第10章单片机iO口扩展及应用-08

1西北农林科技大学水利与建筑工程学院第10章单片机I/O口扩展及应用

2西北农林科技大学水利与建筑工程学院7.1单片机为什么要I/O扩展

MCS-51单片机本身具有较强的接口能力。对于8051/8751组成的系统，P0～P3口均可作I/O口使用，共有32根I/O口线。同时他们都可以驱动小功率的元件，如门电路或发光二极管等。但作用有限。3西北农林科技大学水利与建筑工程学院7.1.2为什么要扩展I/O口1.单片机接口功能有限。口的数量以及在控制功能等方面欠缺。

除P1口外，其他口都是多功能的。

P0口：用作I/O和数据总线和低8位地址总线。

P2口：用作I/O和作高8位地址总线。

P3口：用作I/O第二功能：

P3.0：RxDP3.4：T0P3.1：TxDP3.5：T1P3.2：INT0P3.6：WDP3.3：INT1P3.7：RD2.有时无法满足复杂接口需要。主要表现有

·速度差异大：高速、低速

·设备种类繁多：机械、机电、电子

·数据信号多种多样：电压、电流、数字、模拟4西北农林科技大学水利与建筑工程学院3.扩展I/O口能实现的功能

·速度协调：单片机与外设进行异步通讯，只有在外设好的情况下才能传送。

·输出数据锁存：保证数据在总线上的保留足够时间。

·输入数据三态缓冲：工作数据与总线连接，其他必须与总线隔离。

·数据转换：单片机只能输入输出数字信号，接口需进行数模转换。 增强驱动能力。7.1.3I/O口的相关技术1.接口（interface）与端口（port）：

接口：计算机与外设间的数据联系。接口需要有数据寄存器、状态寄存器、命令寄存器。且寄存器可以编址、可读写。

端口：接口电路中可编址、可读写的寄存器叫做端口（口）。一个接口可以包含多个端口，用户要了解端口的设置和编址情况。5西北农林科技大学水利与建筑工程学院2.数据总线隔离技术 单片机接口都挂在总线上，但是每一时刻只能对一个源或负载进行操作，因此要用到总线隔离技术。方法：使用三态缓冲电路或称三态门（TSL） 技术要求：速度快，信号延迟时间短。 高阻抗，对数据总线不呈现负载。3.单片机I/O口编址技术 单片机必须能够找到需要查找的口，因此需要进行口的编址。

·独立编址 将存储器和口分开编址。使其相互独立、界限分明。但需要硬件和命令的满足。如Z80的IN和OUT指令。

·统一编址

“存储器映象”编址方式。使用存储器指令进行读写I/O口，不需专门指令。简单、方便、功能强。缺点是指令长且执行速度慢。6西北农林科技大学水利与建筑工程学院7.1.4单片机I/O口控制方式 单片机使用：无条件传送、查询、中断三种控制方式1、无条件传送 同步程序传送。不需测试设备状态，可随时进行数据传送。 适合的设备有：

·常驻数据信号（机械开关、指示灯、二极管、数码管）可视为“随时好”。

·工作速度快，足以和单片机同步的设备7西北农林科技大学水利与建筑工程学院2、查询方式 又称有条件传送方式。在进行I/O口操作前，先检测（查询）设备状态，了解设备是否准备好。优点：软硬结合，电路简单，适用于各种设备的数据传送。 缺点：查询时消耗单片机资源。 适用条件：单道作业，规模较小的单片机系统。3、中断方式 程序中断方式。被动查询。设备准备好后，向单片机发出中断请求。 中断方式大大提高了效率，好像与单片机并行工作，但中断造成的CPU开销也不小。 使用条件：任何设备都可以。8西北农林科技大学水利与建筑工程学院7.2简单I/O口扩展

I/O口数据传送指令

输出：

9西北农林科技大学水利与建筑工程学院MOVPx,AMOVPx,RnMOVPx,@RiMOVPx,direct输入：MOVA,PxMOVRn,PxMOV@Ri,PxMOVdirect,Px位操作指令：MOVCLRSETBCPLJBJNBJBC其他命令：ANLORLXRLINCDECDJNZCJNE10西北农林科技大学水利与建筑工程学院7.2简单I/O口扩展7.2.1简单输入口 如果其输入输出是一些简单的开关量，若采用一些可编程的专用接口芯片往往价格比较高，可以采用TTL或CMOS电路的芯片。输入用三态缓冲器，如74LS244、74LS245等。这些芯片结构简单，配置灵活方便，比较容易扩展使系统降低了成本缩小了体积。11西北农林科技大学水利与建筑工程学院多输入口扩展使用或非门（74LS32），只有RD和线选信号同时有效，才能读入。12西北农林科技大学水利与建筑工程学院例题：1#口地址为7FFFH，2#口地址为0BFFFHI片，011111111111

11117FFFII片，101111111111

1111BFFF13西北农林科技大学水利与建筑工程学院7.2.2简单输出口扩展

主要目的是进行数据锁存。74LS273、74LS373、74LS37774LS377为带有允许输出端的8D锁存器， 有8个D输入端，

8个Q输出端， 一个时钟输入端CLK， 一个锁存允许信号。当=0时，CLK端信号的上升沿，把8D输入端的数据打入8位锁存器。

利用74LS377这些特性，通过P0口扩展一片74LS377锁存器作输出口，该锁存器被视为一个外部RAM单元。使用

MOVX@DPTR，A类指令访问之，输出控制信号/WR为，接口逻辑如图所示。

14西北农林科技大学水利与建筑工程学院WR信号由0变1时写入锁存器。74LS377是D触发器，上升沿有效。10.3可编程并行接口芯片Intel8155

8155内有：两个8位并行I/O端口、

一个6位并行I/O端口、

256B的静态RAM、

一个14位的减法定时/计数器。10.3.18155的结构和引脚（1）结构组成10.3.18155的结构和引脚IO/M：RAM或I/O口的选择线当CS=0，IO/M=0时，8155只能做片外RAM使用，共256B。其寻址范围由以及AD0～AD7的接法决定，这和第8章讲到的片外RAM的扩展方法相同。同时，对8155内RAM的操作也使用片外RAM的读/写指令“MOVX”。当对系统同时扩展片外RAM芯片和8155的RAM时，要注意二者的编址问题。

为高电平时，对3个I/O端口以及命令/状态寄存器和定时/计数器进行操作。内部寄存器共有6个。CS：片选线，低电平有效。10.3.18155的结构和引脚定时/计数器的脉冲输入、输出线TIMERIN是脉冲输入线，其输入每一个脉冲对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。常和单片机的ALE端相连10.3.2I/O口及其工作方式（1）寄存器地址分配

当CS=0，IO/M=1时，对3个I/O端口以及命令/状态寄存器和定时/计数器进行操作。内部寄存器共有6个。8155的口地址分配AD7～AD0选中的寄存器AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0×××××000命令/状态寄存器×××××001A口×××××010B口×××××011C口×××××100定时/计数器低8位寄存器×××××101定时/计数器高8位寄存器（2）命令/状态字（一个单元）①命令字，只能写，用MOVX@DPTR/Ri,A

②状态字,只能读，用MOVXA,@DPTR/Ri状态字也是8位，但实际上只使用了7位。状态字用于寄存各端口及定时/计数器的工作状态。10.3.3I/O口的工作方式A口和B口：通用输入/输出口，主要用于数据的I/O传送，它们都是数据口，因此只有输入和输出两种工作方式。C口：6位口，它既可以用于数据的输入/输出，也可以作为控制口，用于传送对A口和B口I/O操作时的控制信号或状态信号。C口有四种工作方式，分别是：方式0：输入方式；方式1：输出方式；方式2：A口控制端口方式；方式3：A口和B口控制端口方式。

当A口和B口以中断方式进行数据传送时，所需的联络信号由C口提供。INTR：中断请求信号（输出），高电平有效。BF：缓冲器满状态信号（输出），高电平有效。STB：选通信号（输入），0有效。外设应答信号（输出）C口线不同工作方式的功能方式1输入方式方式2输出方式方式3A口控制方式4A口和B口控制PC0PC1PC2PC3PC4PC5全部为输入全部为输出AINTRABFASTB

输出输出输出AINTRABFASTBBINTRBBFBSTB10.3.48155的定时/计数器（1）定时/计数器的寄存器格式

14位的减法计数器。8155定时/计数器的寄存器格式高8位低8位M2M1T13T12T11T10T9T8T7T6T5T4T3T2T1T0输出波形定时初始值（14位）输出方式在TIMERIN端输入计数脉冲，计满时由TIMEROUT输出脉冲或方波，输出方式由定时/计数器高8位寄存器中的M2和M1决定。当TIMERIN外接脉冲时为计数方式，外接系统时钟时为定时方式。②8155的定时/计数器只有一种工作方式，即14位的计数器，而MCS-51的单片机有多种工作方式。（2）8155定时/计数器与MCS-51单片机定时/计数器的差异①8155的定时/计数器是减法计数，而MCS-51单片机的定时/计数器是加法计数，因此，二者确定初始值的方法不同。③8155和MCS-51的定时/计数器都有定时和计数两种功能，但对于8155的定时/计数器，不管是定时，还是计数，其计数脉冲都由外部提供，即由TIMERIN输入。④当MCS-51的定时/计数器计满时置位溢出标志位TF，而8155的定时/计数器在计满后由TIMEROUT

输出不同形式的波形。

（3）定时/计数器的初始化①设置定时/计数器初始值定时/计数器的14位初始值（0~214-1）由CPU分别写入8155定时/计数器的低8位和高8位寄存器。②设置输出方式输出方式的设置如前面表中。③设置工作状态定时/计数器的工作状态由8155命令字的最高两位——TM2和TM1位决定。P236当TM2、TM1=00时：空操作，无任何动作，不影响计数器的工作。

=01时：停止计数。

=10时：如果计数器未启动，则空操作；若计数器正在工作，则计数器继续工作至减到0时停止；

=11时：启动计数器。

8155使用时，通常是先送计数长度和输出方式的两个字节，然后再送命令字到命令寄存器控制计数器的启停。10.3.5MCS-51单片机与8155的连接一种连接方式例10-2

编写8155定时器作100分频器的程序。设8155命令/状态寄存器的地址为0。解：因为8155是减数计数器，所以100分频时，应减数的初值为100，每计数达到100时输出一个电平恒定的信号，在下一个100计满时，输出电平取反，则输出是一个连续的方波，故M2M1=01。高8位寄存器的初始值应为40H(01000000)，低8位寄存器的初始值为64H（100）(01100100)。若在装入初值后就启动定时/计数器，则TM2、TM1=11。因为与A、B、C口的控制无关，因此命令字为0C0H。若/CS接地，则8155命令/状态寄存器的地址为0000H。则低8位和高8位寄存器的地址分别为0004H和0005H。另外在TIMERIN端输入一定频率的信号，在TIMEROUT端接示波器，就可观察输出的波形。ORG 0000HMAIN:MOVDPTR,#0004 ；低8位寄存器

MOVA,#100 ；计数初始值

MOVX@DPTR,A ；装入初始值

INC DPTR ；高8位寄存器

MOVA,#40H ；连续方波

MOVX@DPTR,A ；装入高8位寄存器

MOVDPTR,#0000 ；命令寄存器MOVA,#0C0H ；TM2、TM1=11MOVX@DPTR,A ；装入命令字，启动计数器

SJMP $ENDC51语言参考程序如下：

#include<reg51.h> #include<absacc.h> #definePORTCONXBYTE[0x0000] #defineREGLOW XBYTE[0x0004] #defineREGHIGH XBYTE[0x0005] main() { REGLOW=100; REGHIGH=0x40; PORTCON=0xc0; while(1);}例10-3

如下图，要求从8155的A口每隔1s读入一次开关量，然后从B口输出给8个发光二极管。假设8051的fOSC=6MHz。命令字：02HA口入B口输出8155的口地址分配AD7～AD0选中的寄存器AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0×××××000命令/状态寄存器×××××001A口×××××010B口×××××011C口×××××100定时/计数器低8位寄存器×××××101定时/计数器高8位寄存器P2.7--/CS，P2.6—IO/(/M)7FF8H-01111111111110007FF9H-01111111111110017FFAH-0111111111111010 ORG 0000HMAIN:

MOV DPTR,#7FF8H ；8155命令寄存器地址 MOV A,#02H ；命令字 MOVX @DPTR,A

LOOP:MOV DPTR,#7FF9H ；读A口

MOVX A,@DPTR

MOV DPTR,#7FFAH ；写B口

MOVX @DPTR,A ACALLDEL1S SJMP LOOPDEL1S:MOV R5,#10 ；延时1sDEL1: MOV R6,#200DEL2: MOV R7,#125DEL3: DJNZ R7,DEL3 DJNZ R6,DEL2 DJNZ R5,DEL1 RET END#include<absacc.h>chara;voiddelay1s(){unsignedint

i,j;for(i=1000;i>0;i--)

for(j=62;j>0;j--);//6MHz}main(){while(1){XBYTE[0x7ff8]=2;a=XBYTE[0x7ff9];XBYTE[0x7ffa]=a;delay1s();}}42西北农林科技大学水利与建筑工程学院7.58279可编程键盘/显示器接口芯片10.5键盘接口扩展单片机使用的键盘分为独立式和矩阵式。

⑴独立式按键

独立式按键是每个按键占用一根I/O端线。

特点：①各按键相互独立，电路配置灵活；②按键数量较多时，I/O端线耗费较多，电路结构繁杂；③软件结构简单。适用于按键数量较少的场合。

43西北农林科技大学水利与建筑工程学院44西北农林科技大学水利与建筑工程学院⑵矩阵式键盘

I/O端线分为行线和列线，按键跨接在行线和列线上，按键按下时，行线与列线发生短路。

特点：①占用I/O端线较少；②软件结构教复杂。适用于按键较多的场合。

按键的过程有2步：键的识别（硬件） 按键功能实现（软件）。其中键盘识别分为：键盘扫描 键的识别 产生键码 排除多键、去抖动45西北农林科技大学水利与建筑工程学院键盘接口有 单片机芯片并口 单片机芯片串口 通用芯片：8255、8155

专用芯片：82797.7显示器接口技术7.7.1led显示接口

LED显示原理

·共阳极接法

·共阴极接法46西北农林科技大学水利与建筑工程学院LED数码管显示分类：静态显示方式和动态显示方式。⑴静态显示方式，每一位字段码分别从I/O控制口输出，保持不变直至CPU刷新。特点：编程较简单，但占用I/O口线多，一般适用于显示位数较少的场合。47西北农林科技大学水利与建筑工程学院⑵动态显示方式，在某一瞬时显示一位，依次循环扫描，轮流显示，由于人的视觉滞留效应，人们看到的是多位同时稳定显示。特点：占用I/O端线少，电路较简单，编程较复杂，CPU要定时扫描刷新显示。一般适用于显示位数较多的场合。48西北农林科技大学水利与建筑工程学院49西北农林科技大学水利与建筑工程学院50西北农林科技大学水利与建筑工程学院51西北农林科技大学水利与建筑工程学院7.38255A可编程通用并行接口芯片7.3.1概述

Intel公司的80/85系列接口电路都可以直接与MCS-51接口。常用的接口器件为：

8255：可编程通用并行接口电路；

8253/8254：可编程定时/计数器；

8155/8156：可编程RAM/IO/TIMER扩展芯片；

8251：可编程串行接口电路；

8279：可编程键盘显示接口电路；以上器件最大的特点是工作方式的确定和改变需要软件实现。因此称为可编程接口芯片。7.3.28255的逻辑结构和信号引脚 电路按功能分为三部分：口电路、总线接口电路、控制逻辑电路。52西北农林科技大学水利与建筑工程学院1、口电路

3个8位口，

A口：8位数据输入锁存器和8位数据输出锁存器/缓冲器。

B口：8位数据输入缓冲器和8位数据输入/输出锁存器/缓冲器。

C口：8位数据输入缓冲器和8位数据输出锁存器/缓冲器。还可分为2个4位口，又可以控制。数据传送时：A与C高4位合称A组

B与C低4位合称B组53西北农林科技大学水利与建筑工程学院2、总线接口电路用于实现8255与单片机的连接的

·数据总线缓冲器。

·读写控制逻辑00选A01选B10选C11选控制字54西北农林科技大学水利与建筑工程学院3、控制逻辑电路包括A组控制和B组控制，和在一起构成8位控制寄存器。用于存放各口的工作方式控制字。读8255写825555西北农林科技大学水利与建筑工程学院7.2.38255工作方式及数据I/O操作1、工作方式

8255有三种可通过编程来选择的基本工作方式：

方式0：基本输入输出方式；适用于无条件数据传送合查询方式的数据传送。

方式1：选通输入输出方式；AB口为数据传送，C口为数据传送联络信号。

方式2：双向传送方式(仅A口)。·方式0

是一种基本的输入/输出方式。在这种工作方式下，三个端口的每一个都可由程序选定作为输入或输出，任一端口都可由简单的传送指令来读或写，用于无条件传送十分方便。基本功能为：①两个8位端口(A，B)，和两个4位端口(C)。②任一个端口可作输入或输出。③输出是锁存的。④输入不是锁存的。在MCS-51系统中，只要执行MOVXA，@DPTR和MOVX@DPTR，A类指令，便可完成输入/输出操作。56西北农林科技大学水利与建筑工程学院·方式1的操作功能

这是一种选通I/O方式，在这种方式下，PA口或PB口仍作数据端口输入/输出，但同时规定PC口的某些位作为控制或状态信息。主要功能：①用作一个或两个选通I/O端口。②每一个端口包含8位数据线，三条控制线(是固定的，不能用编程改变)提供中断逻辑。③任一端口都可作输入或输出。④若只有一个端口工作于方式1，余下13位可工作在方式0(由控制字决定)。⑤若两个端口都工作于方式1，C口还剩下两位可由程序指定为位的输入或输出，即具有置/复位功能。57西北农林科技大学水利与建筑工程学院2.数据输入操作连外设连单片机连单片机连单片机连外设INTR----中断请求信号，高电平有效。表示数据已被取走，请求CPU继续输入信号，由/WR下降沿复位。连单片机58西北农林科技大学水利与建筑工程学院1输入单片机单片机外设数据数据00变1数据