轉換器概述模/數(shù)轉換器（A/D轉換器）：能夠將模擬信號轉換成數(shù)字信號的器件稱為模/數(shù)轉換器（ADC，AnalogtoDigitalConverter）。在單片機測控應用系統(tǒng)中，被采集的實時信號有許多是連續(xù)變化的物理量。由于計算機只能處理數(shù)字量，所以就需要將連續(xù)變化的物理量轉換成數(shù)字量，即A/D轉換。這就涉及到A/D轉換的接口問題。在設計A/D轉換器與單片機接口之前，一定要根據(jù)A/D轉換器的技術指標選擇A/D轉換器芯片。A/D轉換器的主要技術指標：

量化間隔和量化誤差。量化間隔可用下式表示：

量化誤差可用下式表示：

A/D轉換器芯片的種類：按原理分：逐次比較式，ADC0801-0805，0808/0809

雙重積分式，ICL7106/7107/7126，

MC14433/5G14433量化反饋式，并行式，…按其分辨率分：

8位A/D轉換器，ADC08xx/08xx

12位A/D轉換器，AD574

16位A/D轉換器,…4.3.2模/數(shù)轉換器與單片機的接口A/D轉換器與單片機接口主要涉及到：（1）數(shù)字量輸出線的連接（2）AD的啟動方式（3）轉換結束處理方式（4）時鐘的連接等。（1）A/D轉換器數(shù)字量輸出線的連接與A/D轉換器內部結構有關：

1）對于內部帶有三態(tài)鎖存器的可直接與與單片機相連，如ADC0809、AD574等；

2）對于內部不帶有三態(tài)鎖存器的，一般通過鎖存器或并行I/O接口與與單片機相連；

3）在某些情況下，為了增強控制功能，對于那些內部帶有三態(tài)鎖存器的，也常采用并行I/O接口與與單片機相連；

4）隨著位數(shù)的不同，A/D轉換器與單片機的連接方法也不同。對于8位A/D轉換器可與8位單片機數(shù)據(jù)線對應相連，對于12或16位A/D轉換器必須增加控制邏輯，把數(shù)據(jù)分兩次或多次進行讀取。（2）AD的啟動方式A/D轉換器開始轉換時必須加一個啟動轉換信號，該信號有單片機提供。

不同型號的A/D轉換器對于啟動轉換信號要求也不同，一般分為脈沖啟動和電平啟動兩種方式。

對于脈沖啟動型，只要給其啟動端加一個符合要求的脈沖信號即可。如ADC0809、ADC574等；

對于電平啟動型，當把符合要求的電平加到啟動控制端時，立即開始轉換，在轉換過程中必須保持這一電平，否則會停止轉換。如AD570、AD571等。（3）轉換結束處理方式當AD轉換結束時，A/D轉換器輸出一個轉換結束標志信號，通知單片機讀取轉換結果。單片機檢查判斷轉換結束的方法：

1）中斷法把A/D轉換器轉換結束標志信號接到單片機中斷引腳；

2）查詢法把A/D轉換器轉換結束標志信號接到單片機某一I/O口線上。（4）時鐘的連接時鐘的頻率是決定芯片轉換速度的基準。整個AD轉換的過程都是在時鐘的作用下完成的。AD轉換時鐘的提供方法：

1）由芯片內部提供，不允許外加電路。如AD574；2）由外部提供，有的用單獨的振蕩電路產生，更多的是把單片機輸出的時鐘經分頻后，送到AD轉換器的時鐘輸出端。4.3.3模/數(shù)轉換器的應用（1）ADC0808的外形及引腳功能ADC0808是一種8路模擬輸入的8位逐次逼近式ADC，其外形如圖，各引腳功能如下。

1）IN0~IN7：8路模擬量輸入端。

2）ADDA、ADDB、ADDC：模擬量輸入通道地址選擇線，其8位編碼分別對應IN0~IN7(xxx).

3）ALE：地址鎖存端。

4）START：ADC轉換啟動信號，正脈沖有效，引腳信號要求保持在200ns以上，其上升沿將內部逐次逼近寄存器清零，下降沿啟動ADC轉換。

5）EOC：轉換結束信號，可作為中斷請求信號或供CPU查詢。

6）CLK：時鐘輸入端，要求頻率范圍在10kHz~1.2MHz.

7）OE:允許輸出信號。

8）Vcc、GND：芯片工作電壓及地。

9）VREF（+）、VREF（-）：基準參考電壓的正、負值。

10）OUT1~OUT8：8路數(shù)字量輸出端。（2）ADC0808的內部結構ADC0808的內部結構如圖所示。它除了8位ADC外，還有一個8路模擬開關，其作用可根據(jù)地址譯碼器信號來選擇8路模擬輸入，8路模擬輸入可以分時共用一個ADC進行轉換，可實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集。其轉換結果通過三態(tài)輸出鎖存器輸出。應用實例：數(shù)字電壓表的設計（1）設計要求使用ADC0808設計一個數(shù)字電壓表。（2）設計分析最小的單片機系統(tǒng)+四位數(shù)碼管（顯示電壓）+模/數(shù)轉換器（ADC0808）+可變電阻（模擬電壓變化）（3）系統(tǒng)原理圖設計

單片機AT89C51瓷片電容CAP30pf晶振CRYSTAL12MHz電阻RES四位數(shù)碼管7SEG-MPX4-CC-BLUE按鈕BUTTON電阻排RESPACK-8可變電阻POT-LIN模/數(shù)轉換器ADC0808（4）程序流程圖設計數(shù)字電壓表設計系統(tǒng)分析:

數(shù)字顯示：XXX（0-380V）需要數(shù)碼管3-4個：動態(tài)顯示（2個I/O口）

數(shù)據(jù)采集：只有電壓，1路數(shù)據(jù)需要一個A/D轉換器：其輸入（IN0-IN7）任選1路，其輸出（OUT1-OUT8）（1個I/O口），START（1位）、EOC（1位）、CLOCK（1位，波特率發(fā)生器提供）、OE（1位），ALE（0，A、B、C不必再選）

（5）源程序設計（匯編語言）

;系統(tǒng)定義 DBUF1 EQU 30H ；定義要顯示個、十、百位數(shù)緩存地址

DBUF2 EQU 31H

DBUF3 EQU 32H

ABC EQU 35H ；定義模數(shù)轉換數(shù)緩存地址

ST BIT P2.5 ；定義開始驅動位地址

EOC BIT P2.6 ；定義轉換結束位接收地址

OE BIT P2.7 ；定義允許輸出驅動位地址

CLOCK EQU P2.7 ；定義波特率時鐘輸出地址

ORG 0000H AJMP START ORG 00BH ;C/T0入口地址

AJMP ST_T0

;初始化 ORG 0050HSTART: MOV DBUF1,#00H MOV DBUF2,#00H MOV DBUF3,#00H MOV DPTR,#TAB MOV TMOD,#02H ;C/T0,具有自動重裝的C/T

MOV TH0,#245H

MOV TL0,#00H

MOV IE,#82H ;EA=1,ET0=1

SETB TR0WAIT: CLR ST ;啟動AD轉換

SETB ST

CLR ST

JNB EOC,$ ;檢測轉換結束信號 SETB OE ;允許輸出 MOV ABC,P1 CLR OE MOV A,ABC MOV B,#100 DIV AB MOV DBUF3,A MOV A,B MOV B,#10 DIV AB MOV DBUF2,A MOV DBUF1,B ACALL L AJMP WAITST_T0: CPL CLOCK ;產生分頻時鐘 RETIL: MOV A,DBUF3 MOVC A,@A+DPTR CLR P2.3 MOV P0,A ACALL DELAY SETB P