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1、7 单片机I/O扩展及应用,教学基本要求： （1）了解单片机I/O扩展的原因； （2）熟悉单片机I/O的控制方式及编址技术； （3）熟悉单片机I/O的直接应用及简单扩展的方法；教学重点： （1）8255与MCS-51单片机的接口方法； （2）单片机矩阵式键盘接口技术； （3）单片机LED显示器动态扫描接口技术； 教学难点： 键盘扫描子程序、LED显示子程序的设计。,7.1 单片机为什么需要I/O扩展,7.1.1 I/O口的直接使用MCS-51单片机具有4个并行I/O口（P0P3），利用这些口可实现一些简单的数据输入输出传送。 （1）数据的无条件传送例：从P1.3P1.0输入开关状态，再从P1.
2、7P1.4输出去驱动发光二极管，使其显示开关的状态。 解：电路原理图如图所示：程序流程框图：程序清单：,ORG 0000HMAIN：MOV A， #OFH； 熄灭发光二极管MOV P1， A；MOV A， P1； 读输入开关状态CPL A； 状态取反ANL A， #0FH； 屏蔽A的高半字节SWAP A； A的高低半字节交换MOV P1， A； 开关状态输出END,7.1.2 为什么要扩展I/O接口,（1）单片机本身接口功能有限（a）因为单片机片内口电路中，只有数据锁存和缓冲功能，而无状态寄存和命令寄存功能，难以满足复杂的I/O操作要求；（b）MCS-51单片机口线有限。 （2）单片机控制应用
3、中的复杂接口要求在单片机系统中，存在两类数据传送操作，一类是单片机与存储器之间的数据读写操作；另一类则是单片机与其它设备之间的数据输入/输出（I/O）操作。前者的连接较为简单，而后者的数据输入/输出（I/O）操作却十分复杂，表现在以下几个方面：,（a）外部设备的工作速度快慢差异很大，CPU无法按固定的时序与它们以同步方式协调工作；（b）外部设备种类繁多，数据传送无法按统一格式进行；（c）外部设备数据传送方式多样化。主要是由于传送距离有远近之分，因此就有串行、并行传送之分。 （3）扩展I/O接口电路的功能（a）速度协调； （b）输出数据锁存；（c）输入数据三态缓冲；（d）数据转换：A / D、D
4、/A转换，串一并，并一串转换。,7.1.3 I/O扩展的相关技术,（1）接口与端口 （a）接口（Interface）：是指计算机与外设之间在数据传送方面的联系，通过电路实现，也称接口电路。它通常含有：1）数据寄存器，用于保存输入/输出数据；2）状态寄存器，用于保存外设的状态信息；3）命令寄存器，用于保存CPU有关数据传送的控制命令。以上各寄存器均为可读/写的编址寄存器，具有确定的地址，CPU可对其进行读/写操作 （b）端口：指接口电路中，已被编址并能进行读/写操作的寄存器，简称口。,（2）数据总线隔离技术 （a）采用隔离技术的原因 主要是由于数据总线上连接着多个数据源设备（输入数据）和多个数据
5、负载（输出数据），但在任一时刻，只能进行一个源和一个负载之间的数据传送。因此，必须使其它不参与的设备在电性能上与数据总线隔开。（b）实施方法：对于输出设备的接口电路：数据锁存器。当允许接收输出数据时闩锁打开；当不允许接收输出数据时闩锁关闭。对于输入设备的接口电路：三态缓冲器或集电极开路电路。,（c）三态缓冲器三态（高、低电平状态，高阻抗状态）输出的门电路，也称 三态门TSL，具有驱动和隔离两种功能，其工作状态是可控的。三态缓冲器逻辑符号 三态缓冲器的控制逻辑如下表：,（d）集电极开路门（OC门）由基本与非门得到，只需把集电极回路中电阻取消，让集电集开路即可，具有反相开路门，与非开路门及与或非开
6、路门等多种。在使用时，需在输出端与电源之间外接一个上拉电阻。 （3）单片机I/O编址技术单片机系统中存在两个需要编址的子系统：一个是存储器，主要是对存储单元进行编址；另一个是接口电路中的寄存器（可编址端口），主要是对可编址端口进行编址，也称I/O编址。常用I/O编址方式：独立编址方式和统一编址方式。,（a）独立编址方式所谓独立编址，就是把I/O和存储器分开进行编址。优点：I/O和存储器地址空间相互独立。缺点：除存储器读/写指令外，还要设置一套I/O指令及控制信号。 （b）统一编址方式 所谓统一编址，就是把系统中的I/O和存储器统一进行编址。优点：无需专门I/O指令，I/O地址范围不受限制。缺点
7、：使存储器地址空间缩小，地址译码复杂。 MCS-51单片机采用统一编址方式。因此接口电路中I/O地址与存储单元地址长度相同（16位二进制数）。,7.1.4 单片机I/O控制方式,在单片机系统中，实现数据的输入/输出传送，通常使用无条件传送方式、查询方式和中断方式三种。 （1）无条件传送方式 单片机不需测试外设状态，随时可以与外设进行数据传送操作。如开关、LED等外部设备。无条件传送的接口电路如图所示： （2）查询方式 即数据传送是有条件的，单片机在传送数据之前，需测试外设的状态（查询），它是一种软硬件结合的数据传送方式。查询流程框图如图所示：,（3）中断方式 也称程序中断方式，它与查询方式的主
8、要区别在于如何知道设备是否为数据传送作好了准备，查询方式是单片机的主动形式，而中断方式则是单片机等待通知（中断请求）的被动形式。中断方式数据传送示意图：,7.2 单片机简单I/O扩展,利用中、小规模集成电路芯片实现的单片机I/O扩展。 7.2.1 简单输入口扩展只用于解决数据输入的缓冲问题，因此，简单输入接口的扩展就是扩展数据缓冲器。典型芯片：74LS244，245 7.2.2 简单输出口扩展主要用于进行数据保存，因此，简单输出口的扩展就是扩展数据锁存器。典型芯片：74LS377、273、373,例：采用74LS244作为扩展输入、74LS273作为扩展输出的简单I/O口扩展。解：简单I/O口
9、扩展电路如图所示： （1）芯片及连线说明74LS244为8缓冲线驱动器，为低电平有效的使能端。74LS273为8D触发器，为低电平有效的清除端。当CLR=0时，输出全为0且与其它输入端无关；CP端是时钟信号，当CP由低电平向高电平跳变时刻，D端输入数据传送到Q输出端。P0口作为双向8位数据线，既能够从74LS244输入数据，又能够从74LS273输出数据。输入控制信号由P2.0和/RD相“或”后形成。当二者都为0时，74LS244的控制端有效，选通74LS244，外部的信息输入到P0数据,总线上。当与74LS244相连的按键都没有按下时，输入全为1，若按下某键，则所在线输入为0。输出控制信号由
10、P2.0和/WR相“或”后形成。当二者都为0后，74LS273的控制端有效，选通74LS273，P0上的数据锁存到273的输出端，控制发光二极管LED，当某线输出为0时，相应LED亮。 （2）I/O口地址确定因为74LS244和74LS273都是在P2.0为0时被选通的，所以二者的口地址都为FEFFH。 （3）程序设计 CONT：MOV DPTR， #0FEFFH； 数据指针指向口地址MOVX A， DPTR； 检测按键，向74LS244读入数据MOVX DPTR，A； 向74LS273输出数据，驱动LEDSJMP CONT ； 循环,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,A0,2,A1,
11、3,A2,4,A3,5,A4,6,A5,7,A6,8,A7,9,B0,18,B1,17,B2,16,B3,15,B4,14,B5,13,B6,12,B7,11,E,19,DIR,1,74LS245,返回,单向传送,双向传送,返回,74ls373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块74ls373芯片，74ls373引脚排列图。,L低电平； H高电平；X不定态； Q0建立稳态前Q的电平；G输入端，与8051ALE连，高电平时：畅通无阻；低电 平时：关门锁存。OE使能端，接地。当G=“1”时，74LS373输出端1Q8Q与输
12、入端1D8D相同；当G为下降沿时，将输入数据锁存。,G是数据锁存控制端；当G=1时，锁存器输出端同输入端；当 G由“1”变为“0”时，数据输入锁存器中。OE为输出允许端；当OE=“0”时，三态门打开；当OE=“1”时，三态门关闭，输出呈高阻状态。,7 单片机I/O扩展及应用,教学基本要求： （1）掌握单片机键盘接口技术；教学重点： （1）单片机矩阵式键盘接口技术；教学难点： 键盘扫描子程序,7.6 MCS-51单片机键盘接口技术,7.6.1 单片机键盘和键盘接口概述 （1）键盘的功能：键盘是最常见的一种输入设备，用户通过键盘可以向CPU输入数据、地址和命令。 （2）键盘的分类：（a）键盘按照接
13、口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类。 编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别；非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。（b）键盘按照其结构可分为独立式键盘与矩阵式键盘两类。独立式键盘主要用于按键较少的场合；,矩阵式键盘主要用于按键较多的场合，也称行列式键盘。 （3）MCS-51单片机键盘接口方法及接口芯片：（a）利用单片机芯片本身的并行口；（b）利用通用接口芯片（8255、8155等）；（c）利用专用接口芯片8279。 （4）单片机键盘接口电路应完成的操作功能：（a）判定是否有闭合键；（b）确定闭合键的位置；（c）形成闭合键的键码；（d）排除多键、串键及去抖动。以上操作功能通常是以软硬件
14、结合的方式来完成的。,（5）单片机键盘按键的结构及特点：（a）单片机键盘按键的结构；单片机的键盘通常是由多个按键组成的，按键通常有两类：1）触点式开关按键：如机械式开关、导电橡胶式开关等；2）无触点式开关按键：如电气式按键，磁感应按键等；前者造价低，后者寿命长。单片机应用系统中最常见的是机械触点式开关按键。（b）机械触点式开关按键的功能及特点；1）机械触点式开关按键的功能：把开关按键机械上的通断关系转换成为电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的TTL逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相兼容。,2）机械触点式开关按键的特点：机械触点式开关按键的理想波形：见图机械触点式开关按键的实际波形：
15、见图机械开关特点：闭合时，不会马上稳定地接通。断开时，也不会一下子断开。即在闭合，断开的瞬间，均伴随有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键机械特性决定，一般为510ms，按键闭合稳定期长短由操作人员按键动作决定，一般为十分之几秒到几秒。,（6）按键的确认：键的闭合与否，反应在口线的电平上，即口线的电平是呈现高电平还是低电平状态。因此，可以通过口线电平高、低状态的检测，来确认按键是否按下。但如果在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错，即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，确保CPU对一次按键动作只确认一次按键，必须采取去抖动措施。 （7）
16、消除按键抖动的措施：具体措施可从硬件、软件两方面予以考虑。在键数较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖。,（a）硬件措施：,由两个与非门构成一个RS触发器，当按键未按下时，OUT1输出为“1”，OUT2输出为“0”。当按键按下时，则OUT1输出为“0”，OUT2输出为“1”。,即使在按键过程中产生抖动（在与非门输入端输入一串O或1），只要按键不返回原始状态，经双稳态电路之后，其输出为正规的矩形方波（即已消失抖动影响）。 （b）软件措施：在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的子程序，之后，再次检测该键的电平状态，如果该键电平仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按下。否则，认为无键按下；同理，在检测到该键释放后，也应采用相同的步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。 （8）按键的编码根据键盘结构的不同，采用不同的编码方式。,
