单片机常用接口电路设计

第9章单片机常用接口

电路设计9.1数码管显示器接口原理及应用9.2点阵显示原理及应用9.3LCD显示原理及应用9.4键盘接口原理及应用9.5串行A/D转换接口芯片TLC5499.6串行D/A转换接口芯片MAX5179.7直流电机控制电路9.8步进电机的控制9.9红外遥控电路习题章主要介绍单片机系统与外部设备的接口电路，例如LED、LCD、点阵、A/D和D/A等一些常用的外设接口电路。

单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第1页。9.1数码管显示器接口原理及应用在单片机应用系统中，显示器是最常用的输出设备。常用的显示器有：数码管(LED)、液晶显示器(LCD)和荧光屏显示器。其中以数码管显示最便宜，而且它的配置灵活，与单片机接口简单，广泛应用于单片机系统中。9.1.1案例介绍及知识要点19.1.2程序示例19.1.3知识总结——结构及显示原理9.1.4知识总结——LED静态显示原理9.1.5案例介绍及知识要点29.1.6程序示例29.1.7知识总结——LED动态显示原理9.1.8实战练习单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第2页。9.1.1案例介绍及知识要点1编写程序，让数码管从0～F依次循环显示，时间间隔为1s，电路原理图如图9-1所示。了解数码管的基本结构和工作原理。学会设计硬件驱动电路。掌握静态显示的原理。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第3页。9.1.2程序示例1数码管显示电路单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第4页。9.1.3知识总结——结构及显示原理LED显示器是单片机应用系统中常用的显示器件。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮，控制不同组合二极管导通，就能显示出各种字符，如表9-1所示。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第5页。9.1.4知识总结——LED静态显示原理静态显示就是当要显示某个数字时，可以通过给LED的数据引脚设置相应的高低电平即可实现显示相应数据。例如，一个4位静态显示电路，如图9-3所示。由于显示器中各位相互独立，而且各位的显示字符完全取决于对应口的输出数据，如果数据不改变，那么显示器的显示亮度将不会受影响，所以静态显示器的亮度都较高。但是从图9-3中可以看出它需要4个8位的数据总线，这对于单片机来说几乎占用了所有的I/O端口，所以显示位数过多时，就不会采用静态显示这种方法。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第6页。9.1.5案例介绍及知识要点2编写程序，让开发板上的8位数码管先第0位显示0，其他位不显示，然后第一位显示1，每次只有一位数码管显示，按此顺序轮流显示到7，时间间隔为1s，电路原理图参照图9-1。在静态显示的基础上了解轮流显示的原理。思考并总结动态显示原理。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第7页。9.1.6程序示例2本程序实现了8位数码管的轮流显示，思考一下不难看出如果在这基础上调整延时参数，当延时达到一个合适的值，即可实现让8位数码管同时显示0～7，这就是所谓的动态显示。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第8页。9.1.7知识总结——LED动态显示原理所谓动态显示就是将要显示的数按显示数的顺序在各个数码管上一位一位的显示，它利用人眼的驻留效应使人感觉不到是一位一位显示的，而是一起显示的。4位动态显示的电路，如图9-4所示，它将每个显示器的段代码连在一起，所以同样显示的是4位，但是动态显示的段代码数据数却只要8根。动态显示时数码管的数目还可以再扩展。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第9页。9.1.8实战练习数码管为共阴极的，现有0123

4位数要显示，0是最高位，3是最低位。注意：为了在以后程序中能够使用现有程序，提高程序的可移植性，本例对管脚的定义和函数名称都重新命名，以实现与后面程序的统一。电路原理图参照图9-1。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第10页。9.2点阵显示原理及应用LED点阵显示屏是通过PC将要显示的汉字字模提取出来，并发给单片机，然后显示在点阵屏上，主要适用于室内外汉字显示。LED点阵显示屏按照显示的内容可以分为图文显示屏、图像显示屏和视频显示屏。与图像显示屏相比，图文显示屏的特点就在于无论是单色还是彩色显示屏都没有颜色上的灰度差别，因此图文显示屏也就体现不出色彩的丰富性，而视频显示屏不仅能够显示运动、清晰和全彩色的图像，还能够播放电视和计算机信号。虽然这三者有一些区别，但它们最基础的显示控制原理都是相似的。9.2.1案例介绍及知识要点9.2.2程序示例9.2.3知识总结——硬件设计单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第11页。9.2.1案例介绍及知识要点图9-5所示是LED点阵的应用电路图，功能是实现循环显示数字0～9。了解点阵的驱动方式。了解开发板硬件电路的的设计。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第12页。9.2.2程序示例单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第13页。9.2.3知识总结——硬件设计1．主要器件介绍2．LED点阵块单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第14页。9.3LCD显示原理及应用液晶显示器简称LCD，它是利用液晶经过处理后能改变光线的传输方向的特性实现显示信息的。LCD具有体积小、重量轻、功耗极低，以及显示内容丰富等特点，正广泛应用于便携式仪器仪表、智能仪器和消费类电子产品等领域。液晶显示是通过液晶显示模块实现的。液晶显示模块(LCDModule)是一种将液晶显示器、控制器和驱动器装配在一起的组件。按其功能可分为3类：笔段式液晶显示器、字符点阵式显示器和图形点阵式液晶显示器。前两种可显示数字、字符和符号等，而图形点阵式显示器还可以显示汉字和任意图形，达到图文并茂的效果。本书将只对应用广泛、使用比较简单的字符型点阵式液晶显示器作介绍。9.3.1案例介绍及知识要点9.3.2程序示例9.3.3知识总结——接口信号说明9.3.4知识总结——操作时序说明9.3.5知识总结——指令格式和指令功能9.3.6知识总结——液晶显示初始化过程单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第15页。9.3.1案例介绍及知识要点图9-7是LCD显示器与80C51单片机的接口图，图中LCD1602的数据线与80C51的P0口相连，RS与80C51的P2.0相连，R/W与80C51的P2.1相连。编写程序，使在LCD显示器的第1行、第4列开始显示“Welcometo”，第二行、第6列开始显示“sdutuniversity”。了解液晶显示模块的接口信号。了解LCD1602液晶的的操作时序，并能根据时序写出驱动程序。掌握液晶显示模块硬件电路的设计。了解液晶显示屏的相关操作命令。了解液晶显示的初始化过程。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第16页。9.3.2程序示例单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第17页。9.3.3知识总结——接口信号说明RT-1602C字符型液晶模块是两行16个字的57点阵图形来显示字符的液晶显示器，它的外观形状如图9-8所示。RT-1602C采用标准的16接口，各引脚情况如下。第1脚：Vss，电源地。第2脚：VDD，+5V电源。第3脚：VL，液晶显示偏压信号。第4脚：RS，RS为数据/命令寄存器选择端，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W，读/写信号选择端，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时，可以写入指令或者显示地址；当RS为低电平，R/W为高电平时，可以读忙信号；当RS为高电平，R/W为低电平时，可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。第15脚：BLA，背光源正极。第16脚：BLK，背光源负极。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第18页。9.3.4知识总结——操作时序说明1．读操作时序，如图9-9所示2．写操作时序，如图9-10所示3．时序参数，如表9-2所示单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第19页。9.3.5知识总结——指令格式和指令功能液晶显示模块RT-1602C的控制器采用HD44780，控制器HD44780内有多个寄存器，通过RS和R/W引脚共同决定选择哪一个寄存器。1．清屏命令2．光标复位命令3．输入方式设置命令4．显示开关控制命令5．光标移位置命令6．功能设置命令7．设置字库CGRAM地址命令8．显示缓冲区DDRAM地址设置命令9．读忙标志及地址计数器AC命令10．写DDRAM或CGRAM命令11．读DDRAM或CGRAM命令单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第20页。9.3.6知识总结——液晶显示初始化过程使用LCD之前必须对它进行初始化，初始化可通过复位完成，也可在复位后完成，初始化过程如下。(1) 清屏；(2) 功能设置；(3) 开/关显示设置；(4) 输入方式设置。具体操作命令参照LCD1602手册。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第21页。9.4键盘接口原理及应用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，通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。键盘上闭合键的识别是由专用硬件实现的，称为编码键盘，靠软件实现的称为非编码键盘。非编码键盘又有独立按键和矩阵键盘，独立按键非常简单，本书重点介绍矩阵键盘。9.4.1案例介绍及知识要点19.4.2程序示例19.4.3知识总结——键输入原理9.4.4案例介绍及知识要点29.4.5程序示例29.4.6知识总结——矩阵式键盘电路的结构及原理9.4.7知识总结——按键的去抖动单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第22页。9.4.1案例介绍及知识要点1设计一简化的独立键盘程序。程序中省略了软件去抖动部分，OPR0～OPR7分别为每个按键的功能程序。设I/O口为P1口，P1.0～P1.7对应OPR0～OPR7，电路图如图9-11所示。了解键输入的工作原理。了解独立按键的优缺点。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第23页。9.4.2程序示例1单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第24页。9.4.3知识总结——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，其他的按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据，这些按键不只是简单的电平输入。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。对某些应用系统，例如智能仪器仪表，键输入程序是整个应用程序的重要部分。对于一组或一个按键，需要通过接口电路与CPU相连。CPU可以采用查询或中断方式了解有无按键输入并检查是哪一个按键按下，并将该按键号送入累加器ACC中，然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完又返回到原始状态。独立式按键电路配置灵活，硬件结构简单，但每个按键必须占有一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费较大。故只有在按键数量较少时采用这种按键电路。在图9-11所示的电路中，按键输入都采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第25页。9.4.4案例介绍及知识要点2编写程序，把44矩阵键盘的键值利用数码管显示出来。按键硬件电路图如图9-12所示。数码管显示电路参照图9-1。理解矩阵键盘的结构和工作原理。了解按键的去抖动方式。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第26页。9.4.5程序示例2单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第27页。9.4.6知识总结——矩阵式键盘电路的结构及原理图9-12所示为用单片机的P1口组成矩阵式键盘电路。图中行线P1.4～P1.7为输出状态。列线为P1.0～P1.3，通过4个上拉电阻接+5V，处于输入状态。按键设置在行、列交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。CPU通过读取行线的状态，即可知道有无按键按下。当键盘上没有键闭合时，行、列线之间是断开的，所有的行线输入全部为高电平。当键盘上某个键被按下闭合时，则对应的行线和列线短路，行线输入即为列线输出。此时若初始化所有的列线输出为低电平，则通过检查行线输入值是否为全1即可判断有无按键按下。方法如下：(1) 判断有无按键被按下。键被按下时，与此键相连的行线与列线将导通，而列线电平在无按键按下时处于高电平。显然，如果让所有的行线处于高电平，那么键按下与否都不会引起列线电平的状态变化，所以只有让所有行线处于低电平，当有键按下时，按键所在列电平将被拉成低电平，根据此列电平的变化，便能判定一定有按键被按下。(2) 判断按键是否真的被按下。当判断出有按键被按下之后，用软件延时的方法延时5～10ms，再判断键盘的状态，如果仍认为有按键被按下，则认为确实有键按下，否则，当作键抖动来处理。(3) 判断哪一个按键被按下。当判断出哪一列中有键被按下时，可根据P1口的数值来确定哪一个键被按下。(4) 等待按键释放。键释放之后，可以根据键码转入相应的键处理子程序，进行数据的输入或命令的处理。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第28页。9.4.7知识总结——按键的去抖动目前，无论是按键或键盘大部分都是利用机械触点的合、断作用。由于弹性作用的影响，机械触点在闭合及断开瞬间均有抖动过程，从而使电压信号也出现抖动，如图9-13所示。抖动时间长短与开关机械特性有关，一般为5～10ms。通常去抖动影响的方法有硬软件两种。比较常用的是软件方法去抖动，即检测出键闭合后执行一个延时程序产生5～10ms的延时，等前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平则确认为真正有键按下。当检测到按键释放后，也要给5ms~10ms的延时，待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序，从而去除了抖动影响。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第29页。9.5串行A/D转换接口芯片TLC549TLC549(TLC548)是TI公司生产的一种低价位、高性能的８位A/D转换器，它以８位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17s，它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。9.5.1案例介绍及知识要点9.5.2程序示例9.5.3知识总结——主要特性9.5.4知识总结——内部结构和引脚9.5.5知识总结——TLC549的工作时序单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第30页。9.5.1案例介绍及知识要点利用TLC549对电位器的电压值进行采样，读取采样值并通过数码管显示出来。原理图如图9-14所示。了解TLC549的主要特性、结构及引脚。了解TLC549的工作时序，并能根据时序写出AD采样程序。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第31页。9.5.2程序示例单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第32页。9.5.3知识总结——主要特性８位分辨率A/D转换器，总不可调整误差≤±0.5LSB。采用三线串行方式与微处理器相连。片内提供４MHZ内部系统时钟，并与操作控制用的外部I/OCLCCK相互独立。有片内采样保持电路，转换时间≤17s，包括存取与转换时间，转换速率达40000次/秒。差分高阻抗基准电压输入，其范围是：1V≤差分基准电压≤VCC＋0.2V。宽电源范围：3～6.5V，低功耗，当片选信号为低，芯片选中处于工作状态时，功耗非常低。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第33页。9.5.4知识总结——内部结构和引脚TLC各引脚功能如下。(1) REF+：正基准电压输入端，2.5V≤REF+≤VCC+0.1。(2) REF-：负基准电压输入端，-0.1V≤REF-≤2.5V，且要求REF+－REF-≥1V。(3) ANALOGIN：模拟信号输入端，0≤ANALOGIN≤VCC，当ANALOGIN≥REF+电压时，转换结果为全１(FFH)，ANALOGIN≤REF-电压时，转换结果为全0(00H)。(4) GND：接地线。(5) ：芯片选择输入端，要求输入高电平VIN≥2V，输入低电平VIN≤0.8V。(6) DATAOUT：转换结果数据串行输出端，与TTL电平兼容，输出时高位在前，低位在后。(7) I/OCLOCK：外接输入/输出时钟输入端，不同于同步芯片的输入输出操作，无需与芯片内部系统时钟同步。(8) VCC：系统电源3V≤VCC≤6V。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第34页。9.5.5知识总结——TLC549的工作时序图9-16中当CS变为低电平后，TLC549芯片被选中，同时前次转换结果的最高有效位MSB(A7)自DATAOUT端输出，接着要求自I/OCLOCK端输入8个外部时钟信号，前7个I/OCLOCK信号的作用，是配合TLC549输出前次转换结果的A6～A07位，并为本次转换做准备。在第4个I/OCLOCK信号由高至低的跳变之后，片内采样/保持电路对输入模拟量采样开始，第8个I/OCLOCK信号的下降沿使片内采样/保持电路进入保持状态并启动A/D开始转换。转换时间为36个系统时钟周期，最大为17s。直到A/D转换完成前的这段时间内，TLC549的控制逻辑要求：或者保持高电平，或者I/OCLOCK时钟端保持36个系统时钟周期的低电平。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第35页。9.6串行D/A转换接口芯片MAX517MAX517是MAXIM公司生产的８位电压输出型DAC数模转换器，它带有总线接口，允许多个设备之间进行通讯。9.6.1案例介绍及知识要点9.6.2程序示例9.6.3知识总结——MAX517的工作原理单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第36页。9.6.1案例介绍及知识要点将单片机发出的数字量经MAX517转换成模拟量，同时利用数码管显示要转换的数字量，转化后的模拟量可以用数字表测量出来，然后对比前后结果。DA接口电路图如图9-17所示。显示电路参考图9-1。了解MAX517的主要特性、结构及引脚。了解MAX517的工作时序，并能根据时序写出初始化程序。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第37页。9.6.2程序示例单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第38页。9.6.3知识总结——MAX517的工作原理1．MAX517的性能简介(1) 单独5V电源供电。(2) 简单的双线接口。(3) 与I2C总线兼容。(4) 输出缓冲放大双极性工作方式。(5) 基准输入可为双极性。(6) 上电复位将所有闭锁清零。(7) 4A掉电模式。(8) 总线上可挂4个器件(通过AD0和AD1选择)。2．MAX517各管脚说明1脚(OUT)：D/A转换输出端。2脚(GND)：接地。3脚(SCL)：时钟总线。4脚(SDA)：数据总线。5、6脚(AD1和AD0)：用于选择哪个D/A通道的转换输出。由于MAX517只有一个D/A所以使用时，这两个引脚通常接地。7脚(VCC)：电源。8脚(REF)：参考。3．MAX517的工作时序。图9-19所示MAX517的一个地址字节格式如表9-4所示。MAX517的控制字节格式如表9-5所示。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第39页。9.7直流电机控制电路直流电动机就是将直流电能转换成机械能的电机。直流电动机是由定子与转子两部分构成的。定子包括：主磁极、机座、换向极和电刷装置等。转子包括：电枢铁芯、电枢绕组、换向器、轴和风扇等。9.7.1案例介绍及知识要点9.7.2程序示例9.7.3知识总结——直流电机的特点及原理单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第40页。9.7.1案例介绍及知识要点利用继电器控制直流电动机的正反转，同时可以实现转速的控制。硬件设计如图9-20所示。了解直流电机的特点。简单理解直流电机的工作原理。掌握直流电机控制电路的设计方法。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第41页。9.7.2程序示例单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第42页。9.7.3知识总结——直流电机的特点及原理1．直流电动机的特点(1) 调速性能好。(2) 起动力矩大。2．直流电动机的工作原理单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第43页。9.8步进电机的控制步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件之一。由于其精度高、体积小、控制方便灵活，在智能仪表和位置控制中得到了广泛应用。大规模集成电路的发展及单片机技术的迅速普及，为设计功能强、价格低的步进电动机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。本节以永磁步进电机为例介绍步进电动机控制器的设计。9.8.1案例介绍及知识要点9.8.2程序示例9.8.3知识总结——步进电机的结构及原理单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第44页。9.8.1案例介绍及知识要点利用单片机控制步进电机正反转，调节速度。控制系统由AT89S52单片机、斯密特反相器74HC14、达林顿管阵列驱动芯片ULN2003和人机接口部分组成，如图9-22所示。(人机接口电路只是增加了3个按键，按键的功能在程序流程图中已给出)。相关的关键部分器件名称及其在电路中的主要功能如下。(1) AT89S52：完成步进电动机的控制方式、状态监测。(2) ULN2003：驱动步进电机。(3) 74HC14：斯密特反相器。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第45页。9.8.2程序示例步进电动机的控制程序能够根据键盘的设定改变电动机的转动方向和转动步数。根据步进电动机与单片机的接口和有效电平方式，输出控制字。表9-6提供了步进电动机的通电顺序和控制方式字。若通电方向相反，电动机反转。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第46页。9.8.3知识总结——步进电机的结构及原理步进电动机根据工作原理分为反应式、永磁式和永磁感应式3类。以永磁式步进电动机为例，介绍步进电动机基本结构和工作原理。永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源，它的输出转矩大，倒台性能好。断电时有定位转矩，消耗功率较低；转子的级数与定子的级数相同，所以步矩角较大，启动和运行频率较低，并需要正负脉冲信号。但如果为其相应的相序加上反向绕组，就不需要负脉冲。永磁式步进电动机有4相：A、B、C、D。工作方式有如下几种。单四拍：即A-B-C-D顺序通电。双四拍：即AB-BC-CD-DA顺序通电。八拍：即AA-BB-CC-DD顺序通电。四相步进电动机工作方式的电源通电时序与波形如图9-24(a)、(b)、(c)所示。单片机常用接口电路设计全文共53页，当前为第47页。9.9红外遥控电路红外线遥控是目