【ch07】单片机的功能扩展

单片机的功能扩展“浙江省普通高校“十三五”新形态教材普通高等教育“十三五”规划教材电子设计系列规划教材单片机原理及应用第七章01显示器及其接口显示器及其接口LED(发光二极管)显示器是单片机中常用的输出设备，如图7.1.1所示。它是由若个发光数码管组成的字段或组合，如单个发光二极管指示灯、七段LED显示器、LED点阵等。LED显示器显示器及其接口红色、绿色LED的压降为18V左右，白色、蓝色LED的压降为3V左右。单个LED的驱动电流一般为5~10mA，驱动电流由驱动电路保证，单片机口线驱动时要注意口线的驱动能力，如图7.1.2所示。LED显示器显示器及其接口用LED显示器显示常见数字和字符的字形代码，如表7.1.2所示，未列出部分或段LED连接方式与表7.1.2所示不同的，读者可仿照此表自行产生。LED显示器显示器及其接口1.点亮单个LED单个LED通常用于状态指示，根据硬件设计的不同可以采用高电平或低电平的方式驱动。2点亮七段LED七段LED的驱动方式比较灵活，可以采用单片机口线直接驱动、串并转换等多种方式。3.动态扫描LED显示器显示器及其接口LCD(液晶显示器)是LiquidCrystalDisplay的简称LCD的构造是在两片平行的玻璃中放置液态晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，通过通电与否来控制杆状液晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。液晶显示器按照控制方式的不同，可分为被动矩阵式LCD及主动矩阵式LCD两种。液晶显示器显示器及其接口1.被动矩阵式LCD在亮度及可视角方面受到较大限制，反应速度较慢。2.主动矩阵式LCD，也称为TFT-LCD(ThinFilmTransistorLCD.薄膜晶体管LCD)液晶显示器02键盘的输入及接口键盘的输入及接口键盘概要键盘是由若干按钮组成的开关矩阵，也是单片机系统中最常用的输入设备，在单片机应用系统中实现输入数据、传送命令等功能，是人机交互的主要手段。键盘按照实现方式可以分为编码键盘和非编码键盘两大类，在单片机中广泛使用非编码键盘。键盘的输入及接口键盘概要(1)编码键盘:编码键盘使用硬件逻辑电路或专用单片机完成按键检测和识别，按键信息以并行总线(早期的8279)SPI(ZLG7219)、PS/2(PC键)口等接口方式传送给单片机主机。(2)非编码键盘:非编码键盘只简单地提供键盘的硬件电路，其他操作如按键的识别、去抖动等完全靠单片机主机软件实现，具有结构简单、使用灵活等特点，但占用CPU较多时间。键盘的输入及接口键盘概要1.非编码键盘的键输入程序应完成的基本任务(1)监测有无键被按下。键的闭合与否，反映在电压上就是呈现出高电平或低电平，所以通过对电平高低状态的检测，便可确认按键是否被按下。(2)判断是哪个键被按下。(3)完成按键处理任务。键盘的输入及接口2.从电路或软件的角度应解决的问题(1)消除抖动影响。键盘按键所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合和断开的瞬间均有一连串的抖动，其波形如图7.2.1所示。键盘概要键盘的输入及接口(2)采取串键保护措施。串键是指同时有一个以上的键被按下串键可能会引起CPU错误响应通常采取的策略为单键按下有效，多键同时按下无效。(3)处理连击。连击是指一次按键产生多次击键的效果。(4)键盘的工作方式。单片机应用系统中，键盘的工作方式有查询方式(编程扫描和定时扫描方式)、中断扫描方式两种。键盘概要键盘的输入及接口口线式键盘和行列式键盘是常见的非编码键盘，功能开关和码盘接口由于程序上和口线式键盘相同，这里不单独列出。口线式键盘有上拉(见图7.2.2)和下拉(见图7.2.3)两种方式。键盘程序设计03D/A转换器的接口与应用D/A转换器的接口与应用D/A转换器(DigitaltoAnalogConverter，DAC)是将数字量转换成模拟量的器件。它可以将数字量按比例地转换成模拟量，是通过数字量控制模拟信号的基本器件。D/A转换器的接口与应用DAC的基本原理是把数字量的每一位按照权重转换成相应的模拟分量，然后根据叠加定理将每一位对应的模拟分量相加，输出相应的电流或电压。1.权电阻网络DAC权电阻网络DAC的核心思想在于用等比例的电阻在参考电压的作用下产生和权重对应的权电流权电流在数字开关的作用下进行合成模拟信号。DAC的转换原理及分类D/A转换器的接口与应用图7.3.1所示为四位权电阻网络DAC结构简图，权电阻网络DAC主要包括参考电压源VREF、模拟开关S0~S3、比例电阻、求和放大器四部分。DAC的转换原理及分类D/A转换器的接口与应用2.T形电阻网络DACT形电阳网络DAC克服了权电阳网络DAC电阳阳值较多的缺点，四位倒T形电阳网络D/A转换器的原理如图7.3.3所示，图中，S0~S3为模拟开关，R-2R电阻解码网络是倒T形，运算放大器A构成求和电路。DAC的转换原理及分类D/A转换器的接口与应用DAC的转换原理及分类D/A转换器的接口与应用要使D/A转换器具有较高的精度，需对电路中的参数做以下要求:(1)基准电压稳定性要好。(2)倒T形电阻网络中R和2R电阻的比值精度要高(这在集成电路中比较容易实现)。(3)每个模拟开关的电压降要相等。DAC的转换原理及分类D/A转换器的接口与应用DAC的转换原理及分类3.电压输出型DAC(如TLC5620)电压输出型DAC虽有直接从电阻阵列输出电压的，但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出。直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载，由于无输出放大器部分的延迟，故常作为高速DAC使用。D/A转换器的接口与应用DAC的转换原理及分类4.电流输出型DAC(如THS5661A)电流输出型DAC很少直接利用电流输出，大多外接电流/电压转换电路得到电压输出，后者有两种方法:一是只在输出引脚上接负载电阻而进行电流/电压转换，二是外接运算放大器。D/A转换器的接口与应用DAC的转换原理及分类5.乘算型DAC(如AD7533/DAC0832)乘算型DAC(四象限型)的基准电压输入上允许加交流信号，由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果输出，因而称为乘算型D/A转换器。D/A转换器的接口与应用6.一位D/A转换器一位D/A转换器与前述转换方式全然不同，它将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出然后用数字滤波器做平均化而得到一般的电压输出(又称为位流方式)，用于音频等场合。DAC的转换原理及分类D/A转换器的接口与应用1.DAC0832的特点和结构DACO832是电流输出型四象限8位中速DAC，有多种输出方式，使用灵活方便。1)DAC0832的特点DAC0832是一个8位通用型D/A转换器，该芯片具有以下特点:并行接口DACD/A转换器的接口与应用2)DAC0832的结构与引脚DAC0832芯片为20引脚，双列直插式封装，其引脚排列如图7.3.4所示。DAC0832的内部结构框图如图7.3.5所示，其内部具有两级锁存器，并且这两个锁存器的特性和74HC373类似。并行接口DACD/A转换器的接口与应用并行接口DAC2.电压输出方法DAC0832要根输出电压需增加电流/电压变换环节，常用运算放大器实现转换(如图7.36所示YREPX输入图中DAC0832工作于直通方式)，图中Vou=(注意公式中的负号)。D/A转换器的接口与应用并行接口DAC3.输出转换方式1)直通方式直通方式是三种方式中最简单的一种,这种方式DACO832内部的两级锁存器都处于直通状态(透明方式)，输出的模拟信号直接受数字量控制，由于没有锁存器同步，数字量变换时，输出噪声较大。D/A转换器的接口与应用并行接口DAC2)单缓冲方式单缓冲方式一般采用控制输入寄存器的方式，DAC寄存器处于直通状态，如图7.3.8所示。3)双缓冲方式双缓冲方式把DAC0832的两个锁存器都接成受控锁存方式，其用于多路D/A转换系统，以实现多路模拟信号同步输出的目的。D/A转换器的接口与应用并行DAC具有接口方便、数据传输速度快等优点，缺点是引脚较多，占用单片机口线资源多。近年来，随着串行总线(SPI、IC、QSPI等)的飞速发展及行总线在单片机中的普及，采用串行接口的低成本DAC越来越多。这里以TLC5615为例介绍行接口DAC。串行接口DACD/A转换器的接口与应用1.TLC5615简介TLC5615为美国德州仪器公司1999推出的产品，是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型。TLC5615性价比高，目前在国内市场很方便购买。1)TLC5615的特点(1)10位CMOS电压输出;(2)5V单电源供电;(3)与CPU三线串行接口串行接口DACD/A转换器的接口与应用2)TLC5615的引脚说明TLC5615有小型和塑料DIP封装DP封装的TLC5615芯片引脚排列如图73.9所示在TLC5615内部集成了接口控制逻辑、移位寄存器、数据寄存器、10bitDAC、2倍电压放大器等主要部件，内部结构如图7.3.10所示。串行接口DACD/A转换器的接口与应用串行接口DACD/A转换器的接口与应用3)TLC5615的工作时序由时序图73.11可以看出，当片选CS为低电平时，输入数据DIN由时钟SCLK同步输入或输出而且高有效位在前，低有效位在后。输入时，SCLK的上升沿把行输入数据DIN移入内部16位移位寄存器，SCLK的下降沿输出串行数据DOUT，片选CS的上升沿把数据传送至DAC寄存器。串行接口DACD/A转换器的接口与应用串行接口DACD/A转换器的接口与应用4)应用电路实例如图7.3.9所示，TLC5615和单片机接口非常方便既可以使用硬件SPI方式，也可以使用普通I/O软件模拟。下面程序给出TLC5615和AT89C51单片机的接口示例程序，在电路中，AT89C51单片机的P3.0~P32分别控制TLC5615的片选CS、行时钟输入SCLK和行数据输入DIN。电路的连接采用非级联方式(12位方式)，参考电压为2V，最大输出电压为4V。串行接口DAC04A/D转换器的接口与应用A/D转换器的接口与应用1.逐次逼近式的原理逐次逼近转换过程与用天平称物重的过程非常相似，按照天平称重的思路，逐次比较型A/D转换器就是将输入模拟量与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。逐次逼近式ADC具有较快的转换速率和较高的精度，其转换速率介于全并式和双积分式之间，应用非常广泛。ADC的转换原理及分类A/D转换器的接口与应用2.双积分式的原理双积分式A/D转换器是一种间接A/D转换器。其基本原理是，对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行转换的，所以具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。ADC的转换原理及分类A/D转换器的接口与应用并行接口ADC1.ADC0809的特点和结构ADC0809是采样频率为8位、以逐次近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。A/D转换器的接口与应用并行接口ADC2.ADC0809的接口和编程ADC0809的典型接口电路如图7.4.4所示。A/D转换器的接口与应用串行接口ADC2.TLC549简介TLC549是美国德州仪器公司推出的广泛应用的CMOS8位A/D转换器,其引脚图如图7.4.5所示