第十三章 单片机外围接口技术

项目十三单片机外围接口技术《单片机原理与应用项目化教程》13.1输入输出通道概述13.1.1输入通道概述输入通道是设置在单片机和被测对象之间的信息传送和转换的连接通道，单片机对被测对象状态的拾取，一般离不开传感器或敏感元件。这是因为被测信号的状态参数通常是一种非电量的物理量（如温度、压力、载荷、位移等），而单片机只能识别处理电信号的数字量，因此利用传感器将非电量的物理量转换成电信号才能实现测量和控制的任务。输入通道结构图输入通道的特点输入通道的类型取决于从传感器送入信号的类型，由于不同的信号需要不同的转换电路，这也就决定了输入通道的类型。输入通道的主要技术指标是信号的转换精度和速度，它们是选择转换器件的依据。输入通道往往是模拟电路和数字电路的混合电路，对于传感器输出的微弱信号必须加以放大。对于被测现场环境较差的情况，为防止干扰信号进入单片机控制系统，需要在输入通道中加入抗干扰措施。13.1输入输出通道概述13.1.2输出通道概述输出通道是计算机用以连接各种被控装置的信号通道。计算机完成对输入通道所输入的数据处理后，总是以数字信号送往输出通道的。然后根据被控装置控制信号的要求，在输出通道中将送入的信号进行变化，以达到控制被控装置的目的。

输出通道结构图输出通道的特点小信号输入，大功率控制。在目前的集成电路制造工艺下，单片机还不能输出直接控制装置所要求的功率信号，因此在输出后必须进行功率放大。输出通道直接与控制装置的执行机构连接，而控制装置多为大功率的伺服驱动机构，各类电磁干扰会经输出通道窜入微机，因此必须在输出通道中采取抗干扰措施，如增加光电隔离接口等。13.2光电隔离接口13.2.1光电耦合器件简介光电耦合器是一种能有效地隔离噪音和抑制干扰的新型半导体器件。其具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强，输入输出之间电绝缘，单向传输信号及逻辑电路易连接等优点。光电耦合器按光接收器件可分为有硅光敏器件（光敏二极管、雪崩型光敏二极管、PIN光敏二极管、光敏三极管等）、光敏可控硅和光敏集成电路。把不同的发光器件和各种光接收器组合起来，就可构成几百个品种系列的光电耦合器。13.2.1光电耦合器简介光电耦合器是以“电--光--电”转换的过程进行工作的。当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流；反之当输入端无信号时，发光二极管不发光，光敏三极管截止。13.2.1光电耦合器简介光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，使通道上的信号噪声比大为提高，主要有以下几方面的原因：光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的噪声电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。光电耦合器的响应速度极快，其响应延迟时间只有10μs左右，适于对响应速度要求很高的场合。

光电耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强。无触点且输入与输出在电气上完全隔离等特点，因而在各种电子设备上得到广泛的应用。光电耦合器可用于隔离电路、负载接口及各种家用电器等电路中。下面是常见的光电耦合器件。二极管—晶体管耦合的4N25、TLP541G

二极管—达林顿管耦合的4N38、TPL570

二极管—TTL耦合的6N13713.2.2常用光电耦合器件1.微机接口电路中的光电隔离13.2.3光电隔离技术的应用该电路主要应用在A/D转换器的数字信号输出，及由CPU发出的对前向通道的控制信号与模拟电路的接口处，从而实现在不同系统间信号通路相联的同时，在电气通路上相互隔离，并在此基础上实现将模拟电路和数字电路相互隔离，起到抑制交叉干扰的作用。2.功率驱动电路中的光电隔离在微机控制系统中，为避免微机受到驱动电路的干扰，须采取隔离措施。如晶闸管所在的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机直接相连，此时可应用光电耦合器将微机控制信号与晶闸管触发电路进行隔离。

3.远距离传送的光电隔离在计算机应用系统中，为确保长线传输的可靠性，可采用光电耦合隔离措施，将2个电路的电气连接隔开，切断可能形成的环路，使他们相互独立，提高电路系统的抗干扰性能。若传输线较长，现场干扰严重，可通过两级光电耦合器将长线完全“浮置”起来。

4．过零检测电路中的光电隔离零交叉，即过零检测，指交流电压过零点被自动检测进而产生驱动信号，使电子开关在此时刻开始开通。现代的零交叉技术已与光电耦合技术相结合。13.3常用人机交互设备接口

13.3.1键盘接口电路在单片机应用系统中键盘是最常用的输入设备。通过键盘可以输入数据和命令，实现简单的人机对话。键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘采用硬件线路来实现键盘编码，每按一个键，键盘能自动生成按键代码；非编码键盘仅提供键的开关状态，依靠软件来识别闭合的键，并去除抖动以及产生相应的代码。全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路。这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。本节主要讨论单片机应用系统中使用较多的非编码键盘的接口方法。1．键盘工作原理非编码键盘的结构形式有两种，即独立式键盘和行列式键盘独立式键盘的各个接键相互独立，每一个按键都有一根数据线，各按键的状态互不影响，图中每一个按键的数据线通过电阻接+5V。当键盘上没有键闭合时，其数据线X0～X7状态呈现高电平。当键盘上有一个键闭合时，该键相对应的数据线状态被拉至低电平。单片机可以通过检测其各数据线的状态，来判断是否有键闭合以及哪一个键闭合。行列式键盘的结构如图所示。图中行线X0～X3（P1.4~P1.7）定义为输入口，Y0~Y3（P1.0~P1.3）定义为输出口。当键盘上某一个键闭合时，该键所对应的行线与列线短路，行线的状态则由列线状态决定。2.单片机对键盘的扫描方式在单片机应用系统中，为了节省硬件，通常采用行列式键盘。一般来说，获取行列式键盘数据，单片机可以采用以下三种扫描控制方式。判断键盘有无按下其方法是由PA口输出全“0”，再读入PC口的状态，判断PC0～PC3是否为全“1”，若是则无键按下，否则有键按下。去键抖动影响当判断到有键按下后，可采用软件延时一段时间（一般10～15ms），再判断键盘状态，如果仍为有键按下状态，则认为有一个确定的键被按下，否则按照键抖动处理。有键按下确定闭合键的键号其方法是对键盘的列线进行扫描，即从PA口依次输入列扫描字FEH，FDH，FBH，F7H，EEH，DEH，BFH，7FH，扫描过程依次使行列式键盘的一根列线为“0”，其余为“1”。相应地依次读取PC0～PC3的值，若PCD～PC3全为“1”，则列线为“0”的这一列上没有键闭合。若其中某位为“0”，则这次扫描有键闭合。闭合键的键号等于低电平的列号加上低电平的首键号。判断闭合的键是否释放键闭合一次仅作一次键功能处理，其方法是当确认有键闭合，等待直到按键释放，才可进入执行键的功能操作。1.程序控制扫描方式2.定时扫描方式定式扫描就是每隔一定时间，CPU扫描键盘一次，这种方式是利用单片机中的定时器/计数器产生时（例如10ms）中断，CPU响应定时器/计数器溢出中断请求，在中断服务程序中对键盘进行扫描，以响应键盘输入请求。3.中断扫描方式

图中8031的P1.0～P1.3为输入口线，作为键盘的行线，各行线通过“与”门接到8031的外中断引脚；P1.4～1.7为输出口线，作为键盘的列线。系统初始化时，置P1.4～P1.7为“0”，。若无键闭合，为高电平“1”，无中断请求。当一旦有键闭合时，变为低电平“0”，向CPU发出中断请求，进入中断服务程序扫描键盘。13.3.2LED显示器接口电路在单片机应用系统中，显示器是一个不可缺少的人机交互设备之一，是单片机应用系统中最基本的输出装置。通常需要用显示器显示运行状态以及中间结果等信息，便于人们观察和监视单片机系统的运行情况。显示器的种类很多，从液晶显示、发光二级管显示到CRT显示器等，都可以与微机配接。其中单片机应用系统中最为常用的显示器是发光二级管数码显示器（简称LED显示器）。LED显示器具有成本低、配置简单、安装方便和寿命长等特点。但显示内容比较有限，一般不能用于显示图形。1.LED显示器结构和工作原理LED显示器是由若干个发光二级管组成的，当发光二级管导通时，相应的一个点或一个笔划发亮。控制不同组合的二级管导通，就能显示出各种字符。常用的8段LED显示器的结构如右图所示。LED显示器有共阴极和共阳极两种结构。LED数码管的使用与发光二级管类同，根据其材料不同正向压降一般为1.5～2V，额定电流为10mA，电大电流为40mA。静态显示时取10mA为宜，动态扫描显示时，可加大脉冲电流，但一般不超过40mA。LED显示器显示的数字和字符和字段码的对应关系见下表

2.LED显示器的控制方式控制点亮LED显示器有静态控制和动态控制两种

静态显示控制下每当显示器某一个字形时，每一位显示器的字段控制线是独立的。在此显示方式下显示一位数字或字符就需要一个8位输出口控制。如图13-13所示有4位（个）LED显示器，则就需要4个8位并行输出口。动态显示控制，就是采用扫描的方法把多个LED显示器逐个点亮，对于某一显示器来说，每隔一段时间点亮一次，利用人眼的视觉暂留效应可以看到动态的整个显示，但要必须保证有足够快的扫描速度，才能使字符不闪烁；显示器的亮度即与各二级管的导通电流有关，也与占亮的持续时间和间隔时间的比值有关。3.多色LED显示器目前广泛使用的有红、绿、蓝三种。由于LED工作电压低（仅1.5～3V），能主动发光且有一定亮度，亮度又能用电压（或电流）调节，本身又耐冲击、抗振动、寿命长（10万小时），所以在大型的显示设备中，目前尚无其他的显示方式与LED显示方式匹敌。把红色和绿色的LED放在一起作为一个像素制作的显示屏叫双基色屏或伪彩色屏；把红、绿、蓝三种LED管放在一起作为一个像素的显示屏叫三基色屏或全彩屏。LED显示屏如果想要显示图象，则需要构成像素的每个LED的发光亮度都必须能调节，其调节的精细程度就是显示屏的灰度等级。灰度等级越高，显示的图像就越细腻，色彩也越丰富，相应的显示控制系统也越复杂。在当前的技术水平下，256级灰度的图像，颜色过渡已十分柔和，图像还原效果比较令人满意。资料显示，LED光源比白炽灯节电87%、比荧光灯节电50%，而寿命比白炽灯长20～30倍、比荧光灯长10倍。LED光源因具有节能、环保、长寿命、安全、响应快、体积小、色彩丰富、可控等系列独特优点，被认为是节电降能耗的最佳实现途径。13.3.3液晶显示器（LCD）接口电路1.LCD显示器的结构和工作原理LCD是一种被动式显示器，它本身并不发光，只是调节光的亮度。目前常用的LCD是根据液晶扭曲向列效应原理而制成的。其结构如右图所示2.LCD显示器的驱动原理和驱动方式LCD一般采用交流驱动，通常采用异或门把显示器控制信号和显示频率信号合并为交变的驱动信号，如右图所示。LCD的驱动方式有静态和动态两种。静态驱动方式的LCD每个显示器的每个字段都要引出电极，所有显示器的公共电极连在一起后引出。如图13-17所示13.3.4可编程键盘/LED接口芯片8279

1.8279的组成及引脚

8279芯片有40条引脚，由单一+5V电源供电。它主要有以下几部分组成：I/O控制和数据缓冲器、控制和定时寄存器及定时控制部分、扫描计数器、回送缓冲器与键盘去抖动控制电路、FIFO（先进先出）寄存器和状态电路、显示器地址寄存器及显示RAM2．8279内部结构及各部分功能(1)I/O控制及数据缓冲器

(2)控制与定时寄存器及定时控制

控制与定时寄存器：寄存键盘及显示器工作方式,完成控制功能。定时控制：包括基本计数器，首级计数器是可编程N计数器，N由编程指定（2～31）,对CLK分频，获得内部所需100kHz工作时钟；再分频，为键盘及显示器扫描提供扫描时钟。(3)扫描计数器

4位的计数器，有译码、编码两种方式，由编程设定。

(4)恢复缓冲器、键盘去抖动及控制逻辑

(5)FIFO/传感器RAM及其状态寄存器

FIFO/传感器RAM：8×8位，键盘输入方式或选通输入方式作先入先出存储器（FIFORAM）；传感器输入方式被称为传感器RAM，存储传感器阵列中每个传感器的状态。

(6)显示RAM及显示地址寄存器3．工作方式数据输入方式——键盘输入（键扫描）、传感器扫描、选通输入键扫描：按下一个键时，形成键盘数据，送入FIFORAM,并产生IRQ（数据读出后撤除）。传感器扫描:FIFORAM中8个单元用于寄存传感器的现时状态，又称传感器RAM，地址编号与扫描线顺序一致，传感器阵列（最多为8×8位）中某一位状态发生变化时，产生IRQ。选通输入:与8255A通输入端口的功能完全一样,CNTL/STB作为选通信号,上升沿锁存RL0～7到FIFORAM。显示输出方式——8字符左入口、16字符左入口、8字符右入口、16字符右入口。左入口：显示器位置编号与显示RAM地址一一对应（0号单元显示在0号显示器上），显示时从最左位开始。右入口（计算器显示方式）：最高位从最右边显示器进入，以后逐次左移。4.命令字（1）设置工作方式

（２）设置分频系数

（3）设置读FIFO/传感器RAM的地址

（4）设置读显示RAM的地址

（5）设置写显示RAM的地址

（6）禁写显示RAM/消隐命令

（7）结束中断/设置错误方式

（8）清除命令

5．状态字(指示FIFORAM中字符数及是否有错误)

DU：显示无效标志,由命令清除显示RAM时置1S/E：键盘输入方式下作特殊错误标志，=1：多键同时按下

O：溢出标志,向已满的FIFORAM写时置1U：不足标志,从已空的FIFORAM读时置1N2N1N0：FIFORAM中字符的个数6．8279与MCS-51的连接应用

A0～A3和B0～B3为段控输出（高电平有效)，外接驱动器后连至LED各段。对于七段LED来说，A3为最高位，B0为最低位，SL0～SL3为位控输出，经译码驱动后连至各LED可控制16位显示器，其扫描速度（A0～3及B0～3与其同步变化）则由内部定时器决定。7.ZLG7290键盘/LED驱动器

ZLG7290键盘/LED驱动器是周立功公司针对仪器仪表行业的需要自行研制的一款芯片。右图所示为7290芯片的引脚图。该芯片能自动完成8位LED数码管的动态扫描和(最多)64按键检测扫描，大大减轻单片机的用于显示/键盘的工作时间和程序负担，可使集中资源用于信号的检测和控制。13.4D/A、A/D转换器13.4.1D/A转换原理1.D/A转换原理D/A转换器输入信号是数字量，经转换输出的结果是模拟量（电压或电量）。2.D/A转换器的主要技术指标分辨率分辩率用以反映D/A转换器对输入量变化的灵敏程度。

转换精度稳定时间非线性误差非线性误差指实际转换曲线与理想特性曲线之间的最大偏差。

温度系数13.4.2DA0832与MCS-51单片机接口技术1.DA0832芯片简介DAC0832是采用CMOS工艺制成的8位D/A转换器，它直接可与众多8位单片机和微处理器连接，其输出是以电流形式，可利用外接运算放大器转换成电压输出。DAC0832是目前国内使用较普遍的8位D/A转换器芯片。（1）DAC0832的主要技术指标分辨率：8位增益温度系统：0.02%FS/℃低功耗电量：20mW单一电源：+5～+15稳定时间：1us（2）

DAC0832的输出方式①单极性输出输出电压的表示形式为：VOUT=-VREF×D/256（2）

DAC0832的输出方式

②双极性输出输出电压的表达形式为：VOUT=-VREF×(128－D)/1282.DAC0832与MCS-51的接口（1）直通方式

2.DAC0832与MCS-51的接口（2）单缓冲方式

2.DAC0832与MCS-51的接口（3）双缓冲方式3．DAC0832芯片应用举例（1）锯齿波的产生13.4.3串行D/A转换及其它转换方式1．引脚功能VOUT：芯片模拟输出电压；GND：器件内所有电路的地参考点；VDD：供电电源，直流+2.7Ｖ～+5.5Ｖ；DIN：串行数据输入；SCLK：串行时钟输入；SYNC：输入控制信号（低电平有效）。2．工作特点微功耗，5V时的工作电流消耗为135μA（DAC7512）；在掉电模式时，如果采用5V供电，其电流消耗为135nＡ，而采用3V电时，其电流消耗仅为50nA。供电电压范围为+2.7V～+5.5V；上电输出复位后输出为0V；具有三种关断工作模式可供选择，5V电压下的功耗仅为0.7mW；带有低功耗施密特输入串行接口；内置满幅输出的缓冲放大器；具有SYNC中断保护机制。3.与单片机的接口电路设计8051的TXD驱动DAC7512的SCLK，而RXD则驱动DAC7512的串行数据线。设计时可用8051的一个I/O位（如P3.3）作为SYNC信号。在数据传输期间，P3.3要保持低电平。由于8051的TXD脚输出时是低位在前，而DAC7512片内寄存器接收时是高位在前，故在传送数据前，应当用软件把数据调整好。13.4.4A/D转换原理1.A/D转换器原理A/D转换器用于实现模拟量到数字量的转换，按转换原理可分为4种，即：计数式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器。目前最常用的是双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器。双积分式A/D转换器的主要优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜。其缺点是转换速度较慢，因此，这种转换器主要用于速度要求不高的场合。13.4.4A/D转换原理2.A/D转换器的主要技术指标分辨率指A/D转换器对于输入模拟量变化的灵敏度量程指A/D转换器所能转换的电压范围转换精度转换精度可表示成绝对精度和相对精度两种形式。转换速度指完成一次A/D转换所需要的时间13.4.5ADC0809与MCS-51单片机接口技术1.ADC0809芯片简介

ADC0809是一种具有8路模拟量输入的8位逐次逼近式A/D转换器。ADC0809采用由单一+5V电源供电，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路0～5V的输入摸拟电压信号进行输入，并共用一个A/D转换器进行转换。2．ADC0809与MCS-51单片机的接口技术

3．ADC0809芯片应用举例（1）软件延时方式的程序举例下面是一段采用软件延时方式，分别对8路模拟信号轮流采样一次，并依次把结果存放到片内数据存储器50H开始的单元中的程序。

13.4.6串行A/D转换及其它转换方式

1.引脚功能

CH0～CH3为模拟输入端；CS为片选端；D0为A/D转换结果的三态串行输出端；SARS为转换状态输出端，该端为高电平时，表示转换正在进行，为低电平则表示转换完成；REF为参考电压输入端；VCC为电源；DGTLGND为数字地，ANGLGND为模拟地。2．工作特点

TLC0834可通过和控制处理器相连的串行数据链路来传送控制命令，因而可用软件对通道进行选择和输入端进行配置3．与单片机的接口电路设计

2．ADC0809与MCS-51单片机的接口技术

13.5步进电动机接口13.5.1步进电机的工作原理

目前常用的是反应式步进电机，根据绕组数的多少有三相、四相和五相步进电机等。电机的定子上有六个等间距的磁极A，C′，B，A′，C，B′，相对两个磁极形成一相（A-A′，B-B′，C