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第 9 章 应用系统配置及接口技术

第 9 章 应用系统配置及接口技术. 教学目标. 掌握 A/D 转换器的工作方式 掌握单片机控制 A/D 转换器接口应用 掌握 D/A 转换器的工作方式 掌握单片机控制 D/A 转换器接口应用. 教学内容. 9.1 人机通道配置与接口技术 9.2 前向通道中的Ａ／Ｄ转换器及接口技术 9.3 系统后向通道配置及接口技术 9.4 思考题与习题. 若输入是非电的模拟信号，还需要通过传感器转换成电信号并加以放大，把模拟量转换成数字量。该过程称为“量化”，也称为模／数转换。

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第 9 章 应用系统配置及接口技术

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  1. 第9章 应用系统配置及接口技术

  2. 教学目标 • 掌握A/D转换器的工作方式 • 掌握单片机控制A/D转换器接口应用 • 掌握D/A转换器的工作方式 • 掌握单片机控制D/A转换器接口应用

  3. 教学内容 • 9.1 人机通道配置与接口技术 • 9.2 前向通道中的Ａ／Ｄ转换器及接口技术 • 9.3 系统后向通道配置及接口技术 • 9.4 思考题与习题

  4. 若输入是非电的模拟信号，还需要通过传感器转换成电信号并加以放大，把模拟量转换成数字量。该过程称为“量化”，也称为模／数转换。若输入是非电的模拟信号，还需要通过传感器转换成电信号并加以放大，把模拟量转换成数字量。该过程称为“量化”，也称为模／数转换。 • 实现模／数转换的设备称为模／数转换器(Ａ／Ｄ)，将数字量转换成模拟量的设备称为数／模转换器(Ｄ／Ａ)。 • 图9－1所示为具有模拟量输入、模拟量输出以及键盘、显示器、打印机等配置的89C51应用系统框图。为节省I/O口线，89C51片外扩展应尽量采用串行外设接口芯片。

  5. 图9－1 系统前向、后向人机通道配置框图

  6. 9.1 人机通道配置与接口技术 • 单片机应用系统通常都需要进行人机对话。这包括人对应用系统的状态干预与数据输入，还有应用系统向人显示运行状态与运行结果等。如键盘、 显示器就是用来完成人机对话活动的人机通道。

  7. 9.1.1 键盘接口及处理程序 • 键盘分编码键盘和非编码键盘。 • 键盘上闭合键的识别由专用的硬件译码器实现，并产生键编号或键值的称为编码键盘，如BCD码键盘、ASCII码键盘等；靠软件识别的称为非编码键盘。

  8. 键盘中每个按键都是一个常开开关电路，如图9-2所示。键盘中每个按键都是一个常开开关电路，如图9-2所示。 当按键K未被按下时，P1.0输入为高电平；当K闭合时，P1.0输入为低电平。 图9-2 按键电路

  9. 通常按键所用的开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，电压信号波形如图9-3所示。通常按键所用的开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，电压信号波形如图9-3所示。 由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。 因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，如图9-3所示。抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5～10 ms。这是一个很重要的时间参数，在很多场合都要用到。 图9-3 按键时的抖动

  10. 键抖动会引起一次按键被误读多次。为了确保CPU对键的一次闭合仅做一次处理，必须去除键抖动。在键闭合稳定时，读取键的状态，并且必须判别；在键释放稳定后，再作处理。按键的抖动，可用硬件或软件两种方法消除。键抖动会引起一次按键被误读多次。为了确保CPU对键的一次闭合仅做一次处理，必须去除键抖动。在键闭合稳定时，读取键的状态，并且必须判别；在键释放稳定后，再作处理。按键的抖动，可用硬件或软件两种方法消除。 如果按键较多，常用软件方法去抖动，即检测出键闭合后执行一个延时程序，产生5～10 ms的延时；让前沿抖动消失后，再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按下。当检测到按键释放后，也要给5～10 ms的延时，待后沿抖动消失后，才能转入该键的处理程序。

  11. 1. 键盘结构 • 键盘可以分为独立连接式和行列式(矩阵式)两类，每一类按其译码方法又都可分为编码及非编码两种类型。这里只介绍非编码键盘。

  12. 1) 独立式非编码键盘接口及处理程序 • 独立式按键是指各按键相互独立地接通一条输入数据线，如图9-4所示。这是最简单的键盘结构，该电路为查询方式电路。 • 当任何一个键按下时，与之相连的输入数据线即被清0(低电平)，而平时该线为1(高电平)。要判别是否有键按下，用单片机的位处理指令十分方便。 • 这种键盘结构的优点是电路简单；缺点是当键数较多时，要占用较多的Ｉ／Ｏ线。 图9-4 独立连接式非编码键盘

  13. 图9-4所示查询方式键盘的处理程序比较简单。程序中没有使用散转指令，并且省略了软件去抖动措施，只包括键查询、键功能程序转移。P0F～P7F为功能程序入口地址标号，其地址间隔应能容纳JMP指令字节；PROM0～PROM7分别为每个按键的功能程序。图9-4所示查询方式键盘的处理程序比较简单。程序中没有使用散转指令，并且省略了软件去抖动措施，只包括键查询、键功能程序转移。P0F～P7F为功能程序入口地址标号，其地址间隔应能容纳JMP指令字节；PROM0～PROM7分别为每个按键的功能程序。

  14. 程序清单(设Ｉ／Ｏ为P1口)： START： MOV A，#0FFH；输入时先置P1口为全1 MOV P1,A MOV A，P1；键状态输入 PL1： JNB ACC.0,P0F；0号键按下转P0F标号地址 JNB ACC.1，P1F；1号键按下转P1F标号地址 JNB ACC.2，P2F；2号键按下转P2F标号地址 JNB ACC.3，P3F；3号键按下转P3F标号地址 JNB ACC.4，P4F；4号键按下转P4F标号地址 JNB ACC.5，P5F；5号键按下转P5F标号地址 JNB ACC.6，P6F；6号键按下转P6F标号地址 JNBA CC.7，P7F；7号键按下转P7F标号地址 LJMP START；无键按下返回

  15. P0F： LJMP PROM0 ┊ ┊ P1F： LJMP PROM1 ；入口地址表  P7F： LJMP PROM7 PROM0：… ；0号键功能程序 LJMP START ；0号键执行完返回 PROM1：… LJMP START  ┊ PROM7：… LJMP START 由程序可以看出，各按键由软件设置了优先级，优先级顺序依次为0～7。

  16. 2) 行列式键盘接口及工作原理 • 为了减少键盘与单片机接口时所占用I/O线的数目，在键数较多时，通常都将键盘排列成行列矩阵形式，如图9-6所示。 • 以图9-6所示的4×4键盘为例，说明行扫描法识别哪一个按键被按下的工作原理。

  17. 图9-6 4×4矩阵键盘接口图

  18. 首先判别键盘中有无键按下，由单片机Ｉ／Ｏ口向键盘送(输出)全扫描字，然后读入(输入)列线状态来判断。方法是： 向行线(图中水平线)输出全扫描字00H，把全部行线置为低电平，然后将列线的电平状态读入累加器A中。如果有按键按下，总会有一根列线电平被拉至低电平，从而使列输入不全为1。 • 判断键盘中哪一个键被按下是通过将行线逐行置低电平后，检查列输入状态实现的。方法是： 依次给行线送低电平，然后查所有列线状态，称行扫描。如果全为1，则所按下的键不在此行；如果不全为1，则所按下的键必在此行，而且是在与零电平列线相交的交点上的那个键。

  19. 线反转法示例程序 ： SMKEY：MOV P1，#0FH ；置P1口高4位为“0”、低4位为输入状态 MOV A，P1 ；读P1口 ANL A，＃0FH ；屏蔽高4位 CJNE A，＃0FH，HKEY ；有键按下，转HKEY SJMP SMKEY ；无键按下转回 HKEY： LCALL DELAY10 ；延时10ms，去抖 MOV A，P1 ANL A，＃0FH ； MOV B，A ；行线状态在B的低4位 CJNE A，＃0FH，WKEY ；确认有键按下，转判哪一键按下 SJMP SMKEY ； 是抖动转回 WKEY：MOV P1，＃0F0H ；置P1口高4位为输入、低4位为“0” MOV A，P1 ； ANL A，＃0F0H ；屏蔽低4位 ORL A，B ；列线状态在高4位，与行线状态合成于B中 … … ；键处理

  20. 2. 中断扫描方式 • 为了提高CPU的效率，可以采用中断扫描工作方式，即只有在键盘有键按下时才产生中断申请；CPU响应中断，进入中断服务程序进行键盘扫描，并做相应处理。中断扫描工作方式的键盘接口如图所示。

  21. 程序如下： ORG 0000H LJMP BEGIM ；转主程序 ORG 0003H LJMP WZD0 ；转外中断0程序 ORG 0013H LJMP WZD1 ；转外中断1程序 BEGIM： ORG 0100H MOV SP，60H ；设置堆栈 MOV R1，#00H ；R1存放键值 SETB IT1 ；设INT0、INT1为边沿触发 SETB IT0 SETB EA ；开中断 SETB EX0 SETB EX1 ┇ 键值处理程序（略） 其它主程序（略

  22. WZD0： PUSH PSW ；保护现场 PUSH A CLR EX0 ；关中断INT0 JNB P3.2，WZD01 ；再次确认是INT0中断吗 SETB EX0 ；不是，则恢复现场退出中断 POP A POP PSW RETI WZD01： MOV A，#01H ；置S1键的键值为1 MOV P1，#0FEH ；扫描P1.0 CALL QDDYS1 ；去抖动 JNB P3.2，KEYR1 ；是S1键则转移 INC A ；不是S1键，键值加1 MOV P1，#0FDH ；扫描P1.1，以下同P1.0类似 CALL ODDYS1 ；以下同P1.0类似（略） JNB P3.2，KEYR1 INC A MOV P1，#0FBH CALL QDDYS1 JNB P3.2，KEYR1 INC A MOV P1，#0F7H

  23. CALL QDDYS1 JNB P3.2，KEYR1 INC A MOV P1，#0EFH CALL QDDYS1 JNB P3.2，KEYR1 INC A MOV P1，#0DFH CALL QDDYS1 JNB P3.2，KEYR1 INC A MOV P1，#0BFH CALL QDDYS1 JNB P3.2，KEYR1 INC A MOV P1，#7FH CALL QDDYS1 JNB P3.2，KEYR1 LJMP KEYR2 ODDYS1：RET KEYR1： MOV R1，A ；将键值存入R1中 KEYR2： CLR IE0 ；清中断标志（因扫描中可能使IE0置位） SETB EX0 ；开中断INT0 POP A ；恢复现场 POP PSW RETI ；中断返回 WZD1： 外中断1程序与中断0相似（略）

  24. 9.1.2 LED显示器接口及显示程序 单片机应用系统中使用的显示器主要有: • 发光二极管显示器，简称LED(Light Emitting Diode)； • 液晶显示器，简称LCD(Liquid Crystal Display)； • CRT显示器

  25. 1. LED显示器结构原理 • 单片机中通常使用7段LED有共阴极和共阳极两种，如图9-11所示。 • 发光二极管的阳极连在一起的(公共端K0)称为共阳极显示器 • 阴极连在一起的(公共端K0)称为共阴极显示器。 • 一位显示器由8个发光二极管组成，其中，7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划(段)a～g，另一个小数点为dp发光二极管。 • 当在某段发光二极管上施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。为了保护各段LED不被损坏，须外加限流电阻。

  26. 以共阴极LED为例，如图9-11(a)所示，各LED公共阴极K0接地。若向各控制端a、b、…、g、dp顺次送入11100001信号，则该显示器显示“7.”字型。以共阴极LED为例，如图9-11(a)所示，各LED公共阴极K0接地。若向各控制端a、b、…、g、dp顺次送入11100001信号，则该显示器显示“7.”字型。 • 共阴极与共阳极7段LED显示数字0～F、“-”符号及“灭”的编码(a段为最低位，dp点为最高位)如表9-1所列。 图9-11 LED 7段显示器

  27. 表9-1 共阴极和共阳极7段LED显示字型编码表

  28. 2. LED显示器接口及显示方式 • LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。

  29. 1) LED静态显示方式 • 静态显示就是当显示器显示某个字符时，相应的段(发光二极管)恒定地导通或截止，直到显示另一个字符为止。 • LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极(公共端K0)接地；若为共阳极(公共端K0)，则接+5v电源。每位的段选线(a～dp)分别与一个8位锁存器的输出口相连，显示器中的各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定，相应锁存的输出将维持不变。 • 因此，静态显示器的亮度较高。这种显示方式编程容易，管理也较简单，但占用Ｉ／Ｏ口线资源较多。在显示位数较多的情况下，一般都采用动态显示方式。

  30. 2) LED动态显示方式 • 在多位LED显示时，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位Ｉ／Ｏ口控制。而共阴(或共阳)极公共端Ｋ分别由相应的Ｉ／Ｏ线控制，实现各位的分时选通。图9-12所示为6位共阴极LED动态显示接口电路。 • 图9-12 6位LED动态显示接口电路图9-13 6位动态扫描显示状态 图9-12 6位LED动态显示接口电路

  31. 例如，要求显示“E0－20”时，I/O口1和I/O口2轮流送入段选码、位选码及显示状态如图9-13所示。段选码、位选码每送入一次后延时1 ms，因人眼的视觉暂留时间为０．１ s(100 ms)，所以每位显示的间隔不必超过20 ms，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果，给人看上去每个数码管总在亮。这种方式称为软件扫描显示。 图9-13 6位动态扫描显示状态

  32. 3. LED显示器与89C51接口及显示子程序 • 图9-14图中，P0口输出段选码，P1口输出位选码，位选码占用输出口的线数决定于显示器位数，比如6位就要占6条。 • 75452(或7406)是反相驱动器(30 V高电压，OC门)，这是因为89C51 P1口正逻辑输出的位控与共阴极LED要求的低电平点亮正好相反，即当P1口位控线输出高电平时，点亮一位LED。 • 7407是同相OC门，作段选码驱动器。 • 逐位轮流点亮各个LED，每一位保持1 ms，在10～20 ms之内再一次点亮，重复不止。这样，利用人的视觉暂留，好像6位LED同时点亮一样。 • 扫描显示子程序流程如图9-15所示。

  33. 图9-14 6只LED动态显示接口

  34. 图9－15 DIS显示子程序流程图

  35. DIS显示子程序清单如下： DIS： MOV R0，#7EH；显示缓冲区末地址→R0 MOV R2，#01H；位控字，先点亮最低位（右边） MOV A，R2 MOV DPTR，#TAB；字型表头地址→DPTR LP0： MOV P1，A MOV A,@R0；取显示数据 MOVC A,@A+DPTR；取出字形码 MOV P0，A；送出显示 ACALL D1MS；调延时子程序 DEC R0；数据缓冲区地址减1 MOV A，R2 JB ACC.5,LP1；扫描到最左面的显示器了吗? RL A；没有到，左移1位 MOV R2，A AJMP LP0 LP1： RET TAB： DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH DB 7DH，07H，7FH，6FH，77H，7CH DB 39H，5EH，79H，71H，40H，00H D1MS： MOV R7，#02H；延时1 ms子程序 DL： MOV R6,#0FFH DL1： DJNZ R6，DL1 DJNZ R7，DL RET

  36. 4.LED显示器与8255接口及显示子程序

  37. DIR:MOV A,#10000000B ；设置8255的工作方式,A、B口为输出 MOV DPTR,#0FFFFH ；8255的命令口地址送DPTR MOVX @DPTR,A MOV R0,#50H ；50H-57H为显示缓冲区 MOV R3,#7FH ；第1位的位选码 MOV A,R3 SCAN:MOV DPTR,#0FFFDH ；指向B口 MOVX @DPTR,A ；位选码送B口 MOV A,@R0 ；取显示数据 MOV DPTR,#TAB ；取字形码表首址 MOVC A,@A+DPTR ；取字形码 MOV DPTR,#0FFFCH ；指向A口 MOVX @DPTR,A ；字形码送A口 ACALL DL1ms ；调延时1ms子程序 INC R0 ；指向下一显示数据单元 MOV A,R3 JNB ACC.0,ED ；8位显示完,退出 RR A ；指向下一位 MOV R3,A AJMP SCAN ；继续显示下一位 ED: RET TAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H ； 共阴0～F的字型码表 DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH DL1ms:MOV R7,#01H ；延时1ms子程序 DL0:MOV R6,#0FFH DL1:DJNZ R6,DLI; DJNZ R7,DLO RET

  38. 9.2 前向通道中的Ａ／Ｄ转换器及接口技术 • 模／数（Ａ／Ｄ）转换电路的种类有：计数比较型、逐次逼近型、双积分型等等。 • 逐次逼近型Ａ／Ｄ转换器，在精度、速度和价格上都适中，是最常用的Ａ／Ｄ转换器件。 • 双积分Ａ／Ｄ转换器，具有精度高、抗干扰性好、价格低廉等优点，但转换速度低。 • 串行输出的A/D芯片由于节省单片机的I/O口线，越来越多地被采用。如具有SPI三线接口的TLC1549、TLC1543、TLC2543、MAX187等，具有2线I2C接口的MAX127、PCF8591（4路8位A/D，还含1路8位D/A)等。

  39. 9.2.1 逐次逼近型并行输出Ａ／Ｄ转换器及接口 • ADC0809 A/D转换器芯片 • 图9-27所示为ADC0809的引脚图及内部逻辑结构图。 • 它由8路模拟开关、8位A／Ｄ转换器、三态输出锁存器以及地址锁存译码器等组成。 图9-27 ADC0809结构

  40. 引脚功能说明如下： • IN0～IN7:8个输入通道的模拟输入端。 • D0～D7:8位数字量输出端。 • START:启动信号，加上正脉冲后，A/D转换开始进行。 • ALE:地址锁存信号。由低至高电平时，把三位地址信号送入通道号地址锁存器，并经译码器得到地址输出，以选择相应的模拟输入通道。 • EOC:转换结束信号，是芯片的输出信号。转换开始后，EOC信号变低；转换结束时，EOC返回高电平。这个信号可以作为Ａ／Ｄ转换器的状态信号来查询，也可以直接用作中断请求信号。 • OE:输出允许控制端（开数字量输出三态门）。 • CLK:时钟信号。最高允许值为640 kHz。 • VREF+和VREF-:A/D转换器的参考电压。 • VCC:电源电压。由于是CMOS芯片，允许的电压范围较宽，可以是+5～+15V。 • 8位模拟开关地址输入通道的关系见表96。

  41. 表9-6 8位模拟开关功能表 ADC0809的时序图见图9-28 图9-28 ADC0809的时序图

  42. 2. ADC0809与89C51接口 • ADC0809与89C51连接可采用查询方式，也可采用中断方式。图9-29为中断方式连接电路图。由于ADC0809片内有三态输出锁存器，因此可直接与89C51接口。 图9-29 ADC0809与89C51的连接

  43. 3. 8路巡回检测系统 【例9-3】某粮库或某冷冻厂需对8点(8个冷冻室或8个粮仓)进行温度巡回检测。要求设计一个单片机巡回检测系统，使其能对各冷冻室或各粮仓的温度巡回检测并加以处理。设被测温度范围为-30～+50℃，温度检测精度要求不大于±1℃。 将读数依次存放在片外数据存储器A0H～A7H单元。其主程序和中断服务程序如下： 主程序： MAIN： MOV R0,#0A0H；数据暂存区首址 MOV R2,#08H；8路计数初值 SETB IT1；脉冲触发方式 SETB EA；开中断 SETB EX1 MOV DPTR，#7FF8H；指向0809首地址 MOVX @DPTR，A；启动Ａ／Ｄ转换 HERE：SJMP HERE；等待中断

  44. 中断服务程序： MOVX A,@DPTR；读数 MOVX @R0,A；存数 INC DPTR；更新通道 INC R0；更新暂存单元 DJNZ R2，DONE RETI DONE：MOVX @DPTR,A RETI

  45. 9.2.2 3 位双积分A/D转换器及接口技术 • 适用于单片机接口的有3 位双积分A/D转换器 MC14433(精度相当于11位二进制数)和4 位双积 分A/D转换器ICL7135(精度相当于14位二进制数)。

  46. 1. MC14433芯片介绍 • MC14433主要特性参数如下： • 转换精度具有±1/1 999的分辨率或读数的±0.05％±1个字(相当于11位二进制数)； • 电压量程分1.999 V和199.9 mV两档； • 转换速度为3～10次／秒，相应的时钟频率变化范围为50～150 kHz； • 输入阻抗大于100 MΩ； • 基准电压取2 V或200 mV(分别对应量程为1.999 V或199.9 mV)； • 具有过量程和欠量程输出标志； • 片内具有自动极性转换和自动调零功能； • 转换结束输出经过多路调制的BCD码； • 工作电压范围为±4.5～±8 V或9～16 V； • 当电源为±5 V时，典型功耗为8 mW。

  47. MC14433为24脚双列直插式封装，其引脚如图9-30所示。引脚功能介绍如下：MC14433为24脚双列直插式封装，其引脚如图9-30所示。引脚功能介绍如下： • VAG(1脚) ：模拟地。 • VREF(2脚)：基准电压输入端。 • VX（3脚)：被测电压输入端。 • R1、R1/C1和C1（4～6脚）：外接积分阻容元件，4脚和6脚为输入线，5脚为积分波形输出端。若时钟为66 kHz，R1为470 kΩ(2 V)或27 kΩ(200 mV)时，一次转换的时间约为250 ms。 • C01和C02（7和8脚）：外接失调补偿电容。通常取0.1μF。 • DU(9脚)：定时输出控制端。若输入一个正脉冲，则使转换结果送至结果寄存器。 图9-30 MC14433的引脚图

  48. EOC(14脚)：一次转换结束标志输出。每一次A/D转换结束时便输出一个正脉冲，其宽度为时钟周期的1/2。若把9脚和14脚相连接，则每次转换结束都送到输出锁存器。在实际电路中常把它们相连。EOC(14脚)：一次转换结束标志输出。每一次A/D转换结束时便输出一个正脉冲，其宽度为时钟周期的1/2。若把9脚和14脚相连接，则每次转换结束都送到输出锁存器。在实际电路中常把它们相连。 • CLKI和CLKO(10和11脚)：时钟信号输入、输出端。通常外接一个300 KΩ左右的电阻。 • OR(15脚)：过量程标志。当｜Vｘ｜＞VR时，输出低电平。 • DS4～DS1(16～19脚)：个、十、百、千位选通特征位输出信号，宽度为18个时钟周期。当DS1＝1时，Ｑ３～Ｑ０输出为千位数；DS2＝１时，Ｑ３～Ｑ０输出为百位数……。 • Q3～Q0(２３～２０脚)：经Ａ／Ｄ转换后的BCD码结果输出端。 • VEE(12脚)：负电源，为电路最低电平端。 • VSS（13脚）：输出低电平基准，为数字地或称系统地。 • VDD（24脚)：正电源。若VSS＝VAG，则输出幅度为VAG ～ VDD ；若VSS ＝VEE，则输出幅度为VEE～ VDD 。 • 图931为MC14433的转换输出时序。

  49. 图9-31 MC14433选通脉冲时序

  50. DS１＝１时，Q3Q2Q1Q0输出过量程、欠量程、千位和极性标志的编码如表9-7所列。DS１＝１时，Q3Q2Q1Q0输出过量程、欠量程、千位和极性标志的编码如表9-7所列。 • 由表9-7可知，Q3在Q0=0时，表示千位数的内容： Q3=0，千位为1；Q3=1，千位为0。Q3在Q0=1时，表示过、欠量程： Q3=0，表示过量程；Q3=1表示欠量程。当量程选为1.999 V时，过量程表示被测信号大于1.999 V；欠量程表示被测信号小于0.179 V。Q2表示被测信号的极性： Q2=1，为正极性；Q2=0，为负极性。 表9-7 DS1选通时Q0～Q3表示的输出结果

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