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1、2.3 8位流水灯任务三 8位流水灯2.3.1 任务内容 流水灯在我们的日照生活中有着非常多的应用，如广告牌的设计和节日彩灯的设计都用到它的原理。本节的任务是把开发板上的8个发光二极管依次点亮。另外一IO口接外部电平，高电平时流水灯从左向右依次点亮，低电平时流水灯从右向左依次点亮。2.3.2 知识准备1、单片机IO的构造在上一单元中发光二极管闪烁的实例中，I/O控制小灯闪烁，只需在Keil中对I/O写0、和写1就可以了，使用起来非常简单。但是在实际应用中如果不了解I/O的特点，设计的电路存在缺陷，I/O应用起来未必会得心应手。初学者不必深究I/O控制原理，但至少得弄明白几个基本的概念，这对后期
2、学习高档单片机也很有帮助。在I/O构造电路中，有三极管（实际上是MOS管）、锁存器等，我们先来学习一下这两个基本器件的特点。（1） 三极管在I/O构造电路中，有一个器件是MOS管，I/O能对外输出高低电平全依赖MOS管的导通与否。MOS管和三极管在外特性很相像，由于我们更熟悉三极管，所以这里讲解三极管。三极管是模拟电路和数字电路的基石。在模拟电路中，三极管主要用于放大弱信号。在数字电路中，三极管更多作为开关管来使用。三极管的基本结构是两个反向联结的的PN接面，如图所示，有NPN和PNP两种组合。三个接出来的端点依次被称为发射极（E）、基极（B）和集电极（C）。图中也显示了NPN和PNP三极管的
3、电路符号，射极被特别标出，箭头由外指向内的是NPN，由内指向外的是PNP。 PNP三极管 NPN三极管图2.3.1 PNP三极管和NPN三极管NPN三极管电流由基极和集电极流入，发射极流出；而PNP三极管则相反，从发射极流进，从基极和集电极流出。不管是NPN三极管还是PNP三极管，都满足这样几个特性：三个极之间的电流的关系为：流进的=流出的，即IB+IC=IE。：Ic大小跟Ib有关：Ib为0，则Ic也为0；Ib从0开始增大，Ic也跟着增大，而且在这一过程中，Ic=Ib，其中 为放大倍数，不同三极管 不一样，从几十到几百倍；当Ic的值到了极限时，Ib再增大，Ic也不再跟着增大了。：基极和发射极之
4、间可以等效成一个二极管，要获得基极电流，基极电压要高于发射极电压0.60.7V，而且一旦导通之后，这个电压基本保持不变。三极管本质上是一个以弱控强的器件，大家可以想象一下用一个阀门控制大坝匝门的情形。当阀门关闭时，大坝匝门也关闭，水流就不能从上游流到下游去，对应三极管，即没有IB，则也没有IC，这一区域称为“截止区”；转动阀门，大坝的匝门也跟着开启，阀门拧的圈数越多，匝门的开合度也越大，从上游到下游的水流也越大，对应三极管，则为Ic= Ib，这一状态称为“放大区”；当大坝匝门完全开启，再拧阀门，匝门的开合度已经到了最大值，水流不能再增大了，对应三极管，即当Ic的值到了极限时，Ib再增大，Ic也
5、不再跟着增大了，这一区域称之为“饱和区”。下面结合图2.3.2的电路通过实验对三极管的三个区做一下测试。 （a）实验原理图 （b）在面包板上实验测数据 图2.3.2 三极管特性实现电路讲究理论与实践的统一，说白了就是在学完理论后，只要有条件，一定要动手做实验，来验证理论的正确性，这样才会真正理解电路的特性。对于一些简单的实验，推荐使用如图2.3.2所示的面包板板来验证。图中三极管型号为较为常用的直插中小功率NPN三极管8050，VCC=5V。基极限流电阻Rb,阻值10K，集电极电阻RC阻值510。三极管的基极电压由3296电位器提供，通过旋转电位器，不断调整A点电位，让A点电位以0.2V的步进
6、升高，从0V到5V，然后用万用表测试A点、B点和C点电压，Ib=（Ua-Ub)/Rb，Ic=(VCC-Uc)/Rc，=Ic/Ib。 表2.3.1 三极管实现数据表Ua(V)Ub(V)URb（V）Ib(uA)Uc(V)URc(V)Ic(uA)0.2030.2030050000.4010.4010050000.5980.5560.0420.5674.9840.01631.37255.30.8120.620.1922.5944.7220.2785452101.0030.6380.3654.9324.4060.59411652361.2010.6480.5537.4734.0910.909178223
7、81.3990.6550.74410.0543.7851.21523822391.6020.6620.9412.7023.4551.54530292382.0010.6711.3312.7922.8022.19843092392.4030.6781.72523.3112.1712.82955472362.7990.6862.11328.5541.5663.43467332363.2060.6922.51433.9720.9614.03980782383.6020.6982.90439.2430.4124.58889962294.0030.7023.30144.6080.1714.8299468
8、2124.2010.7023.49947.2830.1434.85795232014.3920.7033.68949.8510.1354.86595391914.5970.7033.89452.6210.1324.86895451814.7970.7034.09455.3240.1294.87195501734.9850.7034.28257.8640.1244.8769560165当A点电压0.598V时（A点电压为0.203V和0.401V），B点电压和A点电压相同，C点电压与电源VCC相同，这说明在这段区间内，基极电流为0（电阻Rb上没有压降），集电极电流也为0（电阻Rc上没有压降）。这
9、段区域我们称之为截止区。当A点电位超过0.6V后，基极和集电极都有电流，而且在一段区间内，随着输入电压的提高，集电极电流和基极电流都跟着升高，但其比值是不变的（=238）。三极管的输出端满足VCC=Ic*Rc+UCE，URc升高，UCE下降，这段区域我们称之为放大区，Ic=Ib。由关系式VCC=Ic*Rc+UCE可以看出，随着Ic的增大，UCE减低，当UCE接近0V时，Ic到达最高值，再往后，集电极电流不再跟随基极电流变化。从实验数据可以看出，A点电压超过4V后，C点电位下降至0.1V后，集电极电流和基极电流不再成比例关系。这段区域我们称之为饱和区。基极电流再升高，UCE间始终存在0.1V左右
10、的电压，我们称之为饱和压降。 在单片机应用电路中，三极管作为开关管来使用，三极管工作于截止区和饱和区。在截止区时，三极管的CE之间如同一个开关断开时，CE之间没有电流通过；而在饱和区时，三极管的CE之间如果一个开关导通一样，CE之间以最大电流通过，所以我们把三极管工作于这两个区的状态称之为开关。（2）D触发器在实际的数字系统中往往包含大量的存储单元，而且经常要求他们在同一时刻同步动作，为达到这个目的，在每个存储单元电路上引入一个时钟脉冲（CLK）作为控制信号，只有当CLK到来时电路才被“触发”而动作，并根据输入信号改变输出状态。把这种在时钟信号触发时才能动作的存储单元电路称为触发器。D触发器是
11、触发器的一种。图2.3.2是D触发器的内部构造图。 图2.3.2 D触发器内部构造D触发器的方程为Q=D，即输出Q的值等于输入D的值，但这种情况只发生在时钟的上升沿。在时钟上升沿到来之前，即使输入发生改变，输出也不会立即改变。（3）P1口、P2口和P3口的内部构造51单片机的P1口、P2口和P3口的构造大同小异，在这里暂且把他们当成是同一类型。图2.3.3中是这些I/O口的内部构造图。在图2.3.3中，P1、P2、P3口输出端是一个接上拉电阻的MOS管，漏极输出，考虑到初学者对MOS管不太熟悉，而MOS管和三极管的外特性相似，我们暂且把MOS管当成是NPN型的三极管来讲解，即图中三极管发射极接
12、地，集电极输出电平。我们要把I/O口置成高电平，需要在程序中对I/O口写“1”，D锁存器的输入端为高电平“1”，则D触发器的反相输出端输出低电平，则NPN三极管截止，输出端对外呈现高电平；反之，当我们在程序中写“0”,D触发器的反相端输出高电平，三极管饱和导通，输出低电平。因内部上拉电阻R的阻值较大，所以称之为弱上拉输出。图2.3.3 P1、P2和P3口的内部构造（4）P0内部构造图2.3.4是P0口的内部构造图。与P1、P2和P3口相比，P0口构造比较特殊。P0口既可以作为普通I/O口使用，也可以作为扩展存储器的地址/数据线使用。P0口怎样作为地址/数据总线来使用，我们暂且不要理会，但地址/
13、数据总线的输出形式值得一提，从图上可以看出，MUX开关打向上边，IO作为地址/数据用，MOS管T1和T2轮流导通，这种形式成为推挽输出。这种双管轮流导通的方式是AVR/PIC等单片机I/O口输出的主要形式，输出和输入都具有大电流。P0口用作普通I/O时，MUX开关打向D锁存器的输出端，D锁存器只能控制MOS管T2，对MOS管T1不起作用，MOS管T1截止。P0口用作普通I/O时，和P1、P2和P3口类似，不同之处在于，由于MOS管T1截止，MOS管T2没有电源和上拉电阻，即T2漏极开路，。所以P0口作为普通IO使用，还需在P0口的外部接上拉电阻。我们的开发板上外接了5.1K的排阻。 图2.3.
14、4 P0口内部构造 图2.3.4 P0口内部构造 2、拉电流与灌电流 拉电流和灌电流是衡量数字电路输出驱动能力的参数。数字电路的输出只有高、低（即“0”和“1”）两种电平值，高电平输出时，一般是输出端对负载提供电流，其提供电流的叫“拉电流”；低电平输出时，一般是输出端要吸收负载的电流，其吸收电流的叫“灌电流”。如图2.3.5所示。P2.1置“0”，低电平，电流从电源VCC经负载流入P2.1，称之为“灌电流”。P2.0置“1”，高电平，电流从芯片引脚P2.0流出，称之为“拉电流”。 图2.3.5 拉电流和灌电流灌电流越大，输出端MOS管的饱和压降就会越大，则输出低电平则会变高，数字电路的低电平是有一定限制的，它有一个最
