微型机控制技术

微机控制技术电子教案科技学院制作陶善宏E-mail:taoshh@tshdrhtmj@126.com电话微机控制技术》研究的内容及特点研究的内容：

主要研究控制理论、计算机技术（软、硬件技术）、网络通信技术、测量技术、信号处理技术等在微机控制中的应用、以及微机的控制方法及其应用。主要的特点：

1）理论性强：控制理论、信号处理理论等

2）综合性强：控制理论、计算机硬件技术、编程技术、网络技术、测量技术、信号处理技术、电子技术等

3）实践性强：设计、计算必须要反复进行实验；在实践中积累了大量的经验方法、经验数据等

4）理论与实践相结合

5）实用性强

6）应用广泛等课程参考书教材：《微机控制技术》

郭敬枢等编著，重庆大学出版社，1995年参考教材：1.

《微型计算机控制技术（第3版）》

谢剑英等 编著，国防工业出版社，20012.《微型计算机控制技术及应用》

徐大诚等编著，高等教育出版社，2003年3．《机械控制工程基础》

朱骥北编著，机械工业出版社，1999年10月5．《微型计算机技术》

赖寿宏等编著，机械工业出版社，1994年6.《单片机基础》

李广第等编著，北京航空航天大学出版社，2001年目录微机控制系统概述输入输出接口技术输入输出过程通道顺序控制系统与数字程序控制系统过程控制与数字PID控制器设计微机控制系统设计第一章微机控制系统概述微机控制的概念微机控制系统的组成微机控制系统的类型1.1微机控制的概念一、概念1、自动控制：利用控制装置自动地使机器设备或生产过程的某一物理量按预期的规律运行，实现该控制目的所需装置构成了一个自动控制系统。2、计算机控制系统：用数字计算机控制生产过程或设备的系统。3、生产过程控制：1）由给定的原料，生产给定的产品，对生产过程中所有可控的物理量都有一定的要求。2）外界条件改变或原材料改变时，仍要求生产原来的产品。3）某些生产过程的启动和关闭，必须按照规定的先后次序操作。4）市场情况和经营目标改变时，必须改变生产过程参数。5）作出控制决策，使原材料最省、设备利用的最好、生产率最高等4、典型工业控制对象：1）连续生产过程

不间断的生产过程2）离散生产过程。

单件形态产品生产过程3）批次（量）生产过程

兼有连续和离散的过程二、自动控制系统实例

电热恒温箱自动控制系统控制量操作量被控量三、自动控制系统与微机控制系统结构框图偏差给定值调节器执行机构被控对象测量装置反馈值微机执行机构被控对象测量装置操作量被控量控制量给定值反馈值D/AA/D四、电热恒温箱微机控制系统的具体结构1、控制核心电路1、温度信号输入通道3、控制信号输出通道Y恒温箱温度传感器执行机构模入模出接口接口接口运行操作台主机总线恒温箱拨码盘显示装置按键：启、停健电机、调压器：用模拟量输出通道继电器、晶闸管：用开关量输出通道控制程序初始化启动输入温度值处理显示输入设定值计算偏差控制算法输出控制信号N控制过程可归纳为：1）实时数据采集（检测）对来自测量变送装置的被控变量的瞬时值进行检测和输入。2）实时数据处理（决策）对采集到的被控变量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。3）实时控制根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。4）信息管理五、几个常用术语在线（联机方式

Online）：生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式。离线（脱机方式

Offline）：生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。实时（Realtime）：计算机输入、输出和计算都在规定时间内完成在线与实时的关系

一个在线系统不一定是实时系统一个实时系统必定是在线系统主机被控对象···························1.2微机控制系统的组成传感器执行机构执行机构传感器模入模出接口开入开出接口CPUROMRAM软件外部设备运行操作台网络通信设备总线···接口接口接口接口接口一、硬件1、主机

系统核心，通过执行程序控制。检测、数据处理、判断、计算、控制、报警等。2、I/O接口与总线

各部分信息传递的桥梁。并行接口、串行接口、直接数据传输控制器、中断控制器、定时器/计数器、A/D转换器、D/A转换器等3、通用外部设备

输入输出显示、打印、存储、传输数据。4、操作台

系统对微机进行控制时，操作员进行人工干预的设备，用于输入设置参数。功能键、数字键、开关、LED数码管或CRT显示器1000用于开关量时，表示四个开关的不同状态，当K1段开时，输入量为+5VK1闭合时，输入接地，为为0VTTL电平，大于4V为高电平，接近0V为低电平P1.0K1+5V5、输入/输出通道实现计算机与被控对象的电气隔离模入（输入信号为模拟量，输出为数字量）开入（输入信号为数字量，输出为数字量）模出（输入信号为数字量，输出为模拟量）开出（输入信号为数字量，输出为数字量）过程通道是微机控制系统必须的，也是最重要的二、软件软件是指能完成各种功能的计算机程序、文档的总和。软件通常分为系统软件和应用软件两大类。系统软件：使用、维护计算机系统应用软件：实现控制任务的控制软件。应用软件功能结构为：1、过程监控包括的程序有：巡回检测、数据处理、报警、操作面板服务、数字滤波、标度变换、判断、过程分析等2、过程控制计算包括的程序有：控制算法（PID算法、最优控制、串级调节、比值调节、前馈调节、系统辩识等）、事故处理、信息管理（信息生成调度、文件管理、输出、打印、显示等）3、公共服务包括的程序有：基本运算、函数运算、数码转换、格式编辑等。一、微型计算机控制系统分类（一）数据采集和数据监视系统（二）操作指导控制系统（三）直接数字控制系统（DDC）（四）计算机监督系统（SCC）（五）分布控制系统（DCS）（六）分级计算机控制系统（七）计算机集成制造系统（CIMS）（八）集散控制系统1.3微机控制系统的类型二、微型计算机控制系统分类（一）数据采集和数据监视系统DataAcquisitionSystem对一个物理过程的参数，按照所需要的时间进行周期性的或随机的采集。计算机控制系统中的数据采集功能。工业对象采样A/D转换计算机显示打印报警开关量数字量（二）操作指导控制系统计算机输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据，操作人员根据这些数据进行必要的操作。该系统的特点是较简单、安全可靠。常用于试验调试过程。该系统的缺点是要人工操作，速度慢、对象少。操作指导控制系统操作指导控制系统组成框图（三）直接数字控制系统（DDC）

DDC（DirectDigitalControl）控制是用一台微机对多个被控参数进行巡回检测，检测结果与设定值进行比较，再按PID规律或直接数字控制方法进行控制运算，然后输出到执行机构，使被控参数稳定在给定值上。特点：可一机多控而经济、灵活、可靠。可实现各种复杂控制，如串级、前馈、自选控制、大滞后控制等。直接数字控制系统（DDC）DDC控制系统原理图（四）计算机监督系统（SCC）

计算机监督系统（SupervisoryComputerControl）简称为SCC。1、计算机监督系统SCC

在SCC系统，由计算机按照生产过程的数学模型，计算出最佳给定值，将其值送给模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。2、SCC系统的优点与问题优点：可以进行给定值控制、顺序控制、最优控制和自适应。是操作指导系统和DDC系统的综合与发展。问题：由于生产过程的复杂性，其数学模型的建立比较困难，因此该系统实现比较困难。3、SCC系统的结构

SCC+模拟调节器的控制系统

SCC+DDC的控制系统

计算机监督系统的两种结构如下图所示：SCC+模拟调节器控制系统原理图SCC+DCC控制系统原理图（五）分布控制系统（DCS）

分布控制系统（DistributedControlSystem）。1、系统结构

由三级组成：底层的分散过程控制级（DDC）、中间层的监督控制级（SCC）、上层的生产管理级（MIS）。是计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等有机结合的产物。

2、各级功能

分散过程控制级DDC，用于直接生产控制，完成数据采集、顺序控制或某一闭环控制，向监控级发送数据，并接受监控级来的信息。该级由多个以计算机为核心的工作站组成。

监督控制级SCC，任务是对生产过程的监视与操作，与管理级、分散控制级传送数据和指令。

管理级MIS，是整个系统的中枢，根据下级提供的信息及生产任务要求，选择数学模型和控制策略，对下一级下达指令及编制报表等。3、分布控制系统的特点通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、系统规范、调试方便、运行安全可靠，能提高自动化水平、管理水平等、产品质量、生产效率，降低消耗，创造最佳经济效益社会效益等。分布控制系统原理图（六）分级计算机控制系统又称：递阶控制系统分级计算机控制系统是一个四级系统，各级计算机的功能如图1-9所示。装置控制级（DDC级）车间监督级（SCC级）工厂集中控制级（MIS）企业管理级（MIS）分级计算机控制系统返回本节（七）计算机集成制造系统（CIMS）

CIMS：ComputerIntegratedManufacturingSytem1、计算机集成制造系统CIMS的概念

CIMS是把企业的计划、采购、生产、销售等各个环节作为整体，将其信息进行采集、传递、加工、协调、回控，做整体优化决策。CIMS体现了一种对企业生产过程与生产管理进行优化的新哲理。2、计算机集成制造系统CIMS的结构

CIMS采用的是多任务、分层体系结构。

有多种结构方案，如五层递阶控制结构、面向集成平台的CIMS结构、连续型CIMS结构和局域网型CIMS结构等。其基本思想都是“递阶控制（HierarchicalControl）”。递阶控制是一种把所需完成的任务按层次分级的层状或树状的命令/反馈控制方式。高一级的控制次一级的，次一级的功能更具体。图为清华大学CIMS工程技术研究中心提出的四层递阶控制体系结构。

工厂/车间层：主要是预测、规划、生产计划。

单元层：主要是制定详细计划、工艺过程、对工作站进行调度和监控等。

工作站层：控制设备进行生产。

设备层：生产设备。（八）集散控制系统集散控制系统是分散型综合控制系统（TotalDistributedControlSystems）或分散型微处理器控制系统（DistributedMicroprocessorControlSystems）的简称。下图是集散控制系统的组成框图。它以微型计算机为核心，把微型机、工业控制计算机、数据通信系统、显示操作装置、输入/输出通道、模拟仪表等有机地结合起来，采用组合组装式结构组成系统，为实现工程大系统的综合自动化创造了条件。集散系统组成框图小结１、计算机控制系统２、计算机控制系统组成（硬件、软件）主机

I/O接口与总线外设操作台输入/输出通道３、在线、离线、实时概念第二章输入输出接口技术概述接口的编址方式接口的数据传输方式接口的扩展可编程并行接口芯片8255A打印机及接口键盘及其接口显示器接口1、概念

输入输出接口：简称接口，CPU与外部设备及过程通道等之间的连接部件。接口技术：研究微处理器和外部设备之间信息交换的技术。

2、类型

有通用、专用、可编程（多功能）、不可编程、串行、并行等。外设、通道经接口与总线相连，CPU、内存则直接与总线相连（称之为将接口与内存、CPU挂在总线上），为总线结构。2.1概述3、为何要用I/O接口

1）单片机I/O口有限

2）外部设备复杂

a、速度匹配

b、种类多（机械式、机电式）

c、信号形式多样（电压、电流）。4、功能：

1）编址功能：CPU利用该功能对外部设备与通道进行选择。

2）数据输入输出功能：根据CPU送来的读/写信号将数据输入/输出。

3）数据的寄存和缓冲功能：实现CPU与外设之间的速度匹配，适应双方的读写时间的需要。

4）定时和协调、中断控制逻辑、DMA控制逻辑等功能：实现不同的数据传输方式。

5）数据格式转换功能：进行信号类型转换。5、数据信号种类

1）数据信息数字量、模拟量、开关量

2）状态信息握手信息应答信息

3）控制信息CPU外部设备数据状态控制2.2接口的编址方式一、概念

CPU通过地址线输出地址信号，经译码后产生选中相应接口的选通信号，这种接口选择称为接口的编址。二、编址方式

二种编址方式（取决于CPU类型）

1、统一编址方式：接口的地址与内存单元的地址统一安排，将每一接口看作是一个内存单元，访问接口（称为I/O操作或输入/输出操作）使用的指令与访问内存（称为读/写操作）使用的指令一样，扩展接口与扩展内存使用的控制信号也相同。译码译码A0～A14A15A0～A14A15CBDBABWRRDRDWR至I/O口至

内存1×······×32K0×······×32K······统一编址方式将代码表示的原意"翻译"出来的过程叫译码,实现译码功能的电路称为译码器。1）统一编址方式的优点：►

数据处理能力强►输入输出部分可以和存储器部分共用译码和控制电路►

CPU不需区分访内操作及访问输入输出操作的控制信号，可以相应减少引脚►

I／O端口数目不受限制2）统一编址方式的缺点：►

每个I／O操作需全字长地址译码，整个指令执行时间较长►程序中较难区分I／O操作►

I／O端口占用了存储空间地址2、独立编址方式：接口地址与内存地址相互独立，访问I/O口使用的指令与访问内存使用的指令不同，扩展内存与扩展I/O口使用的控制信号也不完全相同。在接口中一般有多个寄存器或特定的电路，CPU对接口的访问实际上是直接对它们的读写。根据按地址访问的原则，每一接口一般应有多个地址对应于这些寄存器或特定电路，它们称为端口。独立编址方式译码译码A0～A7A0～A15CBDBABWRRDRDWR至I/O

口至

内存······IO/MIO/M1）独立编址方式的优点：►可寻址256个端口，执行I／O指令时间短，译码电路简单►程序清晰易读►硬件设计简单2）独立编址方式的缺点：►专门I／O指令的功能有限，不如访问内存指令丰富；►增加了微处理器本身控制逻辑的复杂性。CPU与外设或通道间经接口传递数据条件：

1）时间上同步。

2）允许二者能相互等待。

按传输方式：

一、直接传输方式P1.0P1.75V2.3接口的数据传输方式YN设备n就绪？NYNY查询设备1接口1内存CPU接口n设备n设备n服务设备1就绪？设备2就绪？设备2服务设备1服务二、程序查询方式三、中断方式设备1接口1内存CPU接口n设备nINT断点主程序中断服务程序中断申请主程序四、DMA方式设备1内存CPU接口1接口n设备nDMA控制器BUS请求BUS响应DMA响应DMA请求2.4接口的扩展（接口电路的设计）一、译码及译码电路在自行设计的控制系统中，根据实际需要，常需扩展接口及内存，以便增加外设、通道和满足存贮量的需要。扩展接口与内存的第一步是设计地址译码电路。译码电路的作用就是根据CPU由地址线给出的地址编号（地址线状态），产生相应的接口或内存的选通信号，以选中它。译码电路的设计要根据需扩充的接口数量、内存容量进行。常采用译码集成电路芯片构成一些较复杂的译码电路。1、译码芯片

8205输入端输出端使能选择E3A2A1A011111111000000000000000000001111001100110101010101111111101111111101111111101111111101111111101111111101111111100

1

1

11111111111111111111111182052、一种译码电路设计方案A0A1A2E1E2E3A0A1A2E1E2E3A0A1A2E1E2E3O0O718205#O0O7O0O72#3#··················A0A1A2A3A4A5A73、非可编程输入/输出接口扩展设计方案。之一A0A1A2A3A4A5A6+A0A1A2E2E3O0O7A0A1A2E1E2E3O0O71G2G2441#1A1~1A42A1~2A41Y1~1Y42Y1~2Y41G2G2448#+++·········+······3771#CLK1D~8D1Q~8Q···3778#CLKA0A1A2RDWRCBDBAB82058205GGE1A7A0A1A2A3A4A5A6+A0A1A2E2E3O0O71G2G2441#1A1~1A42A1~2A41Y1~1Y42Y1~2Y41G2G2448#+++·········+3771#CLK1D~8D1Q~8Q···3778#CLKRDWRCBDBAB8205GGE1之二二、简单的输入输出接口简单的I/O接口的扩展通常用74LS244/245(8位三态缓冲器及总线驱动器)扩展输入口，用74LS273(8位锁存器)扩展输出口。三态缓冲器：解决输入数据缓冲问题（三态），达到当输入设备被选通时，使数据源能与数据总线直接连通；而当输入设备处于非选通状态时，则把数据源与数据总线相隔离。缓冲器输出呈高阻抗状态。锁存器：用于存储数据来进行交换，使数据稳定下来保持一段时间不变化，直到新的数据将其替换。1、74LS244/245引脚和内部结构图74LS24474LS2452、74LS273引脚和内部结构图74LS377CKDQQENCKDQQENCKDQQENCKDQQENCKDQQENCKDQQENCKDQQENCKDQQENCLKG1D1Q2D2Q3D3Q4D4Q5D5Q6D6Q7D7Q8D8Q3、简单I/O接口扩展电路若要求当某键按下时，相应的LED发光，则接口程序如下：

LOOP：MOVDPTR,#PORT1MOVXA,@DPTRMOVDPTR,#PORT2MOVX@DPTR,AJMPLOOPPORT1：PORT2：2.5 可编程并行接口芯片8255A一、概述

通用的可编程序并行I/O接口芯片，又称“可编程外设接口芯片”。1）多功能的可编程并行接口电路芯片

三态缓冲器和锁存器与微处理器、外设间的接口电路：状态寄存器和控制寄存器端口的译码和控制电路、中断控制电路2）共24个外设引脚，分3个端口、2组控制3）三种输入输出工作方式数据总线缓冲器内部控制线内部数据线D0～D7A组控制A组端口AA组端口C高4位B组控制B组端口BB组端口C低4位读写控制逻辑PC0～PC3PB0～PB7PC4～PC7PA0～PA7RDWRA0A1CSRESET二、逻辑结构和信号引脚1、逻辑结构2.8255A的引脚功能PA0~PA7A口PB0~PB7B口PC7~PC4C口高4位PC3~PC0C口低4位D7~D0数据总线片选信号读信号写信号A0,A1端口选择信号RESET复位信号A1A0所选端口操作00001A口读端口A00101B口读端口B01001C口读端口C00010A口写端口A00110B口写端口B01010C口写端口C01110控制寄存器写控制字1××××/高阻抗3、读写控制4、8255A的工作方式与初始化1）工作方式①方式0－基本输入∕输出无需选通信号。A口、B口及C口的高4位和低4位均可设定为输入或输出。作为输出口时，输出的数据部被锁存；作为输入口时，输入数据不锁存。数据总线D0~D7A0A1控制总线地址总线ABCPA0~PA7PB0~PB7PC0~PC3PC4~PC7②方式1－选通输入∕输出方式1输入时的信号及时序图PAPC4PC5PC3PC6PC7PC1PC2PC0PBD0~D7STBAIBFAINTRAIBFBSTBBINTRBD0~D7RDD0~D7选通信号输入缓冲器满信号中断申请信号读信号STBIBFINTRRDPAPC7PC6PC3PC5PC4PC1PC2PC0PBD0~D7OBFAACKAINTRAOBFBACKBINTRBD0~D7WRD0~D7写信号输出缓冲器满信号中断申请信号外设应答(响应)信号WROBFINTRACK方式1输出时的信号及时序图方式2的信号PAPC3PC7PC6PC4PC5PC3~PC0PBOBFINTRAIBFRDD0~D7WRACKSTB出入③方式2（双向选通输入/输出）2）控制字的定义D0D7D6D5D4D3D2D1标志为“1”方式选择00：方式001：方式110：方式2方式选择0：方式01：方式1

A口1：输入0：输出A组选择B组选择

C口上1：输入0：输出

B口1：输入0：输出

C口下1：输入0：输出“方式选择控制字”D0D7D6D5D4D3D2D1标志为“0”1：置位0：清零位选择000：PC0::111：PC7“位设置控制字”3）控制字初始化：示例要求：A端口：方式1输入C端口上半部：输出，C口下半部：输入B端口：方式0输出方式控制字：10110001B或0B1H初始化的程序段：

movdptr,0fffeh ；假设控制端口为0FFFEH

mova,#0b1h ；方式控制字

movx@dptr,a

；送到控制端口4）写端口C方法对端口C的数据输出有两种办法通过端口C的I/O地址：向C端口直接写入字节数据。这一数据被写进C端口的输出锁存器，并从输出引脚输出，但对设置为输入的引脚无效。通过控制端口：向C端口写入位控字，使C端口的某个引脚输出1或0，或置位复位内部的中断允许触发器。例：MOVA,#00001111MOVR0,#03HMOVX@R0,A5、接口应用举例

1）扩展8255A接口电路A11CS8A0A1A2E1E2E3O0O78205A0D0~D7WRPAPBPC#A0A1D0~D7RDWRPAPBPC#CSA13A14A15A5A6A7RDWRA1A0CBDBAB············RD5V2）8031与8255A的连接803174LS373D0D7～D0D7～Q0Q7～A0A1RESETRESETP2.7P2.6P2.5ABC74LS138～P0PA0PA7～PB0PB7～PC0PC7～ALEGE3）8255A方式0应用PC6PC2PAPC5PC1PBPC0PC4DSTB

字符

打印机纸带

穿孔机

纸带

读入机BUSYSTREYRDYDRWRRDD0~D7DSTB：数据选通信号BUSY：忙信号ST：启动信号REY：就绪信号RDY：就绪信号DR：启动信号8255A方式0应用：与字符打印机、纸带穿孔机和纸带读入机接口。

各口均为方式0，A组为输出，C上为控制端口，B组为输入，C下为状态端口，采用查询数据传输方式8255AY打印机流程初始化输入BUSY忙？输出数据到A口选通打印机N返回设8255A地址8000H-8003HMOVDPTR,#8003HMOVA,#10000011BMOVX@DPTR,AMOVDPTR,#8002HMOVXA,@DPTRJBACC.2,L1MOVDPTR,#8000HMOVX@DPTR,AMOVDPTR,#8003HMOVA,#00001101BMOVX@DPTR,AMOVA,#00001100BMOVX@DPTR,ARETL1:Y穿孔机流程初始化输入C口忙？输出数据到A口选通穿孔机N返回读入机流程Y启动读入机输入C口就绪？停读入机从B口输入数据N返回设8255A地址8000H-8003HMOVDPTR,#8003HMOVA,#00001001BMOVX@DPTR,AMOVDPTR,#8002HMOVXA,@DPTRJNBACC.0,L1MOVDPTR,#8003HMOVA,#00001000BMOVX@DPTR,AMOVDPTR,#8001HMOVXA,@DPTRRETL1:初始化3）8255A方式1应用PAPC7PC4PC5PC3PBA/D开始忙单稳采样

保持器

S/H模入模拟信号STBAIBFAINTRAD/A模出8255A方式1应用：与A/D、D/A接口。A口为方式1输入，B口为方式0输出。查询方式输入Y启动A/D输入C口IBFA=1？从A/D输入数据N返回初始化中断方式输入主程序启动A/D等待初始化中断程序恢复现场保护现场从A/D输入数据返回2.6 键盘及其接口一、概述在设计键盘接口时，解决以下几个问题：

开关状态的可靠输入——可设计硬件去抖动电路或设计去抖动软件。

键盘状态的监测方法——中断方式还是查询方式。

键盘编码方法。

键盘控制程序的编制。1、键盘分为独立式和矩阵（行列）式独立式：一组相互独立的按键直接与单片机的I/O口线连接。每个按键独占一条口线。独立式按键电路行列式键盘原理电路矩阵式：键按行列组成矩阵。2、键盘操作功能键盘扫描：以判定是否有键被按下（闭合键）键识别：以确定闭合键的行列位置产生闭合键的键码排除多键、串键（复键）及去抖动。以上内容通过软硬件结合的方式来完成。在软件配合下由硬件接口电路来完成。3、实现键盘接口的方法和接口芯片使用单片机本身的并行口使用单片机本身的串行口使用通用接口芯片（8255A）使用专用接口芯片（8279）111110111111输入口输出口A+5V第二步D0D7101111011111输入口输出口A+5V第三步D0D7二、键盘接口和键功能的实现1、键盘接口处理的内容

1）键扫描扫描法和翻转法两种。扫描法使用普遍。扫描过程：先判断有无键按下；再判定按键的位置。111101111111输入口输出口A+5V第一步D0D72）去抖动抖动原因：机械触点的弹性及电压突变。抖动时间：5~10ms去抖措施：硬件、软件去抖键按下键稳定前沿抖动后沿抖动3）键码计算键码=行首号×列数+列号4）等待键释放目的：保证键的一次闭合仅进行一次处理2、键盘接口的控制方式何时执行键盘扫描和处理，有以下三种情况：1）随机方式：CPU空闲时执行键盘扫描；2）中断方式：每当键闭合时向CPU申请中断；3）定时方式：每隔一定时间执行一次键盘扫描。74LS24574LS374键扫描子程序框图一、LED显示器接口1、显示原理LED(LightEmittingDisplay)发光二极管是一种将2.7 显示器接口电能转变成光能的半导体器件，流过电流，发光二极就会发光。七段LED显示器由七个发光段构成，每段均是一个LED二极管。可显示16进制数字0～9和A、B、C、D、E、F，也能显示H、E、L、P等字符。多数7段LED显示器中还有一个小数点Dp位段，用来显示小数。也把这种显示器叫做8段LED显示器。2、连接方法LED显示器有共阳极和共阴极两种结构。1）共阳极结构各LED二极管的阳极被连在一起，使用时要将它与十5V相连，而把各段的阴极连到器件的相应引脚上。

2）共阴极结构各LED二极管的阴极连在一起后接地，各阳极段接到器件的引脚上。七段LED的段选码3、字形代码2．显示方式在微机应用系统中使用LED显示块构成N位LED显示器。LED显示器有两种方式：（1）LED静态显示方式（2）LED动态显示方式N位LED显示器四位静态LED显示器电路八位LED动态显示器电路二、LED数码显示器的接口

LED显示器的一个段发光时，通过该段的平均电流约为10mA～20mA。计算机输出的TTL电平信号不能直接提供这么大的电流，所以必须用驱动电路对TTL电平的控制信号进行驱动后，才能提供足够大的电流。驱动器可以用三极管设计，也可用现成的集成电路驱动器，如DM7404等。

为了在一个LED显示器上显示一个4位二进制编码的十进制或16进制数，需要将4位二进制数转换成LED的七段显示代码。一种方法是采用专用的带驱动器的LED段译码器，实现硬件译码。硬件有多种LED译码／驱动器芯片可供选用。常使用输入为BCD码，输出为段码的芯片。另一种常用的方法是软件译码。

软件译码法如图是一种由8255A接口芯片、反相驱动器和共阴极LED显示器构成的数字显示电路。由图可见，CPU送来的二进制数字代码从8255A的A口输出，并经反相驱动器驱动后与LED相连。若要显示数字0，应使g段熄灭，其余段均点亮。为此，可编程使PA6输出高电平(经反相后输出低电平)，其余位输出低电平(经反相后输出高电平)，即数字0的编码为01000000B＝40H，其中PA7未派用处，我们也将它置为0。同样，可求出l的编码为79H，2的编码为24H等等。将数字0～F(也可以是0～9)所对应的七段代码组成一个表，利用XLAT指令进行查表，就可求得各数字对应的七段代码值。把要显示的数字的七段代码从8255A输出，就可点亮相应的段，显示这个数字。

显示单个数字硬件译码法对于共阳极LED显示器，可利用带驱动电路的专用接口芯片7447对BCD码进行译码。用7447驱动单个七段LZD显示器的电路如图所示，这种电路只能对BCD码数字0～9进行译码，不能用于显示16进制数字A～F。

7447有4个BCD码输入端A、B、C和D，其中D为最高有效位，A为最低有效位，它们分别与输出端口中的4位相连。7447的7个输出引脚a～g直接与LED的相应引脚相连，每个段中都串接一个限流电阻，其阻值为15Ω。

当从A、B、C和D端输入一个BCD码时，就能在LED上显示相应的数字。

多个数字显示法

实际系统中经常要显示多位数字。若仍采用上述电路，每位需用一片7447，这不仅增大了显示器的体积和增加了成本，还会加大系统的功耗。比如，某系统中需要显示7位数字，当7个数位都显示8时，每个数字的7个段都要点亮。一个LED中流过的电流为20mA，显示7位数字时，流过的总电流将达到20mA×7×7＝980mA。这样的设计显然无可取之处。为此，在需要显示多位数字时，常采用多路转换方法来控制显示器的工作。下面介绍实施这种方法的接口电路和编程思想。

如图为一个以8255A为接口的多路转换lED显示器的电路。

图中，8255A的A口和B口都作为输出口，CPU输出的BCD数码，经B口送到7447的4个输入端，7447的7个输出引脚并行地接到7个LED显示器的各段输入端(也称为段总线)，同名端都连在一起。每一位共阳极LED的阳极电路中都串接一个晶体管Q，晶体管起开关作用，并由8255A来控制其导通或截止。当晶体管的基极加上低电平时它便导通，使相应的LED显示器的阳极与+5V电压接通，LED显示器才有可能点亮；基极的高电平输入使晶体管截止，+5V断开，LED显示器不能点亮。通过编程，可使各个晶体管轮流导通，让7个LED轮流点亮。但任何时候只让一个晶体管导通，即只有一个LED点亮，这样可使功耗显著降低。具体工作过程如下：

先将第一位数(LSD)的BCD码从8255A的B口输出到7447，由7447将转换后的七段代码输出到段总线的各条线上。为了仅使第一位LED点亮，可向8255A端口A的D0位输出0，其余位输出l，即向A口输出数字llllll10。这样就使Q7导通，第一位(最低位)LED点亮，其余各位都熄灭。经l～2ms后，向A口各位输出高电平，使Q7也截止。接着从B口输出第二位BCD数字，再向A口的D1位输出0，其余位输出l，去点亮第二个LED显示器。如此重复上述过程，使7个LED显示器轮流点亮。若需显示7位数字，每位点亮的时间为2ms，经14ms后又返回去将每位数字点亮一次，也就是每秒大约刷新70次。由于人眼可以接受的刷新速率范围约为每秒40～200次。因此，这个刷新速率不会让人的眼睛感到字符在闪烁，就好象这些显示器在同时发光。

在多路转换显示器中，只用了一片7447，而且每个时刻只有一个数位被点亮，这就显著地节省了元器件和减小了功耗。通常，为了增强亮度，还故意将每段的电流增加大到40～60mA，使它的显示效果更好，看上去更象在同时发光。即便如此，电路中的功耗也还是明显减小了。

3．LED显示器接口实例从LED显示器的原理可知，为了显示字母与数字，必须最终转换成相应的段选码。这种转换可以通过硬件译码器或软件进行译码。硬件译码器LED显示器接口软件译码LED显示器接口利用硬件译码器的七段LED接口电路开始初始化显示参数关所有位显示取显示数据输出段码数据8段码完成输出位选通信号延时位选通信号移位指向下一个显示数据返回6位完成是否否是显示框图

是开始输出列扫描信号列扫描信号移位该列有键输入？读入行信号返回6列扫描完？初始化地址参数按照行列计算键值查表得键码等待按键释放返回是否键输入框图

开始显示缓冲区初始化

LED显示读取键值键值转换为显示数据有键输入?是否主程序框图

OUTBITequ08002h;位控制口OUTSEGequ08004h;段控制口INequ08001h;键盘读入口LEDBuf

equ60h;显示缓冲

ljmpStartLEDMAP:;八段管显示码db3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07hdb7fh,6fh,77h,7ch,39h,5eh,79h,71hDelay:;延时子程序

movr7,#0DelayLoop:

djnzr7,DelayLoop

djnzr6,DelayLoopretDisplayLED:

movr0,#LEDBuf

movr1,#6;共6个八段管

movr2,#00100000b;从左边开始显示Loop:

mov

dptr,#OUTBIT

mova,#0

movx@dptr,a;关所有八段管

mova,@r0

mov

dptr,#OUTSEG

movx@dptr,a

mov

dptr,#OUTBIT

mova,r2

movx@dptr,a;显示一位八段管

movr6,#1callDelay

mova,r2;显示下一位

rra

movr2,aincr0

djnzr1,LoopretTestKey:

mov

dptr,#OUTBIT

mova,#0

movx@dptr,a;输出线置为0

mov

dptr,#IN

movxa,@dptr;读入键状态

cpla

anla,#0fh;高四位不用

retKeyTable:;键码定义

db16h,15h,14h,0ffhdb13h,12h,11h,10hdb0dh,0ch,0bh,0ahdb0eh,03h,06h,09hdb0fh,02h,05h,08hdb00h,01h,04h,07hdb00h,01h,04h,07hGoon1:movr1,a;键值=列X4+行

mova,r2

deca

rla

rla

movr2,a;r2=(r2-1)*4

mova,r1;r1中为读入的行值

movr1,#4LoopC:

rrca;移位找出所在行

jcExitincr2;r2=r2+行值

djnzr1,LoopCExit:

mova,r2;取出键码

mov

dptr,#KeyTable

movca,@a+dptr

movr2,aGetKey:

mov

dptr,#OUTBIT

movP2,dph

movr0,#Low(IN)

movr1,#00100000b

movr2,#6KLoop:

mova,r1;找出键所在列

cpla

movx@dptr,a

cpla

rra

movr1,a;下一列

movxa,@r0

cpla

anla,#0fh

jnzGoon1;该列有键入

djnzr2,KLoop

movr2,#0ffh;没有键按下,返回0ffh

sjmpExitWaitRelease:

mov

dptr,#OUTBIT;等键释放

clra

movx@dptr,a

movr6,#10callDelaycallTestKey

jnz

WaitRelease

mova,r2retStart:

movsp,#40h

movLEDBuf+0,#0ffh;显示.

movLEDBuf+1,#0ffh

movLEDBuf+2,#0ffh

movLEDBuf+3,#0ffh

movLEDBuf+4,#0

movLEDBuf+5,#0MLoop:callDisplayLED;显示

callTestKey;有键入?

jz

MLoop;无键入,继续显示

callGetKey;读入键码

anla,#0fh;显示键码

mov

dptr,#LEDMap

movca,@a+dptr

movLEDBuf+5,a

ljmp

MLoopend2.8 打印机及接口

一、微型打印机简介1、概述点阵式打印机（热敏式），打印机内部有一个单片机系统，固化有控打程序，智能化程度高，功能强，与主机接口简单CPU字库ROM程序ROM数据RAM数据状态并行接口串行接口针控数据并行接口ROM：控制程序和字库。RAM：存放打印信息，即打印缓冲区。并行（串行）接口：接受打印命令和需要打印的信息。可接受人工干预（如：停机、走纸、自检等）2468101214161820GNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7BUSY1357911131517192、µp系列打印机具有标准的Centronic并行接口标准。内部具有2Kb固化的控打程序。能打印全部标准ASCII码和图符，还能打印点阵图形，绘制曲线等。20线扁平插座：DB7~DB0：数据线：数据选通信号BUSY：打印机“忙”信号。：打印机应答信。：出错信号。二、打印机接口和打印驱动程序803174LS373D0D7～D0D7～Q0Q7～A0A1RESETRESETP0PA0PA7～PB0PB7～PC0DB0DB7～ALEGEBUSYPC7R1：缓冲区首址R2：缓冲区长度PRINT:MOVR0,#07FHMOVA,#88HMOVX@R0,ATP::MOVR0,#7EHTP1:MOVXA,@R0JBACC.7,TP1MOVR0,#7CHMOVA,@R1MOVX@R0,A

INCR1MOVR0,#7FHMOVA,#00HMOVX@R0,AMOVA,#01HMOV@R0,ADJNZR2,TPRET1、I/O数据信号种类2、I/O编址方式3、I/O数据传送方式4、简单I/O接口5、8255A：接口、工作方式、初始化6、键盘接口：原理、应用7、显示器接口：LED显示器原理、应用8、打印机接口：原理、应用本章总结課后习题：1.发光二极管（LED）组成的8段数码显示器有哪两种接法？不同接法对字符的显示有什么影响？2.多位LED显示器采用动态扫描显示和静态显示有什么区别？3.无论静态显示还是动态显示都有软件译码和硬件译码之分，这两种段、位译码方法各有什么特点和优缺点？4.用8255A的A口和B口分别作为某MCS-51微机系统中8位8段LED显示器的段码和位码的输出端口，要求按动态扫描、分时显示的原理循环显示“1927.8.1”8个字符，试设计硬件接口电路和显示驱动程序。5.什么是键抖动？如何消除按键抖动？6.简述在正常工作状态下，键盘电路和键盘接口电路的工作过程。共阴极和共阳极。

2.静态显示是指每个数码LED对应一个字形锁存器，显示数据在锁存器中不变；动态扫描显示是指所有数码LED共用一个字形锁存器，循环显示字形。

软件译码需要软件开销，速度较慢，但价格低；硬件译码速度快，但硬件开销大。5.

键抖动是在按键闭合、断开过程中，由于机械触点的弹性作用，在闭合和断开瞬间均有抖动现象。消除键抖动软件方法就是延时，硬件方法就是采用RC滤波电路或稳态电路。6.

PC键盘电路完成键扫描，形成键盘扫描码值，送PC机的键盘接口电路。键盘接口电路将串行键扫描码转换为并行，并向CPU发中断请求。键盘中断服务程序负责将接口电路中的键扫描码读入PC机内部的键盘缓冲区。第三章输入输出过程通道概述

模拟量输入通道开关量输入通道模拟量输出通道

开关量输出通道

D/A转换器及接口技术

A/D转换器及接口技术过程通道应用举例3.1概述一、概述过程通道解决二类基本问题：

1）将外部传感器信号转换成计算机能接受的数字信号。该任务由输入通道（前向通道）完成。

2）将计算机输出的数字信号转换为外部执行器能接受的信号。该任务由输出通道（后向通道）完成。根据处理信号类型的不同，过程通道分为模拟量通道、数字量（开关量）通道两种。在模拟量输入通道中进行信号转换时有三步要做：采样、量化、编码。

1、过程通道组成微机控制系统组成框图主机被控对象···························传感器执行机构执行机构传感器模入模出接口开入开出接口CPUROMRAM软件外部设备运行操作台网络通信设备总线···接口接口接口接口接口2、过程通道功能模入通道的功能：把从检测对象检测得到的时间连续模拟信号（电压、电流等）变换成二进制的数字信号，然后经接口送入计算机。模出通道的功能：把计算机输出的数字信号，通过接口，变换成相应的模拟量信号（电压、电流或位移等），输出给控制对象，以实现预定要求。数字量输入通道的功能：把从控制对象检测得到的数字量（开关量、脉冲量等），经过缓冲器处理，在接口的控制下，送给计算机。数字量输出通道的功能：把计算机输出的数字信号，通过接口，输出数据信号、脉冲信号或开关信号，以控制生产现场的开关、报警器或显示器的动作。二、信号转换中的采样、量化和编码计算机控制系统，就必须首先解决模拟量和数字量之间的转换问题。转换过程大体上要解决如下3个问题：

—采样（Sample）

—量化（Quantity）

—编码（Coding）

1、信号的采样把时间连续的信号转换为一连串时间不连续的脉冲信号，这个过程称为“采样”，又称为“抽样”、“取样”采样过程：以周期时间间隔T，把时间与幅值连续的模拟信号转变为一连串时间不连续的脉冲信号的过程，也称离散化过程。τ为采样宽度，即K闭合的时间。

采样后的脉冲序列f*(t)是离散的，称为“采样信号”。T,2T,3T…各时间点称为采样时刻执行采样动作的开关S，称为采样器或采样开关

2、量化

采样信号经过整量化成为数字信号的过程称为整量化过程

量化：用一组数码逼近离散模拟信号的幅值。

量化过程：模拟信号数字信号。

量化单位：A/D转换器的最低有效位LSB对应的模拟量。

q=(ymax-ymin)/(2n-1)

量化误差：±1/2q 模拟通道上的信号变换模拟信号采样器现场采样信号离散模拟数字信号离散数字量化A/DCPU3、编码把量化信号转换为二进制代码的过程称为编码。编码的任务由ADC完成双极性(正负)信息的3种表示方法

—符号－数值码

—偏移二进制码

—补码表示法4、香农定理香农（Shannon）采样定理：设随时间变化的连续信息（包含噪声干扰在内），信号变化的最高频率为fmax，只要采样频率f

≥2fmax，那么，取出的样品序列（f1*(t)、f2*(t)…）就足以完全代表（或恢复）f(t)。香农定理的理解一、模拟量输入通道的一般组成1、基本组成及功能一般由信号检测、信号处理、多路转换器、放大器、采样/保持器和A/D转换器组成3.2模拟量输入通道把非电量的工艺参数（如温度、压力、流量等）通过传感器转换为电量（一般为直流电压或电流）包括信号滤波、小信号放大、信号衰减、阻抗匹配、电平变换、非线性补偿、电流/电压转换等信号检测：信号处理：将传感器输出的微弱电信号放大到A/D转换器需要的信号范围。放大器：多路开关的作用是分时地选择多路模拟量中之一路进行传输。可以是输入，多到一进行A/D转换；也可以是输出，一到多将D/A转换结果输出。前者叫多路开关，后者叫多路分配器。在采样时，其输出能够跟随输入变化；而在保持状态时，能使输出值不变。它把模拟量转换成微型机能识别的的数字量采样/保持器：多路开关：A/D转换器：2、模入通道的结构形式取决于不同的应用要求。

1）一般结构：各路共用所有元器件，多路模拟信号由多路开关切换。如图所示：多

路

开

关隔离

放大采样

保持A/D接口控制··················过

程

参

数

检测

信号处理

检测

信号处理2）其它几种结构：采用多个单通道方案：各路所有元器件独立，无共用元件。如图所示各路只共用部分元器件。隔离

放大采样

保持A/D接口过

程

参

数

检测

信号处理

检测

信号处理隔离

放大采样

保持A/D接口二、多路开关实现多路信号的选择、分时输入/输出。典型的多路开关有CD4051(双向8选1)、CD4052(双向2个4选1)等。它们是早期产品，性能已不能满足控制系统要求，其改进型为AD公司的ADG658/659(差分输入)。如图所示。译码······S1S8········D····A0A1A2ENADG658······S1AS4A········DA······S1BS4B········DB译码···A0A1ENADG659可将多片适当组合，形成多路开关群，以实现对大量模拟信号的切换。如图所示。S1S8DADG6581#ENA0A1A2S1S8DADG6582#ENA0A1A2A0A1A2A3三、放大器将传感器输出的微弱电信号放大到A/D转换器需要的信号范围。主要采用以下几类放大器：测量放大器、隔离放大器、可编程放大器等。A1+_A2_+A3_+RRR2R1R2RRVi1Vi2V0A1+_A2_+A3_+RRR2R2RRVi1Vi2V0AG658·····R11R10R17A0A1A2其放大倍数K=1+2R2/R1（利用多路开关改变R1）可编程放大器的原理图（1）可编程放大器的原理图（2）

A+_R2R1ViV0A+_R1ViAG658······R21R20R27A0A1A2V0其放大倍数K=1+R2/R1（利用多路开关改变R2）四、采样保持器在A/D转换期间保持输入信号不变，以防引起转换误差。采样保持器原理图见图

控制信号为“1”时采样，V0=Vi

控制信号为“0”时保持，V0不变A1+A2+KV0Vi控制CH控制信号为“1”时K闭合，采样。控制信号为“0”时K打开，保持。采样保持器集成电路芯片LM198、SMP04。A1_+··A2_+A3+KR1····_··V_V+1245·补偿输出R2CH387输入逻辑控制逻辑参考电位6保持电容······VSSVi1S/H1Vi4S/H4V01V04······3.3开关量输入通道输入电路输入电路接口BUS把来自生产过程的开关通断信号、高低电平信号等转换为计算机能够接受的逻辑电平信号（TTL电平、CMOS电平）。其主要功能为：信号变换、电平转换、整形滤波、隔离、保护等。1、其一般结构图2、输入调理电路

把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成

计算机能够接收的逻辑信号。1）小功率输入调理电路－开关去抖电路

AOAOOA1积分电路2）大功率输入调理电路

－采用光电隔离

3.4模拟量输出通道

它是执行机构的信号源。执行机构中很多是需要由连续信号驱动（开度连续调节的阀门、速度连续变化的电机等），这需要它将微机输出的数字量转换成相应的模拟信号，并进行放大驱动，对多路输出应有保持的功能，以实现分时输出。有二种结构：

1）数字量保持方案：将微机分时输出的数字量保持在各自独立的接口锁存器中，并供其D/A转换。

2）模拟量保持方案：将微机分时输出的数字量经D/A转换后保持在各自独立的保持器中。功率驱动：提高D/A输出的功率驱动能力。接口隔离D/A功率驱动执行······BUS接

口隔离D/A多

路

开

关采样/保持功率驱动执行采样/保持功率驱动执行······BUS模拟量输出通道的结构接口隔离D/A功率驱动执行3.5开关量输出通道若执行器所需的控制命令为二态开关量，则它来自该通道。其结构如图。接口输出电路输出电路执行BUS执行微机送出控制命令后要保持控制状态，直到下次给出新的值为止，这就需锁存（接口即为输出锁存器）。从微机送出的开关或数字信号一般是不能直接驱动输出设备或执行器的，需驱动电路。根据不同的执行器，需不同的驱动能力。1）小功率驱动电路J··········J~220VDR2VR1+5V+24V27K5K3KT1····T2OBDAJ···DB+VCCAOMC14132）中功率驱动电路达林顿管，可用非门表示3)大功率驱动电路之一LR1R2R3C····~220VVCC固态继电器，SSR光敏双向晶闸管T2T1DR2R1R34321R2触发电路R1C4321L+VC4321TR1R2ACSSR之二3.6D/A转换器及接口技术一、D/A转换器工作原理············A_+········+VRV0D0D1Dn-2Dn-1K0K1Kn-2Kn-12Rn2Rn-12R22R1i0i1in-2in-1IAI0∑Rf二、D/A转换器