第十章 单片机并行口线

第10章

单片机的并行口线扩展及应用10.1并行口线扩展

10.2输出口线的驱动与隔离

10.1并行口线扩展

10．1.1通过锁存存器扩展并行接口10.1.2可编程并行接口芯片815510.1并行口线扩展

10．1.1通过锁存存器扩展并行接口

51单片机本身有4个8位的I/O口线，一般情况下足以满足我们的要求，在需要较多的I/O端口时，可以用扩展I/O口线的方法：（1）采用74LS244，74LS273芯片实现存储器映像方式的I/O口线扩展；（2）采用8155、8255可编程I/O芯片的I/O口扩展；（3）采用串行转并行的方式的I/O口扩展。51系列单片机通过总线扩展外设的方法如图4-1所示。图10-151系列单片机的扩展

并行输入扩展通常采用缓冲器74LS244实现输入口线扩展的原理图如图10-2所示，在图10-2中，采用3-8译码器74LS138进行地址译码，74LS138的ABC输入端接地址线为A0A1A2,74LS138使能端接G1aG2aG2B,分别接A15A14及，因此只有在A15为1，A14为0和信号有效，即执行MOVXA，@DPTR指令，且DPTR满足相应地址条件时，输入端的状态才能被读入到A中，实现输入端口的扩展功能。输出端口的扩展功能如图10-2所示，与输入端口不同的是74LS244缓冲器换成了74LS2738D触发器及信号换成了，当执行MOVX@DPTR,A时，地址符合条件译码器输出有效，同时使能端WR也有效，输出的数据由A中送到8D触发器74LS273上并锁存住，完成了输出A中内容到74LS273并锁存的功能，实现了输出口线的扩展功能。10-2采用74LS244的输入口线扩展图10-3采用74LS273的输出口线扩展图10-3是同时扩展输入和输出的电路，在图10-3中地址译码采用线译码方式，即采用A15地址线(P2.7)完成，8000H地址译码，当对8000H地址进行MOVXA,@DPTR和MOVX@DPTR,A时，分别从74LS244及74LS273上输入或输出信号，采用此方法可以同时扩展多片74LS244或74LS273，实现多I/O口的扩展，当扩展数量较多时，应注意P0口的带载能力，可以在P0口上加缓冲器实现增强驱动能力，但需要注意的是P0口中数据的流向，如果只扩展输入口线或只扩展输出口线，则可以采用74LS244单向缓冲器进行缓冲，如果同时扩展输入及输出口线，应采用74LS245这样的双向缓冲器进行驱动能力扩展。如图10-4所示。图10-4同时有输入，输出口线扩展电路10.1.2可编程并行接口芯片8155图10-58155的引脚图8155是一种可编程的并行I/O插口芯片。有2个8位1个6位并行I/O口一个14位计数器的及256BRAM。8155的引脚见图4-5所示。

1、8155各引脚功能说明如下：

RST：复位信号输入端，高电平有效。复位后，3个I/O口均为输入方式。

AD0～AD7：三态的地址/数据总线。与单片机的低8位地址/数据总线（P0口）相连。单片机与8155之间的地址、数据、命令与状态信息都是通过这个总线口传送的。

：读选通信号，控制对8155的读操作，低电平有效。：写选通信号，控制对8155的写操作，低电平有效。：片选信号线，低电平有效。IO/：8155的RAM存储器或I/O口选择线。当IO/＝0时，则选择8155的片内RAM，AD0～AD7上地址为8155中RAM单元的地址（00H～FFH）；当IO/＝1时，选择8155的I/O口，AD0～AD7上的地址为8155I/O口的地址。ALE：地址锁存信号。8155内部设有地址锁存器，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及，IO/的状态都锁存到8155内部锁存器。因此，P0口输出的低8位地址信号不需外接锁存器。

PA0～PA7：8位通用I/O口，其输入、输出的流向可由过程控制。

PB0～PB7：8位通用I/O口，功能同A口。

PC0～PC5：有两个作用，既可作为通用的I/O口，也可作为PA口和PB口的控制信号线，这些可通过过程控制。

TIMERIN：定时/计数器脉冲输入端。

TIMEROUT：定时/计数器输出端。

VCC：＋5V电源。2、8155的地址编码及工作方式

在单片机应用系统中，8155是按外部数据存储器统一编址的，为16位地址，其高8位由片选线提供，＝0，选中该片。

当＝0，IO/＝0时，选中8155片内RAM，这时8155只能作片外RAM使用，其RAM的低8位编址为00H～FFH；当＝0，IO/＝1时，选中8155的I/O口，其端口地址的低8位由AD7～AD0确定，如表10-1所示。这时，A、B、C口的口地址低8位分别为01H、02H、03H（设地址无关位为0）。表10-18155芯片的I/O口地址AD7～AD0选择I/O口A7A6A5A4A3A2A1A0××××××××××××××××××××××××××××××000011001100010101命令/状态寄存器A口B口C口定时器低8位定时器高6位及方式8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或选通I/O方式。C口可工作于基本I/O方式，也可作为A口、B口在选通工作方式时的状态控制信号线。当C口作为状态控制信号时，其每位线的作用如下：

PC0：AINTR（A口中断请求线）

PC1：ABF（A口缓冲器满信号）

PC2：（A口选通信号）

PC3：BINTR（B口中断请求线）

PC4：BBF（B口缓冲器满信号）

PC5：（B口选通信号）

8155的I/O工作方式选择是通过对8155内部命令寄存器设定控制字实现的。命令寄存器只能写入，不能读出，命令寄存器的格式如图10-6所示。在ALT1～ALT4的不同方式下，A口、B口及C口的各位工作方式如下：

ALT1：A口，B口为基本输入/输出，C口为输入方式。

ALT2：A口，B口为基本输入/输出，C口为输出方式。

ALT3：A口为选通输入/输出，B口为基本输入/输出。PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为，PC3～PC5为输出。

ALT4：A口、B口为选通输入/输出。PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为，PC3为BINTR，PC4为BBF，PC5为。图10-68155命令寄存器格式8155内还有一个状态寄存器，用于锁存输入/输出口和定时/计数器的当前状态，供CPU查询用。状态寄存器的端口地址与命令寄存器相同，低8位也是00H，状态寄存器的内容只能读出不能写入。所以可以认为8155的I/O口地址00H是命令/状态寄存器，对其写入时作为命令寄存器；而对其读出时，则作为状态寄存器。图10-78155状态寄存器格式3、8155的定时/计数器

8155内部的定时/计数器实际上是一个14位的减法计数器，它对TIMERIN端输入脉冲进行减1计数，当计数结束（即减1计数“回0”）时，由TIMEROUT端输出方波或脉冲。当TIMERIN接外部脉冲时，为计数方式；接系统时钟时，可作为定时方式。

定时/计数器由两个8位寄存器构成，其中低14位组成计数器，剩下的两个高位（M2，M1）用于定义输出方式。其格式如图10-8所示。图10-88155定时/计数器控制字10.2输出口线的驱动与隔离驱动芯片

10.2.2光耦合器件10.2输出口线的驱动与隔离

驱动芯片

开关量的输入/输出，从原理上讲十分简单，在控制现场经常遇到。CPU只要通过对输入到端口的信息进行分析，判断其状态是“0”还是“1”，就可得知开关是“闭合”的还是“断开”的。对于软件设计者来说，如果要控制某个执行器的工作状态，只需在编程时送出“0”或者“1”，即可操作执行机构。但是由于工业现场存在着电、磁、振动、温度等各种干扰，再加上各类执行器所要求的一电压量及功率不同，所以在接口电路中除根据需要选用不同的元器件来设计电路外，还需要考虑各种缓冲、隔离和驱动电路的设计。见图10-9单片机驱动口线的几种接法.图10-9单片机口线驱动其它电路的几种接法

常用驱动芯片有ULN2803,7407等,见图10-10所示。

八达林顿晶体管阵列ULN2803中的八NPN达林顿连接晶体管是低逻辑电平数字电路(如TTL，CMOS或PMOS／NMOS)和大电流高电压要求的灯、继电器、打印机锤和其它类似负载驱动理想器件。广泛用于计算机，工业和消费类产品中。所有器件的集电极开路输出并接有用于瞬变抑制的续流钳位二极管。ULN2803的设计与标准TTL系列兼容。7407是一种集电极开路的驱动芯片,用它可以驱动小型电器的电路.由于集电极开路,故可以由电源经负载到7407输出端,然后到地形成新的控制回路。常用的驱动电路如图10-10所示,图10-11是ULN2803驱动小型继电器的电路。(a)ULN2803(b)7407(C)7406图10-10常用的驱动芯片图10-11ULN2803驱动小型继电器的电路10.2.2光耦合器件

1、光耦合器件原理

在单片机应用系统中，为了防止干扰，一般采用隔离技术，I/O的隔离最常采用的是光耦合器。光耦合器是以光为媒介传输信号的器件，它把一个发光二极和一个光敏晶体管封装在一起，发光二极管加上正向输入电压信号（＞1.1V）就会发光。光信号作用在光敏晶体管上输出信号。光电耦合器的输入电路和输出电路是绝缘的，是把“电的联系”转化为“光的传输”，再把“光的传输”转化为“电的联系”。即采用光耦合器件时，单片机用的是一组电源，外围器件用的是另一组电源，两者之间完全隔离了电气联系，而通过光的联系来传输信息。一路光耦合器可以完成一路开关量的隔离，如果将8路或16路一起使用，就能实现8位数据或16位数据的隔离。

光耦合器的输入侧都是发光二极管，但是输出侧则有多种结构，如光敏晶体管、达林顿晶体管、TTL逻辑电路以及光敏晶闸管等。光电耦合器的主要参数有：

（1）导通电流和截止电流：当发光二极管流过一电流时，光耦合器输出端处于导通状态；当流过发光二极管的电流小于某一值时，光耦合器输出端截止。不同的光耦合器通常有不同的导通电流，一般在10～20mA之间。

（2）频率响应：由于受发光二极和光敏晶体管响应时间的影响，开关信号传输速度受光耦合器频率特性的影响，普通光耦只能传输10kHz以内的脉冲信号。因此，高频信号传输中要考虑其频特性。在开关量I/O通道中，信号频率一般较低，不会受光耦合器频率特性的影响。（3）输出端工作电流I是指光耦合器导通时，通过光敏晶体管的客定电流以，它代表了光耦合器的驱动能力，与电流传输比Ic/If有关，如输出端是单个晶体管的光耦合器如4N25的电流传输比≥20%，输出端是达林顿晶体管的光耦合器如4N33的电流传输比≥500%。

（4）输出端暗电流：是指光耦合器处于截止状态时，流过光敏晶体管的额定电流。对光耦合器来说，此值越小越好，以防止输出端的误触发。

（5）输入/输出压降：分别指示发光二极管，一般在1.2～1.5V之间。

（6）隔离电压：是指光耦合器对电压的隔离能力。

光电耦合器二极管侧的驱动电路可采用门电路直接驱动。一般的门电路能力有限，常选用带OC门的电路（如7406反向驱动器、7407同向驱动器）进行驱动。根据受光源结构的不同，可以将光耦合器件分为晶体管输出型和晶闸管输出型。晶体管输出型光耦合器内部结构如图10-12所示。在晶体管输出的光耦合器件中，受光源为光敏晶体管。光敏晶体管可能有基极,如图10-12（a）所示的4N25，此外还有4N27、4N38等，如图10-12(b)所示的TLP521，此外还有TLP421，TLP621等。部分光耦合器输出回路的晶体管采用达林顿结构，用来提高电流传输比,如图10-12（c）所示的4N33，此外还有H11G1、H11G2、H11G3等。

晶闸管输出型光耦合器内部结构如图10-13所示晶闸管（俗称可控硅）输出的光耦合器件受光元件为光敏晶闸管。输入回路驱动电流是发光二极的工作电流，一般为10～30mA。输出回路中的光敏晶闸管可耐高压，4N40和MOC3041的耐压值高达400V，MOC3009～3012的输出耐压值电压为250V，工作电流为十到几百毫安，可直接控制小功率负载或作为大功率晶闸管的触发源。

2、开关量输入接口

（1）行程开关、继电器触点与MCS-51单片机的接口、行程开关、继电器触点输入与MCS-51单片机的接口如图10-14所示。当触点闭合时，光电耦合器件的发光二极管因有电流流过而发光，使得右侧光敏晶体管导通，从而单片机的一根I/O端口线送高电平；而当触点未闭合时，光敏晶体管不导通，送向单片机的I/O端品引脚为低电平。

如果用按钮一来代替行程开关、继电器触点，其原理是相同的。所以，可以用此接口电路的原理采集输入按钮开关、行程开关、继电器触点等的状态信息。对于类似上述输入的开关信号。（2）按键开关与M51系列单片机的接口，按键一或者钮子开关类器件，可将高电平（或低电平）经单片机的I/O引脚输入单片机。

如图10-15所示，根据8路开关的状态，当开关闭合时程序分别转移至KF1～KF8的程序。图中8路开关通过扩展输入接口74LS244与AT89S51的P0口相连，开关闭合时产生低电平，当P3.0和RD均为低电平时才能选通74LS244。ORG

0100H

START：CLR P3.0 ;准备选通74LS244读入开关状态

MOVX A，@DPTR ;读P0口数据（只需操作）

RRC A

JNC KF1 ;如果D0为低电平，转KF1

RRC A

JNC KF2 ;如果D1为高电平，转KF2

RRC A

JNC KF3 ;如果D2为低电平，转KF3

RRC A

JNC KF4 ;如果D3为低电平，转KF4

RRC A

JNC KF5 ;如果D4为低电平，转KF5

RRC AJNC KF6 ;如果D5为低电平，转KF6

RRC A

JNC KF7 ;如果D6为低电平，转KF7

RRC A

JNC KF8 ;如果D7为低电平，转KF8

SJMPSTART3、功率输出电路的控制

继电器常用于控制电路的导通和断开，包括电磁继电器、接触器和干簧管。其工作原理是利用线圈产生磁场，吸引内部的衔铁，使动片离开常闭结点，与常开结点连通，实现电路的通断。根据线圈所加电压类型分为直流继电器和交流继电器两大类，其中直流继电器常用于单片机系统的输出接口。在驱动大功率设备时，经常得用继电器作为中间驱动源，通过这个驱动源，可以完成从低压直流到高压交流的过渡。如图10-16所示。控制信号经光电隔离后，继电器控制线圈由直流部分控制，而其输出触点则可以直接控制220V基至更高的电压。

在设计时要考虑3个方面：

（1）驱动电压与继电器的额定电压相匹配。例如，额定吸合电压为12V的继电器，驱动电压应在12V左右。驱动电压太小，将引起继电器抖动，甚至不吸合；驱动电压太大，会因线圈过流而损坏。

（2）控制回路的工作电流要小于继电器的额定触点电流。

（3）由于电器的控制线圈有一定的电感，在关断瞬间能产生较大的反电势，因此在继电器的控