第6章单片机的人机交互与扩展技术

第6章

单片机的人机交互与扩展技术

人机交互是指操作人员与计算机之间进行的现场或远程信息交换与联系，用于人机交互的设备称为人机接口，这些设备主要有键盘、显示器和打印机等。一般的计算机控制系统必须要有人机交互功能，以便操作人员可以随时输入数据传递生产命令，并通过显示和打印功能及时掌握生产情况。对于简单的应用场合，由于单片机本身就是一个最小的应用系统，因此能直接满足实际应用所要求的功能，充分发挥单片机硬件结构紧凑、设计简单、成本低的优点。当设计一些较为复杂的测控系统时，其自身的功能往往不能够满足应用的需要，此时可利用MCS-51系列单片机强大的外部扩展功能，扩展各种外围电路以补充片内资源的不足，适应特定应用的要求。第6章单片机的人机交互与扩展技术1.LED显示技术6.1单片机的人机交互技术6.1.1显示器接口技术在单片机应用系统中，为了便于观察和监视系统的运行情况，经常需要用显示器显示输入信息、中间信息、运行状态及运行结果等数据。目前常用的显示器件有LED(发光二极管显示器)和LCD(液晶显示器)两种。

LED显示器主要是指由发光二极管组成的数码管显示器或LED点阵显示模块。根据公共端的接法不同，LED数码管分为共阴极和共阳极二种类型，在使用时，由于LED显示器的工作电流通常为5～15mA，工作电压为1.5～2.5V，因此使用时需加驱动及限流电阻。根据显示方式不同，LED显示有静态显示和动态显示之分。（1）静态显示方式:

每一位显示都占用单独的具有锁存功能的I/O接口，显示信号始终存在；

com端连接在一起；

8051P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0LEDCBAgfedcbaDpgfedcbaMC14495LEDCBAgfedcbaDpgfedcbaMC14495+5V（2）动态显示方式是将所有数码管的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，每个数码管的COM为各自独立的位选信号，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于位选信号。例：如下图所示采用译码器的动态显示接口电路，设51单片机内部RAM的40H～43H单元中有四位非压缩BCD码，编写动态显示子程序。

显示子程序如下：

ORG0050HDISBEQU40HDISP：MOVR2，#80HMOVR0，#DISBDISP1：MOVA，@R0ANLA，#0FHORLA，R2MOVP1，AMOVR3,#25DISP2：NOPNOP

DJNZR3，DISP2；延时1msINCR0MOVA，R2RRAMOVR2，AJNBACC.3，DISP1MOVA，#0FHMOVP1，ASETBP3.0RET键盘是若干按键的集合，是向系统提供操作人员干预命令及数据的接口设备。键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与被按键对应的编码。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，其它工作都靠软件来完成，由于其经济实用，目前在单片机应用系统中多采用这种办法。6.1.2键盘接口技术1、在设计键盘接口时，解决以下几个问题：检测是否有键按下；去抖动若有键按下，判定是哪一个键；确定被按键的读数；不管一次按键持续的时间有多长，仅采用一个数据；处理同时按键。5~10ms5~10ms>100ms按键过程

前跳沿

后跳沿

识别区

2、独立式连接的非编码键盘（ｂ）查询方式（ａ）中断方式8031INT0＋５ＶINT1&P1.0P1.1P1.2P1.78031+5VP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7为了识别键盘上的闭合键，通常采用两种方法，一种为行扫描法，另一种称为行反转法。行扫描法原理：CPU每次使并行输出端口的某位为零，而其它位为1，然后CPU只要读取输入端口中的数据，就可判别。3、矩阵式连接的非编码键盘0123456789101112131415＋5V8031P1.6P1.7P1.0P1.1P1.2P1.3P1.5P1.4行反转法5VPA0PA1PA2PA3PB0PB1PB2PB310kΩ×8原理：第一步设A口输出B口输入A口输出全0值，然后从B口读入；第二步设A口输入B口输出将B口刚读入的值输出，再从A口读入90

MCS-51内部的串行口，大大扩展了MCS-51的应用范围。利用串行口可以实现MCS-51之间的点对点的串行通信、多机通信以及MCS-51与PC机间的单机或多机通信。MCS-51串行口的输入、输出均为TTL电平。这种以TTL电平串行传输数据的方式，抗干扰性能差，传输距离短。为了提高串行通信的可靠性，增大串行通信的距离，一般都采用标准串行接口，如RS-232、RS-422A、RS-485等标准来实现串行通信。

6.1.3串行通信接口技术1.RS-232接口

RS-232是由美国电子工业协会(EIA)于1962年制定的标准，是在异步串行通信中应用最广的标准串行接口。RS-232适用于短距离或带调制解调器的串行通信场合。它适合于数据传输速率在0~20000b/s范围内的通信。1）机械标准

DB-25插座，具有25针的电缆连接器，定义了22根信号。但实际进行异步通信时只需9根。所以还有DB-9连接器作为多功能I/O卡或主板上COM1和COM2两个串行口的连接器。电话线MODEM微机2345678202223456782022MODEM23456782022数据装置准备好DSR数据终端准备好DTR发送数据TxD接收数据RxD请求发送RTS允许发送CTS信号地GND载波检测CD振铃指示RI微机23456782022

对于短距离通信，一般不采用Modem，可直接将通信双方连接在一起。当不需联络信号时可采用最简三线式连接。微机TxDRxDGND微机TxDRxDGND

RS-232C标准规定，若不使用MODEM，最大直接传输距离为15m。2）电气标准

EIA电平采用负逻辑。低电平为＋5V～＋15V高电平为－5V～－15V电平转换MAX232的双机串行通信接口图3）应用MAX232实现PC机与单片机串行通信接口图

2.RS-422接口

RS-232既是一种电气标准，又是一种物理接口标准，而RS-422仅仅是一种电气标准，是为改善RS-232标准的电气特性，又考虑与RS-232兼容而制定的。RS-422与RS-232的关键不同在于把单端输入改为双端差分输入，信号地不再公用，双方的信号地也不再接在一起。

3.RS-485接口

RS-422为全双工，采用2对平衡差分信号线，使线路成本增加；而RS-485为半双工，收发双方共用1对线进行通信，即采用1对平衡差分信号线。RS-485标准允许最多并联32台驱动器和32台接收器，对于多站互连是十分方便的。

6.2存储器扩展技术1.选取存储器芯片的原则6.2.1存储器扩展中应考虑的问题2.工作速度的匹配3.片选信号与地址信号分配4.地址译码方式6.2.2存储器的并行扩展一、程序存储器的扩展

(1)EPROM的扩展8031和27128的连接图(2)EEPROM扩展

8031和2864A的连接图二、数据存储器的扩展

8031和6264的连接图三、存储器的综合扩展译码器Y0Y2GBAY1Y3

存储器的扩展图（1）Q0D7D0GQ774LS373～～OEOEWEA0~12CS2764A0~12CS2764A0~12CS16264OED0~7OED0~7D0~7P0.0~P0.7PSEN

RD

WRP2.5

P2.7

P2.6ALEP2.0～P2.48031EA译码器Y0Y2GBAY1Y3&存储器的扩展图（2）OEWEA0~12CS2864AA0~12CS2864AA0~12CS16264OEWED0~7OEWED0~7D0~7P0.0~P0.7PSENRDWRP2.5

P2.7

P2.6ALEP2.0～P2.48031EAQ0D7D0GQ774LS373～～OE6.2.3存储器的串行扩展

串行扩展总线技术是新型单片机技术发展的一个显著特点。串行总线扩展接线灵活，容易形成模块化的结构，同时还将极大的简化系统结构。目前有许多串行接口器件，如串行E2PROM、串行ADC/DAC、串行时钟芯片等等。其中串行E2PROM是在各种串行器件应用中使用较为频繁的器件。它具有体积小、引线少以及与MCS-51单片机连接线路简单的优点，因此得到广泛的应用，常用于仪器仪表中存放重要的数据。在新型单片机中实用的串行扩展接口有Motorola的SPI，NS公司的MICROWIRE/PLUS和PHLIPS公司的I2C总线。其中I2C总线具有标准的规范以及众多的带I2C接口的外围器件，形成了较为完善的串行扩展总线。1.I2C总线

I2C串行总线具有两条总线线路：串行数据线SDA和串行时钟线SCL，可以进行数据的发送和接收。所有连接到I2C总线上的设备的串行数据都接到总线的SDA线上，而各设备的时钟信号均接到总线的SCL上。

I2C总线上主机和从机之间一次传送的数据称为一帧，是由启动信号、若干个数据字、应答位和停止信号组成。其通信时序如下图所示2.AT24CXX系列芯片

在串行E2PROM中，较为典型的有ATMEL公司的AT24CXX系列芯片。其特点为：1)可在低电压和标准电压下工作，具有1.8V(Vcc=1.8~5.5V)和2.7V(Vcc=2.7~5.5V)两种版本；2)2线串行接口；3)输入端带施密特触发器，可抑制杂波；4)双向数据传输协议；5)可通过写保护引脚进行数据保护；6)可进行页面写操作；7)写操作允许操作部分页；8)具有100万次写操作和100年数据保存时间的高性能。AT24CXX的封装形式和引脚功能

A2、A1、A0：芯片选择端。与写入控制字节中的A2，A1，A0配合实现芯片的选择。SCL：串行时钟线。用于输入串行时钟信号，漏极开路，需要外接上拉电阻。SDA：串行数据/地址传输线。作为双向数据线传送串行数据或者地址，开漏输出，需要加上上拉电阻。WP：写保护端。当WP为高电平时，对芯片进行写保护，数据不能写入仅能读出；当WP为低电平时，数据既能读出又能写入。Vcc：电源端。GND：信号地。（2）AT24CXX的控制字节在起始位以后，I2C总线的主器件送出8位控制字节。控制字节的结构如下表所示。D7D6D5D4D3D2D1D01010A2A1A0R/W类型码片选或块选读/写（3）应用

1）硬件连接电路

2）编程1）发送开始条件子程序（要求SCL=1时，SDA电平从高到低跳变。）START：SETBP1.1；置SDA=1SETBP1.0；置SCL=1，时钟脉冲开始

NOPNOPCLRP1.1；SDA电平从高变到低

NOPNOPCLRP1.0；SCL电平变低，时钟脉冲结束

NOPRET2）发送应答位子程序（要求SCL=1周期期间，SDA保持低电平）ACK：CLRP1.1；置发送数据SDA=0SETBP1.0；置SCL=1，时钟脉冲开始

NOPNOPCLRP1.0；SCL电平变低，时钟脉冲结束

SETBP1.1；置发送数据SDA=1RET3）发送反向应答位子程序（要求SCL=1周期期间，SDA保持高电平。）NOACK：SETBP1.1；置发送数据SDA=1SETBP1.0；置SCL=1，时钟脉冲开始

NOPNOPCLRP1.0；SCL电平变低，时钟脉冲结束

CLRP1.1；置发送数据SDA=0RET4）检查应答位子程序数据发送完之后，在第9个时钟周期等待应答位ACK=0，该信息被置于程序状态寄存器PSW的标志位F0返回。CHECK：SETBP1.1；置P1.1为输入状态

SETBP1.0；第9个时钟脉冲开始

NOPMOVC，P1.1；读SDA线

MOVF0，C；将ACK存入F0中

CLRP1.0；第9个时钟脉冲结束

NOPRET5）单字节发送子程序将累加器A中待发送的数据按位送上SDA线。WRB：MOVR7,#08H；发送8位WLP：RLCA；先发送最高位，将发送位移入C中

JCWR1；此位为1，转WR1CLRP1.1；此位为0，发送0SETBP1.0；置SCL=1，时钟脉冲开始

NOPNOPCLRP1.0；SCL电平变低，时钟脉冲结束

DJNZR7，WLP；未发完8位，转WLPRET；已发完8位，返回WR1：SETBP1.1；此位为1，发送1SETBP1.0；置SCL=1，时钟脉冲开始

NOPNOPCLRP1.0；SCL电平变低，时钟脉冲结束

CLRP1.1DJNZR7，WLP；未发完8位，转WLPRET；已发完8位，返回6）单字节接收子程序从SDA线上按位读一个字节的数据，保存在累加器A中。RDBYT：MOVR7,#08H；接受8位

CLRARLP：SETBP1.1；置P1.1为输入状态

SETBP1.0；时钟脉冲开始

MOVC，P1.1；读SDA线

RLCA；高位在前，移入新接收位

CLRP1.0；SCL电平变低，时钟脉冲结束

DJNZR7，RLP；未读完8位，转RLPRET；已读完8位，返回7）发送停止条件子程序要求SCL=1时，SDA电平从低到高跳变。PAUSE：CLRP1.1；置SDA=0SETBP1.0；置SCL=1，时钟脉冲开始

NOPNOPSETBP1.1；SDA电平从低变到高

NOPNOPCLRP1.0；SCL电平变低，时钟脉冲结束

NOPRET1.简单的I/O扩展

通过前面的学习知道，MCS-51单片机的P0～P3口具有输入数据可以缓冲、输出数据可以锁存的功能，并且有一定的带负载能力，在某些简单应用的场合I/O口可直接与外设相接，例如非编码键盘、发光二极管等。当需要扩展I/O口，为了能降低成本、缩小体积，可以采用TTL、CMOS电路锁存器或三态缓冲器构成各种类型的简单I/O，扩展I/O的数据一般接在数据总线上，即P0口，I/O口的选通一般由地址译码得到。通常I/O扩展的芯片有373、273、244和245等。6.3系统扩展技术6.3.1并行I/O接口的扩展及应用常用Intel系列可编程接口芯片型号名称说明8155并行接口带256B的RAM和14位定时/计数器8255通用并行接口

8251同步/异步通讯接口

8253定时/计数器

8279键盘/显示接口

8259中断控制器

7219串行键盘显示接口

2.利用可编程接口芯片进行的I/O扩展（1）Intel8155引脚及功能

TIMEROUTCBAAD012PA021AD113PA122AD214PA223AD315PA324AD416PA425AD517PA526AD618PA627AD719PA728PB029CE8PB130RD9PB231WR10PB332IO/M7PB433ALE11PB534PB635PB7366PC037PC138TIMERIN3PC239PC31PC42RESET4PC55256字节静态RAM14位计数器TIMERINTIMEROUTVCC＋5V)VSSGNDPA0～PA7IO/MCEALERDWRRESETAD037PC1383PC239PC31PC42RESET4PC558155定时TIMERINTIMEROUT(()PA0～PA7IO/MCEALERDWRRESETAD0～AD7PB0～PB7PC0～PC5ALE：地址锁存线，高电平有效。它常和单片机的ALE端相连，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息锁存到8155内部的地址锁存器中。因此，单片机的P0口和8155连接时，无需外接锁存器。IO/M：RAM或I/O口的选择线。当=0时，选中8155的256BRAM；当=1时，选中8155片内3个I/O端口以及命令/状态寄存器和定时/计数器。TIMERIN、TIMEROUT：定时/计数器的脉冲输入、输出线。TIMERIN是脉冲输入线，其输入脉冲对8155内部的14位定时/计数器减1；TIMEROUT为输出线，当计数器计满回0时，8155从该线输出脉冲或方波，波形形状由计数器的工作方式决定。8155口地址分布（2+6）命令寄存器TM1TM2IEBIEAPC2PC1PAPAPBA口方式B口方式B口A口计数器方式00:空操作01:停止计数10:计满后停止11:开始计数0:输入1:输出0:禁止中断1:允许中断00011011方式1:A、B口基本

I/O;C口输入方式2:A、B口基本

I/O;C口输出方式3:A口选通

I/O

,B口基本

I/O方式4:A,B口选通

I/O状态寄存器C口工作方式及控制信号分布87518155RSTRESETALEALERDRDWRWRP0AD0～AD7CEIO/MP2.1P2.2＋5VPAPBPC此时，8155内部RAM的地址范围为：0000H～00FFH，8155各端口的地址（设无关位为0/1，这些地址都不是唯一的）为：命令/状态口0400HA口0401HB口0402HC口0403H

定时器低字节

0404H

定时器高字节

0405H

例:将8155的A口定义为选通输出方式，B口定义为基本输入方式，定时器定义为方波发生器对输入脉冲进行36分频。程序段如下：

MOVDPTR,#0400H;控制口

MOVA,#11001001BMOVX@DPTR,AMOVDPTR,#0404H;计数器低8位

MOVA,#36MOVX@DPTR,AINCDPTR;计数器高8位

MOVA,#01000000B;连续方波

MOVX@DPTR,A例：设定8155工作在基本I/O口ALT1方式，A口输入，B口输出，C口输入。要求将A口输入的数据送进8155片内的RAM的0000H单元中，将00FFH单元数据从B口输出。MOVDPTR，#0100H；8155控制口地址为0100HMOVA，#02H；8155设定为ALT1工作方式MOVX@DPTR，A；向8155输出控制字MOVDPTR，#0101H；设定8155A口地址为0101HMOVXA，@DPTR；读8155A口数据MOVDPTR，#0000H；8155片内RAM首地址MOVX@DPTR，A；将A口数据送入8155内RAM单元MOVDPTR，#00FFH；8155内RAM地址00FFHMOVXA，@DPTR；读出8155内RAM的00FFH单元数据MOVDPTR，#0102H；设定8155B口地址为0102HMOVX@DPTR，A；将8155内RAM数据从B口输出

MAX7219是美国MAXIM公司生产的串行输入、共阴极显示输出的控制驱动器，采用CMOS工艺，内部集成了数据保持、BCD译码器、多路扫描器、段驱动器和位驱动器。每片MAX7219最多可同时驱动8个LED数码管、条形图显示器或64只发光管。

6.3.2可编程串行显示接口芯片MAX7219及扩展应用

MAX7219的主要特点如下：1）采用三线串行传送数据，仅用3个引脚与微处理器相应端相连即可，串行数据传送速率高达10MHz，还可以级联使用。2）内部具有8字节显示静态RAM(称为数字寄存器)和6个控制寄存器，可单独寻址和更新内容。有译码和不译码两种显示模式。3）上电时所有LED熄灭，正常工作时通过外接电阻或编程方式调节LED亮度。4）最大功耗为0.87W，具有150μA电流的低功耗关闭模式。1.MAX7219的引脚功能DIN：串行数据输入端。

在时钟周期的上升沿将数据逐位置入内部16位移位寄存器，在CLK的上升沿到来之前，DIN必须有效。DIG0～DIG7：显示器位控制端。

分别接至8只共阴极LED数码管的阴极，从显示器灌入电流。GND：信号地。两个接地引脚都应接地。LOAD：数据锁存脉冲输入端.

在其上升沿处锁存16位串行输入数据。CLK：串行数据移位脉冲输入端.

具有10MHz最大速率，在其上升沿处数据移入内部移位寄存器。SEGa～g、dp：七段段码和小数点输出端。ISET：外接电阻端。

与V+之间连有一个电阻，以设置峰值段电流。V+：供电电压（4V～5.5V）。典型值为5V。DOUT：串行数据输出端。

输入DIN的数据经16.5个时钟周期后在DOUT正确输出。用作MAX7219的扩展。2.串行数据格式与工作时序地址字节数据字节D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0XXXX寄存器地址寄存器数据

7219工作时序图3.MAX7219内部寄存器

MAX7219内部有14个8位寄存器:8个显示数据寄存器，用于存放DIG0～DIG7对应的显示数据，地址为X1H～X8H；

6个控制寄存器，即译码模式控制寄存器、显示亮度控制寄存器、扫描频率限制寄存器、关闭（消隐）模式寄存器、显示测试寄存器及空操作寄存器，其地址依次为X9H～XCH、XFH、X0H。（1）译码模式控制寄存器（地址X9H）译码模式寄存器数据位D7D6D5D4D3D2D1D0LED显示位DIG7DIG6DIG5DIG4DIG3DIG2DIG1DIG0数据00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH字形0123456789·EHLP灭数据寄存器数据位D7D6D5D4D3D2D1D0对应的段dpabcdefg（2）显示亮度控制寄存器（地址XAH）

MAX7219可用外接电阻调节LED亮度(称为亮度模拟控制)，外部电阻RSET接在电源V+和ISET端之间，用来控制段电流的峰值，即最大亮度。RSET既可以是固定的，也可以是可变的，由面板来进行亮度调节。RSET最小值为9.53kΩ。段电流也可用显示亮度控制寄存器进行调节(称为亮度数字控制)，即用寄存器的D3～D0位控制内部脉宽调制器的占空比来控制LED段电流的平均值，以达到控制亮度的目的。当D3～D0位从0变化到0FH时，占空比从1/32变化到31/32，共16个控制等级，每级变化2/32。（3）扫描频率限制寄存器（地址XBH）该寄存器用于设置显示LED数码管个数（18个）。8位LED显示时，以1300Hz的扫描频率分路驱动，轮流点亮LED数码管。该寄存器的低3位值指定要扫描LED数码管的个数。若要驱动的LED数少，可降低扫描限制，以提高扫描的速度和亮度。例如，系统中只有4个LED，应连接DIG0～DIG3，并写入0B03H，使扫描速度提高一倍。（4）关闭（消隐）模式寄存器（地址XCH）

MAX7219处于关闭模式时，扫描振荡器停止工作，显示器为消隐状态，显示数字与控制寄存器中的数据保持不变，但可以对其更改数据或改变控制方式。关闭（消隐）模式寄存器的D7～D1位可以任意。当D0＝0时，MAX7219进入关闭状态，关闭所有显示器；当D0＝1时，所有显示器按设定显示方式回到正常显示方式。这种模式可用于节电状态，或在连续进入或离开关闭模式时使屏幕闪烁。（5）显示测试寄存器（地址XFH）显示测试寄存器的D7～D1位可以任意。当D0＝1时，MAX7219便进入显示测试方式，所有LED各段及小数点均点亮，电流占空比为31/32，即使在关闭方式下也可直接进入该方式；当D0＝0时，MAX7219又回到原来工作状态。通常是选择正常工作操作模式。（6）空操作寄存器（地址X0H）

空操作寄存器中的数据字节可以是任意值。该寄存器用于MAX7219的级联方式，可允许数据通过而不对当前MAX7219产生影响。级联时，把所有的LOAD端连接在一起，而把前级DOUT连接到后级DIN上。例如，如果两片MAX7219级联，要对第2片MAX7219传送数据，应发送32位的数据包，前16位为第2片MAX7219有效数据包，后16位为空操作代码(X0XXH)。当第32个CLK脉