第六章 单片机接口技术

第6章单片机接口技术6.1单片机应用系统的键盘和显示接口设计6.2液晶显示器（LCD）原理与应用6.3键盘接口设计6.4单片机应用系统中的A/D、D/A接口6.5单片机IO实现I2C总线6.6单片机与实时时钟芯片接口本章习题解答

6.1.1LED显示和接口

常用的LED显示器有LED状态显示器（俗称发光二极管）、LED七段显示器（俗称数码管）和LED十六段显示器。发光二极管可显示两种状态，用于系统状态显示；数码管用于数字显示；LED十六段显示器用于字符显示。本节重点介绍LED七段显示器。例6.1

用定时/计数器模拟生产线产品计件，以按键模拟产品检测，按一次键相当于产品计数一次。检测到的产品数送P1口显示，采用单只数码管显示，计满16次后从头开始，依次循环。系统采用12MHz晶振。6.1单片机应用系统的键盘和显示接口设计

图6.1模拟生产线产品计件数码管显示电路解：根据题意可设计出硬件电路如图6.1所示。

其源程序可设计如下： ORG 1000H MOV TMOD，#60H；定时器1工作在方式2 MOV TH1，#0F0H；定时器1置初值 MOV TL1，#0F0H SETB TR1 ；启动定时器1MAIN： MOV A，#00H ；计数显示初始化 MOV P1，#0C0H ；数码管显示0DISP： JB P3.3，DISP ；监测按键信号ACALLDELAY ；消抖延时JB P3.3，DISP ；确认低电平信号DISP1： JNB P3.3，DISP1 ；监测按键信号ACALLDELAY ；消抖延时 NBP3.3，DISP1 ；确认高电平信号 CLR P3.5 ；T0引脚产生负跳变 NOPNOPSETB P3.5 ；T0引脚恢复高电平 INC A ；累加器加1 MOV R1，A ；保存累加器计数值ADD A，#08H ；变址调整MOVCA，@A+PC ；查表获取数码管显示值MOV P1，A ；数码管显示查表值MOV A，R1 ；恢复累加器计数值JBCTF1，MAIN ；查询定时器1计数溢出SJMP DISP ；16次不到继续计数TAB：DB0C0H，0F9H，0A4H ；0，1，2 DB0B0H，99H，92H ；3，4，5 DB82H，0F8H，80H ；6，7，8 DB90H，88H，83H， ；9，A，B DB0C6H，0A1H，86H ；C，D，E DB 8EH ；FDEALY：MOVR2，#14H ；10ms延时DELAY1：MOVR3，#0FAHDJNZ R3，$ DJNZ R2，DEALY1RETEND由例6.1可具体剖析数码管的结构，分析其工作原理。6.1.2数码管简介1)数码管结构数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字09、字符AF、H、L、P、R、U、Y、符号“”及小数点“”。数码管的外形结构如图6.2（a）所示。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如6.2（b）和图6.2（c）所示。

图6.2数码管结构图

（a）外型结构；（b）共阴极；（c）共阳极2)数码管工作原理共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起。通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮。根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。

共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。例6.1采用共阳极数码管与单片机P1口直接连接，其电路连接如图6.1所示。数码管公共阳极接+5V电源，其它管脚分别接P1口的8个端口，限流电阻为510，数码管字段导通电流约为6mA（额定字段导通电流一般为520mA）。3)数码管字形编码要使数码管显示出相应的数字或字符，必须使段数据口输出相应的字形编码。对照图6.2（a），字型码各位定义为：数据线D0与a字段对应，D1与b字段对应……，依此类推。如使用共阳极数码管，数据为0表示对应字段亮，数据为1表示对应字段暗；如使用共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮。如要显示“0”，共阳极数码管的字型编码应为：11000000B（即C0H）；共阴极数码管的字型编码应为：00111111B（即3FH）。依此类推，可求得数码管字形编码如表1.1所示。表6.1数码管字型编码表显示字符字型共阳极共阴极dpgfedcba字型码dpGfedcba字型码0011000000C0H001111113FH1111111001F9H0000011006H2210100100A4H010110115BH3310110000B0H010011114FH441001100199H0110011066H551001001092H011011016DH661000001082H011111017DH7711111000F8H0000011107H881000000080H011111117FH991001000090H011011116FHAA1000100088H0111011177HBB1000001183H011111007CHCC11000110C6H0011100139H

续表显示字符字型共阳极共阴极

dpgfedcba字型码dpGfedcba字型码DD10100001A1H010111105EHEE1000011086H0111100179HFF100011108EH0111000171HHH1000100189H0111011076HLL11000111C7H0011100038HPP100011008CH0111001173HRR11001110CEH0011000131HUU11000001C1H001111103EHYY1001000191H011011106EH10111111BFH0100000040H..011111117FH1000000080H熄灭灭11111111FFH0000000000H例6.1采用共阳极数码管，因此，应采用表6.1中的共阳极字型码。具体实施是通过编程将需要显示的字型码存放在程序存储器的固定区域中，构成显示字型码表。当要显示某字符时，通过查表指令获取该字符所对应的字型码。LED七段数码管有静态显示和动态显示两种方式，下面分别加以叙述。6.1.3静态显示接口1)静态显示概念静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）或接正电源（共阳极）。每个数码管的8个字段分别与一个8位I/O口地址相连，I/O口只要有段码输出，相应字符即显示出来，并保持不变，直到I/O口输出新的段码。采用静态显示方式，较小的电流即可获得较高的亮度，且占用CPU时间少，编程简单，显示便于监测和控制，但其占用的口线多，硬件电路复杂，成本高，只适合于显示位数较少的场合。2)多位静态显示接口应用例6.1是数码管静态显示方式的一种典型应用，其硬件及软件都非常简单，但其只能显示一位，如要用P1口显示多位，则每位数码管都应有各自的锁存、译码与驱动器，还需有相应的位选通电路。位选通电路输出位码。例6.2

将例6.1中的单位数码管显示改为6位显示，具体要求如下：(1)右边第一位进行正常计数，显示当前计数状态，其功能与例6.1完全一样。(2)左边5位分别显示前5次计数状态，当连续计数时，会产生计数数据从左至右移动的感觉。解：整体设计思路如下：P1口控制段码输出，P3口控制位码输出，每个数码管接一个锁存器。锁存器除用来锁存待显示段码外，还兼作显示驱动器直接驱动共阳极数码管。在单片机内部RAM设置待显示数据缓冲区，由查表程序完成显示译码（俗称软件译码），将缓冲区内待显示数据转换成相应的段码，再将段码送P1口显示。硬件电路设计如下：P1口的段码输出直接接至锁存器的输入端，锁存器采用74LS373（或74LS273、74LS374）。锁存器的输出接至数码管的各段，同时还经300上拉（或限流）电阻接至电源。位选通电路由P3口的P3.0（RXD）、P3.1（TXD）和P3.2（INT0）与3-8译码器74LS138连接组成。74LS138输出的位码经倒相器74LS04后接至74LS373的使能端LE（或74LS273、74LS374的时钟端），以此来控制相应显示位段码数据的刷新。模拟生产线计数的按键信号接至P3.3（INT1）口，具体电路如图6.3所示。

图6.3六位数码管静态显示电路

软件设计如下：以单片机内部RAM的30H35H单元作为显示数据缓冲区。六位数码管段码的获取及显示控制由显示子程序完成。单片机每接收一次按键信号（即模拟生产线计数信号），显示缓冲区的待显示数据就被刷新一次，然后再调用一次显示子程序。如连续按键，即可产生计数数据从左至右循环移动的效果。软件流程图如图6.4所示。源程序设计（略）。图6.4六位数码管静态显示软件流程图

6.1.4．动态显示接口1)动态显示概念动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。通常，各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的位选线（公共阴极或阳极）由另外的I/O口线控制。动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示，必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码。依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符。虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感觉。采用动态显示方式比较节省I/O口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，CPU要依次扫描，占用CPU较多的时间。用8051系列单片机构建数码管动态显示系统时，采用8255A可编程I/O扩展接口，其典型应用如图6.5所示。图中，数码管采用共阴极LED，8255的A口线经过8路驱动电路后接至数码管的各段。当A口线输出“1”时，驱动数码管发光。8255的C口线经过6路驱动电路后接至数码管的公共端。当C口线输出“0”时，选通相应位的数码管发光。图6.58255A构成的六位数码管动态显示电路0123456789101112131415161718192021222324252627282930318路驱动器8路驱动器+5V+5Vabcdefgdp8255CEIO/MALERDWRD0D7+5V8031P2.7P2.0ALEP0RDWR8RESETPB7PB6PB5PB4PB3PB2PB1PB0PC0PC1PC2PC3PA7PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0…5.1kW100W×8由图可知，LED显示器采用共阴极数码管。8255的B口用作数码管段码输出口；A口用作数码管位码输出口，同时，它还用作键盘列选口；C口用作键盘行扫描信号输入口。当其选用4根口线时，可构成4×8键盘，选用6根口线时，可构成6×8键盘。LED采用动态显示软件译码，键盘采用逐列扫描查询工作方式，LED的驱动采用74LS244总线驱动器。由于键盘与显示共用一个接口电路，因此，在软件设计中应综合考虑键盘查询与动态显示，通常可将键盘扫描程序中的去抖动延时子程序用显示子程序代替。6.2液晶显示器（LCD）原理与应用

液晶显示器具有工作电压低、功耗少、寿命长、可以显示各种复杂的文字和图形曲线，在各种单片机应用系统中有广泛的使用。液晶显示器的上、下玻璃电极之间封入向列型液晶材料，液晶分子平行排列，上、下扭曲90°，外部入射光线通过上偏振片后形成偏振光,该偏振光通过平行排列的液晶材料后被旋转90°，再通过与上偏振片垂直的下偏振片，被反射板反射回来，呈透明状态；当上、下电极加上一定的电压后，电极部分的液晶分子垂直排列，失去旋光性，从上偏振片入射的偏振光不被旋转，光无法通过下偏振片返回，因而呈黑色。根据需要，将电极做成各种文字、数字、图形。就可以获得各种状态显示。

液晶显示器的驱动方式由电极引线的选择方式确定。因此，在选择好液晶显示器后，用户无法改变驱动方式。液晶显示器的驱动方式一般有静态驱动和时分割驱动两种。在静态显示方式中，某个液晶显示字段上两个电极的电压相位相同时，两电极的相对电压为零，该字段不显示；当此字段上两个电极的电压相位相反时，两电极的相对电压为两倍幅值方波电压，该字段呈黑色显示。液晶显示器有字段型、字符型、点阵图形型，在使用时，有的液晶显示器内部有控制器，使用比较方便。字段型液晶显示器有六段、七段、八段等多种，七段是常用的一种。字符型液晶显示器有5×8、5×11点阵，单片机与字符型LCD显示器件的连接有直接访问和间接访问。点阵图形型液晶显示器内部都有控制器，各种类型的点阵图形液晶显示器的控制器使用要求不同，指令各异，但基本控制方式相同，一般点阵图形型液晶显示器都有一个对外的接口，了解了接口引脚的定义和使用条件，可以应用单片机的数据总线或P1口对点阵图形型液晶显示器件进行控制。

需要进行图形显示的场合,可以使用图形液晶驱动控制器组成的液晶显示驱动和控制系统，成本低，功耗低，集成度高。本书主要介绍常用的T6963C液晶控制器原理与应用，其主要特点有：1.可与80系列8位微处理器直接接口。2.内部具有128个字符的ROM字符发生器。3.T6963C的字体可由硬件设置，其字体有四种：5×8、6×8、7×8、8×8。4.可对8KByte的显示RAM内存操作。5.字符与图形可同时显示,可以选择“OR”,“AND”,“EXOR”方式。6.6963C的占空比可从1／16到1／128。6.2.1T6963C与单片机连接原理图6.6T6963C与单片机连接原理框图T6963C引脚图图6.7T6963C引脚图T6963C指令列表6.2.2单片机间接控制T6963C原理图6.8单片机间接控制LCD原理图 间接控制方式是将内置T6963C控制器的液晶显示模块与计算机系统中的某个并行I/O接口连接，计算机通过对该I/O接口的操作间接地实现对模块的控制。间接控制方式在硬件电路上需要一个8位并行接口（如8031的P1口）与模块的数据线连接，作为数据总线，还需要一个3位并行接口作为时序控制信号线如8031的P3.5作为C/D，P3.4作为WR,以及P3.3作为RD。 由于使用了专用的并行接口连接模块，而且该并行接口自身在计算机系统中有相应的片选地址，所以模块的片选信号可以直接接地作选通态，间接控制方式的接口电路与时序无关，时序完全靠软件编程实现。计算机间接控制方式下，与内置T6963C控制器的液晶显示模块的实用接口电路如图6.8所示。模块的V0端所接的电位器是作为液晶驱动电源的调节器，调节显示的对比度。T6963C操作时序间接方式读读状态字子程序

CDEQUP3.2;通道选择信号WREQUP3.3;写操作信号RDEQUP3.4;读操作信号①读状态字子程序R_ST:MOVP1，#0FFH;P1口置"1"SETBCD;CD=1CLRRD;/RD=0MOVA，P1;读操作SETBRD;/RD=1RET写指令和写数据子程序PR1:LCALLST01;双字节参数指令写入入口MOVA，DAT1;取第一参数单元数据LCALLPR13;写入参数PR11:LCALLST01;单字节参数指令写入入口MOVA，DAT2;取第二参数单元数据LCALLPR13;写入参数PR12:LCALLST01;无参数指令写入入口MOVA，COM;取指令代码单元数据LJMPPR14;写入指令代码PR13:CLRCD;C/D=0/数据写入入口PR14:MOVP1，A;设置数据CLRWR;/WR=0SETBWR;/WR=1RET初始化程序该程序以240×128点阵的液晶显示模块为例INT:MOVDAT1，#00H;设置文本显示区域 ；首地址MOVDAT2，#00HMOVCOM，#40HLCALLPR1MOVDAT1，#20H;设置文本显示区域宽度MOVDAT2，#00H;即一行显示所占字节数MOVCOM，#41HLCALLPR1MOVDAT1，#00H;设置图形显示区域首地址MOVDAT2，#08H;或为文本属性区域首地址MOVCOM，#42HLCALLPR1MOVDAT1，#20H;设置图形显示区域宽度MOVDAT2，#00H;或为文本属性区域宽度MOVCOM，#43H;即一行显示所占字节数LCALLPR1MOVCOM，#0A7H;光标形状设置LCALLPR12MOVCOM，#80H;显示方式设置，逻辑“或”合成LCALLPR12MOVCOM，#9CH;显示开关设置LCALLPR12RET6.2.3间接方式测试程序该程序为通用测试程序，在240×128规模以内的液晶显示模块都适合。程序使用8031汇编语言。MAIN:MOVR6，#50HMOVR7，#00HDELY1:NOPDJNZR7，DELY1DJNZR6，DELY1;上电延时……MOVSP，#60H；ORLP3，#1CH;间接控制方式用TEST:LCALLINTMOVDAT1，#00H;设置显示RAM首地址MOVDAT2，#00HMOVCOM，#24HLCALLPR1MOVR3，#00H;设置循环量MOVR4，#20HMOVCOM，#0B0H;设置自动写方式LCALLPR12TEST1:LCALLST3;判状态位S2MOVA，#0FH;置数据"0F"LCALLPR13;写入数据

DJNZR3，TEST1;循环DJNZR4，TEST1MOVCOM，#0B2H;设置自动写结束指令LCALLPR12SJMP$该程序执行完毕后，屏上应该满屏显示竖道，同时竖道的左下角有一点。6.3单片机与键盘接口6.3.1键盘原理与键的分类按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。

按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路。这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵，其它工作均由软件完成。由于其经济实用，较多地应用于单片机系统中。下面将重点介绍非编码键盘接口。

1．键输入原理在单片机应用系统中，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其它按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与CPU相连。CPU可以采用查询或中断方式判断有无按键输入，并检查是哪一个键按下，将该键号送入累加器ACC，然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完后再返回主程序。2．按键结构与特点微机键盘通常使用机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的TTL逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。机械式按键在按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如图6.10所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为510ms。

图6.10按键触点的机械抖动

在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错，即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施。这一点可从硬件、软件两方面予以考虑。在键数较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖。在硬件上可采用在键输出端加R-S触发器(双稳态触发器)或单稳态触发器构成去抖动电路。图6.11是一种由R-S触发器构成的去抖动电路，当触发器一旦翻转，触点抖动不会对其产生任何影响。图6.11双稳态去抖电路电路工作过程如下：按键未按下时，a=0，b=1，输出Q=1。按键按下时，因按键的机械弹性作用的影响，使按键产生抖动。当开关没有稳定到达b端时，因与非门2输出为0反馈到与非门1的输入端，封锁了与非门1，双稳态电路的状态不会改变，输出保持为1，输出Q不会产生抖动的波形。当开关稳定到达b端时，因a=1，b=0，使Q=0，双稳态电路状态发生翻转。当释放按键时，在开关未稳定到达a端时，因Q=0，封锁了与非门2，双稳态电路的状态不变，输出Q保持不变，消除了后沿的抖动波形。当开关稳定到达a端时，因a=0，b=0，使Q=1，双稳态电路状态发生翻转，输出Q重新返回原状态。由此可见，键盘输出经双稳态电路之后，输出已变为规范的矩形方波。软件上采取的措施是：在检测到有按键按下时，执行一个10ms左右（具体时间应视所使用的按键进行调整）的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态。同理，在检测到该键释放后，也应采用相同的步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。3.按键编码一组按键或键盘都要通过I/O口线查询按键的开关状态。根据键盘结构的不同，采用不同的编码。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跳转。6.3.2编制键盘程序一个完善的键盘控制程序应具备以下功能：(1)检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施，消除键盘按键机械触点抖动的影响。(2)有可靠的逻辑处理办法。每次只处理一个按键，其间对任何按键的操作对系统不产生影响，且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序。(3)准确输出按键值（或键号），以满足跳转指令要求。1.独立式按键结构独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。独立式按键的典型应用如图6.12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，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。图6.12独立式按键电路

2.独立式按键的软件结构独立式按键的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口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。图6.12中的I/O口采用P1口，请读者自行编制相应的软件。

单片机系统中，若使用按键较多时，通常采用矩阵式（也称行列式）键盘。1.矩阵式键盘的结构及原理矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上，其结构如图6.13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，显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多I/O口。图6.13矩阵式键盘结构

矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到＋5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。2.矩阵式键盘按键的识别识别按键的方法很多，其中，最常见的方法是扫描法。下面以图6.13中8号键的识别为例来说明扫描法识别按键的过程。按键按下时，与此键相连的行线与列线导通，行线在无键按下时处在高电平。显然，如果让所有的列线也处在高电平，那么，按键按下与否不会引起行线电平的变化，因此，必须使所有列线处在低电平。只有这样，当有键按下时，该键所在的行电平才会由高电平变为低电平。CPU根据行电平的变化，便能判定相应的行有键按下。8号键按下时，第2行一定为低电平。然而，第2行为低电平时，能否肯定是8号键按下呢？回答是否定的，因为9、10、11号键按下，同样会使第2行为低电平。为进一步确定具体键，不能使所有列线在同一时刻都处在低电平，可在某一时刻只让一条列线处于低电平，其余列线均处于高电平，另一时刻，让下一列处在低电平，依此循环，这种依次轮流每次选通一列的工作方式称为键盘扫描。采用键盘扫描后，再来观察8号键按下时的工作过程，当第0列处于低电平时，第2行处于低电平，而第1、2、3列处于低电平时，第2行却处在高电平，由此可判定按下的键应是第2行与第0列的交叉点，即8号键。3.键盘的编码对于独立式按键键盘，因按键数量少，可根据实际需要灵活编码。对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号惟一确定，因此可分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。如图6.13中的8号键，它位于第2行，第0列，因此，其键盘编码应为20H。采用上述编码对于不同行的键离散性较大，不利于散转指令对按键进行处理。因此，可采用依次排列键号的方式对按键进行编码。以图7.5中的4×4键盘为例，可将键号编码为：01H、02H、03H、…、0EH、0FH、10H等16个键号。编码相互转换可通过计算或查表的方法实现。6.3.3键盘的工作方式对键盘的响应取决于键盘的工作方式，键盘的工作方式应根据实际应用系统中CPU的工作状况而定，其选取的原则是既要保证CPU能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。通常，键盘的工作方式有三种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。1)编程扫描方式编程扫描方式是利用CPU完成其它工作的空余时间，调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。键盘扫描程序一般应包括以下内容：(1)判别有无键按下。(2)键盘扫描取得闭合键的行、列值。(3)用计算法或查表法得到键值。(4)判断闭合键是否释放，如没释放则继续等待。(5)将闭合键键号保存，同时转去执行该闭合键的功能。图6.14是一个4×8矩阵键盘电路，由图可知，其与单片机的接口采用8155扩展I/O芯片，键盘采用编程扫描方式工作。8155C口的低4位输入行扫描信号，A口输出8位列扫描信号，二者均为低电平有效。8155的IO/与P2.0相连，与P2.1相连，、分别与单片机的、相连。由此可确定8155的口地址为命令/状态口：0100H（P2未用口线规定为0）A口：0101H B口：0102H C口：0103H

图6.148255扩展I/O口组成的矩阵键盘

01234567891617182425262728293031P2.7P2.0RDWRALECSIO/MRDWRALEPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PC0PC1PC2PC3+5V8255D0D7P0.0P0.7MCS-51单片机～～1920212223151413121110图6.14中，A口为基本输出口，C口为基本输入口，因此，方式命令控制字应设置为89H。在编程扫描方式下，键盘扫描子程序应完成如下几个功能：(1)判断有无键按下。其方法为：A口输出全为0，读C口状态，若PC0PC3全为1，则说明无键按下；若不全为1，则说明有键按下。(2)消除按键抖动的影响。其方法为：在判断有键按下后，用软件延时的方法延时10ms后，再判断键盘状态，如果仍为有键按下状态，则认为有一个按键按下，否则当作按键抖动来处理(3)求按键位置。根据前述键盘扫描法，进行逐列置0扫描。图6.14中，32个键的键值分布如下（键值由4位十六进制数码组成，前两位是列的值，即A口数据，后两位是行的值，即C口数据，X为任意值）：FEXEFDXEFBXEF7XEEFXEDFXEBFXE 7FXEFEXDFDXDFBXDF7XDEFXDDFXDBFXD 7FXDFEXBFDXBFBXBF7XBEFXBDFXBBFXB 7FXBFEX7FDX7FBX7F7X7EFX7DFX7BFX7 7FX7按键键值确定后，即可确定按键位置。相应的键号可根据下述公式进行计算：键号=行首键号+列号。图6.14中，每行的行首可给以固定的编号0（00H），8（08H），16（10H），24（18H），列号依列线顺序为07。(4)判别闭合的键是否释放。按键闭合一次只能进行一次功能操作，因此，等按键释放后才能根据按键的键号执行相应的键功能操作。

2)定时扫描方式定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间（例如10ms）的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断。CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。定时扫描方式的硬件电路与编程扫描方式相同，程序流程图如图6.15所示。图6.15定时扫描方式程序流程图

图6.15中，标志1和标志2是在单片机内部RAM的位寻址区设置的两个标志位，标志1为去抖动标志位，标志2为识别完按键的标志位。初始化时将这两个标志位设置为0，执行中断服务程序时，首先判别有无键闭合，若无键闭合，将标志1和标志2置0后返回；若有键闭合，先检查标志1，当标志1为0时，说明还未进行去抖动处理，此时置位标志1，并中断返回。由于中断返回后要经过10ms后才会再次中断，相当于延时了10ms，因此，程序无须再延时。下次中断时，因标志1为1，CPU再检查标志2，如标志2为0说明还未进行按键的识别处理，这时，CPU先置位标志2，然后进行按键识别处理，再执行相应的按键功能子程序，最后，中断返回。如标志2已经为1，则说明此次按键已做过识别处理，只是还未释放按键。当按键释放后，在下一次中断服务程序中，标志1和标志2又重新置0，等待下一次按键。

3)中断扫描方式采用上述两种键盘扫描方式时，无论是否按键，CPU都要定时扫描键盘，而单片机应用系统工作时，并非经常需要键盘输入，因此，CPU经常处于空扫描状态。为提高CPU工作效率，可采用中断扫描工作方式。其工作过程如下：当无键按下时，CPU处理自己的工作，当有键按下时，产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。图6.16是一种简易键盘接口电路，该键盘是由8051P1口的高、低字节构成的4×4键盘。键盘的列线与P1口的高4位相连，键盘的行线与P1口的低4位相连，因此，P1.4P1.7是键输出线，P1.0P1.3是扫描输入线。图中的4输入与门用于产生按键中断，其输入端与各列线相连，再通过上拉电阻接至+5V电源，输出端接至8051的外部中断输入端。具体工作如下：当键盘无键按下时，与门各输入端均为高电平，保持输出端为高电平；当有键按下时，输出端为低电平，向CPU申请中断，若CPU开放外部中断，则会响应中断请求，转去执行键盘扫描子程序。图6.16中断扫描键盘电路6．4单片机应用系统中的A/D、D/A接口6.4.1A/D转换器概述A/D转换器用于实现模拟量→数字量的转换，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。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。其缺点是转换速度较慢，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μs到几百μs之间。通常使用的逐次逼近式典型A/D转换器芯片有：(1)ADC0801~ADC0805型8位MOS型A/D转换器（美国国家半导体公司产品）。(2)ADC0808/0809型8位MOS型A/D转换器。(3)ADC0816/0817。这类产品除输入通道数增加至16个以外，其它性能与ADC0808/0809型基本相同。

6.4.2典型A/D转换器芯片ADC0809ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，采用CMOS工艺。1. ADC0809的内部逻辑结构ADC0809内部逻辑结构如图6.17所示。图6.17中，多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。地址锁存与译码电路完成对A、B、C三个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，如表6.3所示。

图6.17ADC0809内部逻辑结构表6.3通道选择表CBA选择的通道000001010011100101110111IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN78位A/D转换器是逐次逼近式，由控制与时序电路、逐次逼近寄存器、树状开关以及256R电阻阶梯网络等组成。输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。图6.18ADC0809引脚图2.信号引脚ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装，其引脚排列见图6.18。

对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：(1)IN7～IN0：模拟量输入通道。ADC0809对输入模拟量的要求主要有：信号单极性，电压范围0～5V，若信号过小还需进行放大。另外，在A/D转换过程中，模拟量输入的值不应变化太快，因此，对变化速度快的模拟量，在输入前应增加采样保持电路。(2)A、B、C：地址线。A为低位地址，C为高位地址，用于对模拟通道进行选择。图6.18中为ADDA、ADDB和ADDC，其地址状态与通道相对应的关系见表6.3。(3)ALE：地址锁存允许信号。在对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。(4)START：转换启动信号。START上跳沿时，所有内部寄存器清0；START下跳沿时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。(5)D7~D0：数据输出线。其为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。(6)OE：输出允许信号。其用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高电阻；OE=1，输出转换得到的数据。(7)CLK：时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500kHz的时钟信号。(8)EOC：转换结束状态信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。该状态信号既可作为查询的状态标志，又可以作为中断请求信号使用。(9)VCC：+5V电源。(10)Vref：参考电源。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V（Vref(+)=+5V，Vref(-)=0V）

ADC0809与8031单片机的一种连接如图6.19所示。电路连接主要涉及两个问题，一是8路模拟信号通道选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。图6.19ADC0809与8031单片机的连接1.8路模拟通道选择A、B、C分别接地址锁存器提供的低三位地址，只要把三位地址写入0809中的地址锁存器，就实现了模拟通道选择。对系统来说，地址锁存器是一个输出口，为了把三位地址写入，还要提供口地址。图6.19中使用的是线选法，口地址由P2.0确定，同时和相或取反后作为开始转换的选通信号。若无关位都取0，则8路通道IN0～IN7的地址分别为0000H～0007H。从图中可以看到，把ADC0809的ALE信号与START信号连接在一起了，这样使得在ALE信号的前沿写入地址信号，紧接着在其后沿就启动转换。因此，启动图6.40中的ADC0809进行转换只需要下面的指令（以通道0为例）：MOVDPTR，#0000H ；选中通道0MOVX@DPTR，A ；信号有效，启动转换

2.转换数据的传送A/D转换后得到的是数字量的数据，这些数据应传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换完成，因为只有确认数据转换完成后，才能进行传送。为此，可采用下述三种方式。1)定时传送方式对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如,ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机的64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用这个延时子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。2)查询方式A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此，可以用查询方式，软件测试EOC的状态，即可确知转换是否完成，然后进行数据传送。3)中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。在图6.19中，EOC信号经过反相器后送到单片机的INT0，因此可以采用查询该引脚或中断的方式进行转换后数据的传送。不管使用上述哪种方式，一旦确认转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址0000H，并以口地址的低三位作选通信号，当信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接收，即：MOV DPTR，#0000H ；选中通道0MOVX A，@DPTR ；信号有效，输出转换后的数据到A累加器

根据图6.19，设计一个1路模拟量输入的巡回检测系统，采样数据在LED数码管上显示出来，以下仅列出主程序。初始化程序：ORG 0000H ；主程序入口地址AJMP MAIN；跳转主程序

MAIN: MOV SP，#50HMOV DPTR，#9000H ；0809端口地址CLR AMOVX@DPTR,A ；STARTA/D （ACALLDISLED） ；沿时方式WAIT: JBCP3.0,READ ；查询方式 SJMP WAITREAD: MOV DPTR,#9000HMOV A，@DPTR ；读数MOV 30H，A ACALLDISLED SJMP MAIN6.4.3D/A转换器概述D/A转换器输入的是数字量，经转换后输出的是模拟量。有关D/A转换器的技术性能指标很多，例如绝对精度、相对精度、线性度、输出电压范围、温度系数、输入数字代码种类（二进制或BCD码）等。1)分辩率分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关。如果数字量的位数为n，则D/A转换器的分辨率为2-n。这就意味着数/模转换器能对满刻度的2-n输入量作出反应。例如，8位数的分辨率为1/256，10位数的分辨率为1/1024等。因此，数字量位数越多，分辨率也就越高，亦即转换器对输入量变化的敏感程度也就越高。使用时，应根据分辨率的需要来选定转换器的位数。DAC常可分为8位、10位、12位三种。2)建立时间建立时间是描述D/A转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量变化到输出达到终值误差±（1/2）LSB（最低有效位）时所需的时间。通常以建立时间来表示转换速度.转换器的输出形式为电流时，建立时间较短；输出形式为电压时，由于建立时间还要加上运算放大器的延迟时间，因此建立时间要长一点。但总的来说，D/A转换速度远高于A/D转换速度，快速的D/A转换器的建立时间可达1μs。3)接口形式D/A转换器与单片机接口方便与否，主要决定于转换器本身是否带数据锁存器。有两类D/A转换器，一类是不带锁存器的，另一类是带锁存器的。对于不带锁存器的D/A转换器，为了保存来自单片机的转换数据，接口时要另加锁存器，因此这类转换器必须在口线上；而带锁存器的D/A转换器，可以把它看作是一个输出口，因此可直接在数据总线上，而不需另加锁存器。

（1）典型D/A转换器芯片DAC0832DAC0832是一个8位D/A转换器。单电源供电，从+5V～+15V均可正常工作。基准电压的范围为±10V；电流建立时间为1μs；CMOS工艺，低功耗20mW。DAC0832转换器芯片为20引脚，双列直插式封装，其引脚排列图如图6.20所示。DAC0832内部结构框图如图6.21所示。该转换器由输入寄存器和DAC寄存器构成两级数据输入锁存。使用时，数据输入可以采用两级锁存（双锁存）形式，或单级锁存（一级锁存，一级直通）形式，或直接输入（两级直通）形式。

图6.20DAC0832引脚图

图6.21DAC0832内部结构框图

此外，由三个与门电路组成寄存器输出控制逻辑电路，该逻辑电路的功能是进行数据锁存控制，当=0时，输入数据被锁存；当=1时，锁存器的输出跟随输入的数据。D/A转换电路是一个R-2RT型电阻网络，实现8位数据的转换。对各引脚信号说明如下：(1)DI7～DI0：转换数据输入。(2)：片选信号（输入），低电平有效。(3)ILE：数据锁存允许信号（输入），高电平有效。(4)：第1写信号（输入），低电平有效。上述两个信号控制输入寄存器，是数据直通方式，还是数据锁存方式，当ILE=1和=0时，为输入寄存器直通方式；当ILE=1和=1时，为输入寄存器锁存方式。(5)：第2写信号（输入），低电平有效。(6)：数据传送控制信号（输入），低电平有效。上述两个信号控制DAC寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式，当=0和=0时，为DAC寄存器直通方式；当=1和=0时，为DAC寄存器锁存方式。(7) Iout1：电流输出1。(8) Iout2：电流输出2。DAC转换器的特性之一是：Iout1+Iout2=常数。(9) Rfb：反馈电阻端。DAC0832是电流输出，为了取得电压输出，需在电压输出端接运算放大器，Rfb即为运算放大器的反馈电阻端。运算放大器的接法如图6.19所示。(10)Vref：基准电压，其电压可正可负，范围是-10V～+10V。(11) DGND：数字地。(12) AGND：模拟地。图6.22运算放大器接法（2）单缓冲方式的接口与应用1.单缓冲方式连接所谓单缓冲方式就是使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，或者说两个输入寄存器同时受控的方式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽有几路模拟量但并不要求同步输出时，就可采用单缓冲方式。单缓冲方式的两种连接如图6.23和图6.24所示。图6.23DAC0832单缓冲方式接口图6.24用DAC产生锯齿波

图6.24中,=0和=0，因此DAC寄存器处于直通方式。而输入寄存器处于受控锁存方式，接8051的，ILE接高电平，此外还应把接高位地址或译码输出，以便为输入寄存器确定地址。

其它如数据线连接及地址锁存等问题不再赘述。2.单缓冲方式应用举例——产生锯齿波在许多控制应用中，要求有一个线性增长的电压（锯齿来控制检测过程，移动记录笔或移动电子束等。对此可通过在DAC0832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6.24所示。图中的DAC8032工作于单缓冲方式，其中输入寄存器受控，而DAC寄存器直通。 ORG0000H

MAIN: MOV DPTR,#0A000H

MOV A,#0FFH

MOVX@DPTR,A ；正转

ACALLDELAY

MOV DPTR,#0A000H

MOV A,#80H ；停止

MOVX@DPTR,A

ACALLDELAY

MOV DPTR,#0A000H

MOV A,#40H ；反转

MOVX@DPTR,A

ACALLDELAY

MOV DPTR,#0A000H

MOV A,#00H ；反转加速

MOVX@DPTR,A

ACALLDELAY

SJMP$

END

假定输入寄存器地址为7FFFH，产生锯齿波的源程序清单如下： ORG 0200HDASAW：MOV DPTR，#7FFFH ；输入寄存器地址，假定P2.7接 MOV A，#00H ；转换初值WW:MOVX@DPTR，A ；D/A转换INC A NOP ；延时 NOP NOP AJMPWW执行上述程序，在运算放大器的输出端就能得到如图6.22所示的锯齿波。对锯齿波的产生作如下几点说明：(1)程序每循环一次，A加1，因此实际上锯齿波的上升边是由256个小阶梯构成的，但由于阶梯很小，所以宏观上看就是如图6.25中所表示的线性增长锯齿波。(2)可通过循环程序段的机器周期数计算出锯齿波的周期，并可根据需要，通过延时的办法来改变波形周期。当延迟时间较短时，可用NOP指令来实现（本程序就是如此）；当需要延迟时间较长时，可以使用一个延时子程序。延迟时间不同，波形周期不同，锯齿波的斜率就不同。图6.25D/A转换产生的锯齿波

(3)通过A加1，可得到正向的锯齿波；如要得到负向的锯齿波，改为减1指令即可实现。(4)程序中A的变化范围是0～255，因此得到的锯齿波是满幅度的。如要求得到非满幅锯齿波，可通过计算求得数字量的初值和终值，然后在程序中通过置初值判终值的办法即可实现。用同样的方法也可以产生三角波、矩形波、梯形波，请读者自行编写程序。

6．5单片机IO实现I2C总线I2C(Inter－IntegratedCircuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线产生于80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。6.5.1I2C总线的结构与原理

I2C总线使用两根信号线来进行数据传输，一根是串行数据线(SDA)，另一根是串行时钟线(SCL)。它允许若干兼容器件(如存储器、A/D和D/A转换器，以及LED、LCD驱动器等)共享总线。I2C总线上理论上可以允许的最大设备数，是以总线上所有器件的电容总和不超过400pF为限(其中包括连线本身的电容和与它连接端的引出电容)，总线上所有器件要依靠SDA发送的地址信号寻址，不需要片选线。任何时刻总线只能由一个主器件控制，各从器件在总线空闲时启动数据传送，由I2C总线仲裁来决定哪个主器件控制总线。SDA与SCL为双向I/O线，都是开漏极端(输出1时，为高阻抗状态)。因此I2C总线上的所有设备的SDA、SCL引脚都要外接上拉电阻。目前有的单片机内部直接集成了I2C处理模块，对于没有集成I2C处理模块的单片机可以用单片机的通用IO口线来模拟SDA和SCL，如图6.26所示。在I2C总线中，具有主控能力的器件的数据传输和寻址也是在仲裁中进行的。当有多个主控器企图同时占用总线传输数据时，根据I2C总线的规约它们之间会有一个仲裁过程，以决定谁将占用总线。仲裁是在时钟线SCL为高电平时，根据数据线SDA的状态进行的。因此，仲裁过程和时钟电平、数据线状态是相辅相成的。也正是这种相辅相成的机制，使在总线仲裁过程中，当有其他主控器在数据线上传送低电平时，发送高电平的主控器将会发现此时数据线上的电平与其输出电平不一致，从而被裁决失去总线的主控权，并立即关闭其数据输出。仲裁过程原理图如图6.27所示。图6.27I2C总线仲裁原理6.5.2I2C总线的时序分析

I2C总线系统是由SCL（串行时钟）和SDA（串行数据）两根总线构成的。该总线有严格的时序要求，总线工作时，由串行时钟线SCL传送时钟脉冲，由串行数据线SDA传送数据。总线协议规定，各主节点进行通信时都要有起始、结束、发送数据和应答信号。这些信号都是通信过程中的基本单元。总线传送的每1帧数据均是1个字节，每当发送完1个字节后，接收节点就相应给一应答信号。协议规定，在启动总线后的第1个字节的高7位是对从节点的寻址地址，第8位为方向位（“0”表示主节点对从节点的写操作；“1”表示主节点对从节点的读操作），其余的字节为操作数据。图6.28列出I2C总线上几个基本信号的时序。假定使用单片机P1.0模拟I2C总线的SDA，P1.1模拟I2C总线的SCL。图6.28I2C总线基本时序(1)总线空闲 I2C总线在空闲状态时，也就是不在进行任何操作控制时，数据线SDA和时钟线SCL总是处于高电平输出状态。当操作控制系统时，I2C总线的主机将发出启动信号，使数据线SDA由高电平变为低电平，同时时钟线SCL也发出时钟信号，程序实现如下：SCL_I2C BITP1.1；预定义I2C总线的SCLSDA_I2C BITp1.0；预定义I2C总线的SDA…SETB SCL_I2CSETB SDA_I2C(2)开始信号SCL保持高电平的状态下，SDA出现下降沿。出现开始信号以后，总线被认为"忙"，时序图如图6-28（a）所示,程序实现如下：Start:SETBSDA_I2C;发送起始条件的数据信号SETBSCL_I2CNOPNOPNOPCLRSDA_I2C;发送起始信号NOPNOPNOPCLRSCL_I2C;钳住I2C总线准备发送或接受数据RET（3）停止信号SCL保持高电平的状态下，SDA出现上升沿。停止信号过后，总线被认为"空闲"，如图6-28（b）所示，程序实现如下：Stop: CLRSDA_PCF8563;发送停止条件的数据信号NOP NOP