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1、第5章 I/O口应用-显示与开关/ 键盘输入,1,【内容概要】单片机利用片内的I/O口控制LED发光二极管、LED数码管、LCD显示，以及开关检测、键盘输入是单片机应用系统的基本功能。作为片内I/O口的基本应用，本章介绍单片机片内的I/O口与常见显示器件（发光二极管、LED数码管和LCD液晶显示器）和常见的输入器件（开关、键盘以及拨盘开关等）的接口设计与编程。,2,5.1 单片机控制发光二极管显示第2章介绍了单片机片内4个I/O端口P0口P3口的内部电路以及外部引脚特性。如果P0口作为通用I/O使用，由于漏极开路，需要外接上拉电阻。而P1P3口内部已有30k左右的上拉电阻。下面首先讨论P1P3
2、口如何与LED发光二极管连接。发光二极管常用来指示系统工作状态，制作节日彩灯、广告牌匾等。大部分发光二极管工作电流15mA之间，其内阻为20100。电流越大，亮度也越高。为保证发光二极管正常工作，同时减少功耗，限流电阻选择十分重要，若供电电压为+5V，则限流电阻可选13k。,5.1.1 单片机与发光二极管的连接单片机通过并行端口P1P3直接驱动发光二极管，电路如图5-1所示。 P0口与 P1、P2、P3口相比，P0口每位可驱动8个LSTTL输入，而P1P3口每一位的驱动能力，只有P0口的一半。当P0口的某位为高电平时，可提供400A的拉电流（见图5-1（a）；当P0口某位为低电平（0.45V）
3、时，可提供3.2mA的灌电流（见图5-1（b），而P1P3口内部有30k左右的上拉电阻，如果高电平输出，则从P1、P2和P3口输出的拉电流Id仅为几百A，驱动能力较弱，亮度较差，如图5-1（a）所示。,5,图5-1 发光二极管与单片机并行口的连接,如果端口引脚为低电平，能使灌电流Id从单片机的外部流入内部，则将大大增加流过的灌电流值，如图5-1（b）所示。所以，AT89S51单片机任何一个端口要想获得较大的驱动能力，要采用低电平输出。如果一定要高电平驱动，可在单片机与发光二极管之间加驱动电路，如74LS04、74LS244等。 5.1.2 单片机I/O端口控制发光二极管的编程发光二极管与单片机
4、的I/O端口的连接，如图5-1（b）所示。如要点亮某发光二极管，只需该I/O端口位写入“0”即可。下面通过一个例子介绍如何对I/O端口编程实现对发光二极管亮灭的控制。,6,【例5-1】制作一个单片机控制的流水灯，原理电路见图5-2，8个发光二极管LED0LED7经限流电阻分别接至P1口的P1.0P1.7引脚上，阳极共同接高电平。编写程序，每次点亮一个发光二极管，控制发光二极管由上至下的反复循环流水点亮。说明：本例采用了Proteus环境下的虚拟仿真，7.5版本元件库中没有AT89S51单片机，采用的是AT89C51来代替AT89S51，以下同。 参考程序如下：,7,8,图5-2 单片机控制的流
5、水灯,ORG 0100H START: MOV R2,#8MOV A,#0FEH ；FEH为点亮P1.0脚发光二极管需写入P1 ； 口的控口的控制码 LOOP: MOV P1,A ；控制码写入P1口，点亮相应的LEDLCALL DELAY ；调用延时子程序RL A ；控制码循环左移，点亮下一位DJNZ R2,LOOP ；判断左移是否超过8 位，未超过继续循环 LJMP START ；左移循环已8次，再重新进行下一次循环点亮 DELAY: MOV R5,#20 ；延时子程序，延时约0.2s D1: MOV R6,#20 D2: MOV R7,#248,9,D3: DJNZ R7,D3 ；R7不为
6、0则原地跳转DJNZ R6,D2DJNZ R5,D1RETEND 5.2 开关状态检测检测开关处于闭合状态还是打开状态，只需把开关一端接到I/O端口的引脚上，另一端接地，然后通过检测I/O端口引脚的电平来实现。【例5-2】 如图5-3所示，利用单片机、1个开关k和1个发光二极管LED，构成一个简单的检测开关k是否闭合的系统。图5-3中，开关k的一端接到单片机P3.0引脚上，并通过上拉电阻接到+5V上，开关的另一端接地，当开关打开时，P3.0引脚为高电平，当开关闭合时，P3.0引脚为低电平。单片机对开关状态的检测是由程序检测,10,图5-3 开关、LED发光二极管与P1口的连接,P3.0引脚的输
7、入电平是高还是低。当开关闭合，即P3.0脚为低电平；当开关打开，P3.0引脚为高电平。P1.0引脚接发光二极管的阴极LED，当开关k闭合时，LED点亮；开关打开时，LED熄灭。开关k与LED没有任何电气上的联系。 参考程序如下：ORG 0100H START: JB P3.0，NOLIG ；判P3.0高还是低，P3.0高，开关打开，跳NOLIGCLR P1.0 ；P3.0为低，开关闭合，则P1.0输出0，点亮LEDSJMP START NOLIG: SETB P1.0 ；开关为打开状态，P1.0置1，LED熄灭SJMP START ；返回END,5.3 单片机控制LED数码管的显示 5.3.1
8、 LED数码管显示原理LED数码管是常见的显示器件。LED数码管为“8”字型的，共计8段（包括小数点段在内）或7段（不包括小数点段），每一段对应一个发光二极管，有共阳极和共阴极两种，如图5-4所示。共阳极数码管的阳极连接在一起，公共阳极接到+5V上；共阴极数码管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。对于共阴极数码管，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极数码管的阳极连接在一起接+5V，当某个发光二极管的阴极接低电平时，该发光二极管被点亮，相应的段被显示。,13,14,图5-4 8段LED数码管结构及外形,为了使LED数码管显示不同的字符，要把某些段点亮，
9、就要为数码管的各段提供一个字节的二进制代码，即段码。习惯上以“a”段对应字型码字节的最低位。各种字符的段码如表5-1所示。如要在数码管上显示某一字符，只需将该字符的段码加到各段上即可。例如某存储单元中的数为“02H”，想在共阳极数码管上显示“2”，需要把“2”的段码“A4H”加到数码管各段。通常采用的方法是将欲显示的字符的段码作成一个表，根据显示的字符从表中查找到相应的段码，然后单片机把该段码输出到数码管的各个段上，同时数码管的公共端接+5V，此时在数码管上显示出字符“2”。,15,16,下面介绍单片机如何控制LED数码管显示字符的设计。 【例5-3】用单片机控制一个8段LED数码管，如图5-
10、5所示。要求数码管反复循环显示单个数字：09。,图5-5 控制数码管循环显示单个数字,图5-5中，采用了共阳极数码管，R1R7为限流电阻。单片机P0口输出段码，数码管的公共段接+5v。欲显示的数字09的字型码由于无规律可循，只能采用查表的方式来完成要求，这样可按着数字09的顺序，把每个数字的字型码按顺序排好，形成一个段码表。根据要显示的数字，查找到相应的段码，从而控制LED数码管显示相应的字符。读者通过本例应掌握段码查表程序的编写。参考程序如下：ORG 0100H START: MOV DPTR,#TABLE ；指针指向表头地址 S1: MOV A,#00H ；设置地址偏移量MOVC A,A+
11、DPTR ；查表取得段码,送ACJNE A,#01H,S2 ；判断A中段码是否为结束符01H，不是；则跳S2继续显示,18,LJMP START ；是结束符01H，重新从0开始显示 S2: MOV P0,A ；段码送LED显示LCALL DELAY INC DPTR ；指针加1LJMP S1 DELAY: MOV R5,#20 ；延时子程序 D2: MOV R6,#20 D1: MOV R7,#248 D3： DJNZ R7,D3DJNZ R6,D1DJNZ R5,D2RET,19,TABLE: DB 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99h,92h,82h,0f8h,80h,90h ；
12、共阳极数码管段码表DB 01H ；结束符END程序设计中，为达到反复循环显示数字09的目的，在段码表中设置了一个结束符01H，来控制反复循环显示。,20,5.3.2 LED数码管的显示方式 单片机控制LED数码管有两种显示方式：静态显示和动态扫描显示。 1. 静态显示方式静态显示就是指无论多少位LED数码管，都同时处于显示状态。多位LED数码管工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或接+5V）；每位数码管的段码线（adp）分别与一个单片机控制的8位I/O口锁存器输出相连。如果送往各个LED数码管所显示字符的段码一经确定，则相应I/O口锁存器锁存的段码输出将维持不变，直
13、到送入下一个显示字符的段码。因此，静态显示方式的显示无闪烁，亮度较高，软件控制比较容易。图5-6所示为4位LED数码管静态显示电路，各个数码管可独立显示，只要向控制各位I/O口锁存器写入相应的显示段码，该位就能保持相应的显,21,图5-6 4位LED静态显示的示意图,示字符。这样在同一时间，每一位显示的字符可以各不相同。但是，静态显示方式占用I/O口线较多。对于图5-6所示电路，要占用4个8位I/O口（或锁存器）。如果数码管数目增多，则还需要增加I/O口的数目。在实际的系统设计中，如果显示位数较少，可采用静态显示方式。但显示位数较多时，为了降低成本，一般采用动态显示方式。 2. 动态扫描显示方
14、式显示位数较多时，静态显示所占用的I/O口多，为节省I/O口与驱动电路的数目，常采用动态扫描显示方式。将所有LED数码管显示器的段码线的相应段并联在一起，由一个8位I/O端口控制，而各显示位的公共端分别由另一单独的I/O端口线控制。图5-7所示为一个4位8段LED数码管动态扫描显示电路的示意图。其中单片机向I/O（1）端口发出欲显示字符的段码，而显示器的位点亮控制,图5-7 4位LED数码管动态显示示意图,使用I/O（2）端口中的4位口线，来控制数码管公共端的电平，每一时刻，只有1位位选线有效，即选中某一位显示，其他各位位选线都无效，不显示。每隔一定时间逐位地轮流点亮各数码管（扫描），由于数码
15、管的余辉和人眼的“视觉暂留”作用，只要控制好每位数码管点亮显示的时间和间隔，则可造成“多位同时亮”的假象，达到4位同时显示的效果。 各位数码管轮流点亮的时间间隔（扫描间隔）应根据实际情况而定。发光二极管从导通到发光有一定的延时，如果点亮时间太短，发光太弱，人眼无法看清；时间太长，产生闪烁现象，而且此时间越长，占用单片机时间也越多。另外，显示位数增多，也将占用单片机的大量时间，因此动态显示的实质是以执行程序的时间来换取I/O端口数目的减少。为克服动态显示的弊病，可采用5.6.4小节介绍的专用的键盘/显示器芯片, 由芯片内部硬件扫描电路自动完成显示数据的扫描刷新。,25,5.3.3 LED数码管静态显示设计【例5-4】 用AT89S51设计一个2位LED数码管显示的 “秒表”， 显示时间为0099秒，每秒自动加1。原理电路如图5-8所示。电路采用单片机的P2口、P3口分别控制两个LED数码管作为“秒表”的时间显示。显示数字的段码采用查表方法。“秒”计时产生采用软件延时的方法。由本例可见，采用静态显示，需要一个数码管对应一个I/O端口。当数码管的数目较多时，需要占用较多的I/O端口。但是软件编程比较简单，只需向P2口、P3口输出显示数字的段码即可，且显示不闪烁。参考程序如下：,27,图5-8 2位LED数码管静态显示的秒表,
