《片机接口技术》PPT课件.ppt

1,第三章MCS-51单片机接口技术,MCS-51单片机具有四个8位并行I/O口,只有对于单片机8051/8751在不使用外扩展时,才能允许四个I/O口作为用户I/O口使用。但是,对于在多数使用8031以及使用8051/8751需外部扩展时,MCS-51单片机可提供给用户使用的I/O口只有P1口和P3口的部分口线,作为用户使用的I/O口线,可用为简单的I/O口应用。在大多数应用系统中,MCS-51单片机本身的I/O口线不能满足要求,必须进行I/O口的扩展,2,3.1MCS-51单片机接口技术概述,一、计算机为什么需要I/O接口电路？(1)外部设备的工作速度快慢差异很大慢速设备如开关、继电器、机械传感器等。每秒钟提供不了一个数据;而高速设备如磁盘、CRT显示器等,每秒可传送几千位数据。面对速度差异如此之大的各类外部设备,CPU无法按固定的时序与他们以同步方式协调工作。(2)外部设备种类繁多既有机械式的,又有机电式的。不同种类的外部设备之间性能各异对数据传送的要求也各有不同,无法按统一格式进行。,3,(3)外部设备的数据信号多种多样既有电压信号,也有电流信号,既有数字形式,还有模拟形式(4)外设和数据传送距离有远近不同有的使用并行数据传送,而有的则需要使用串行传送方式。正是由于上述原因,使数据的I/O操作变得十分复杂。无法实现外部设备与CPU进行直接的同步数据传送,而必须在CPU和外设之间设置一个接口电路,通过接口电路对CPU与外设之间的数据传送进行协调。因此接口电路就成了数据I/O操作的核心内容。,4,二、接口电路主要有如下几项功能,(1)速度协调由于速度上的差异,使得数据的I/O传送难以异步方式进行,即只能在确认外设已为数据传送作好准备的前提下才能进行I/O操作。而要知道外设是否准备好,就需要通过接口或产生或传送外设的状态信息,以此进行CPU与外设之间的速度协调。(2)数据锁存数据输出都是通过系统的公用数据通道(即数据总线)进行的。但是由于CPU的工作速度快,数据在数据总线上保留的时间十分短暂,无法满足慢速输出设备的需要。为此在接口电路中需设置数据锁存器。以保存输出数据直至为输出设备所接收。因此数据锁存就成为接口电路的一项重要功能。,5,(3)三态缓冲数据输入时,输入设备向CPU传送的数据也要通过数据总线,但数据总线是系统的公用数据通道,上面可能“挂”着许多数据源,工作十分繁忙。为了维护数据总线上数据传送的秩序”,因此只允许当前时刻正在进行数据传送的数据源作用数据总线,其余数据源都必须与数据总线处于隔离状态。为此要求接口电路能为数据输入提供三态缓冲功能。(4)数据转换CPU只能输入和输出并行的电压数字信号,但是有些外部设备所提供或所需要的并不是这种信号形式。为此需要使用接口电路进行数据信号的转换。其中包括:模数转换、数模转换、串并转换和并串转换等。,6,三、MCS-51单片机I/O扩展性能,单片机应用系统中的I/O扩展方法与单片机的I/O口扩展性能有关。1.在MCS-51单片机应用系统中,扩展的I/O口采取与数据存储器相同的寻址方法。所有扩展I/O口或相当于I/O口外设以及通过扩展I/O连接的外围设备均与片外数据存储器统一编址,任何一个扩展I/O口根据地址线的选择方式不同,占用一个片外RAM区域。而与外部程序存储器无关。2.利用MCS-51串行口的移位寄存器工作方式(方式0)也可以扩展I/O口,这时所扩展的I/O口不占用片外RAM地址。,7,3.MCS-51单片机的I/O口扩展主要是通过总线(P0)口扩展,利用P0口扩展时必须分时使用,要求P2口提供较多的片选线(供数据锁存和缓冲)及读/写线,必须注意P0、P2、P3的负载问题。4.扩展I/O口的硬件相依性。在单片机应用系统中,I/O的扩展不是目的,而是为外部通道及设备提供一个输入、输出通道。因此,I/O的扩展总是为实现某测、控及管理功能而进行的。例如联接键盘、显示器、驱动开关控制、开关量监测等。这样,在I/O扩展时必须考虑与之相连的外设硬件电路特性,如驱动功率、电平、干扰抑制及隔离等。,8,5.扩展I/O口的软件相依性根据选用不同的I/O口扩展芯片或外部设备时,扩展I/O口的操作方式不同,因而应用程序应有不同,如入口地址、初始化状态设置、工作方法选择等。例如,使用8255扩展的I/O口和使用8155扩展的I/O口,其状态设置及地址选择方式完全不同,必须按芯片规定的方式设置相应的操作指令。,9,四、I/O扩展方法,1.总线扩展方法扩展的并行口I/O芯片,其并行数据输入线取自MCS-51单片机接口。这种扩展方法只分时占P0口,不影响P0口与其它扩展芯片的连接操作,不会造成单片机硬件的额外开支。因此,在MCS-51单片机应用系统的I/O扩展芯片是TTL/MOS锁存器,三态门电路芯片。2.串行口扩展方法这是MCS-51单片机串行口在方式0工作状态下所提供的I/O的扩展功能。因此接上74LC164时,可以扩展并行输出口,而接上74LC165时,则可扩展并行输入。这种扩展方法只占串行口,而且通过移位寄存器的级联方法可以扩展多数量的并行I/O。对于不使用串行口的应用系统,可使用这种方法。但是由于数据的输入输出采用串行移位方法,传输速度较慢。,10,3.通过单片机内I/O的扩展方法这种方法的特征是扩展芯片输出输出的数据线不通过P0口而通过其他片内I/O口。这种方法在MCS-48单片机应用系统中使用较多,而在MCS-51单片机应用系统中使用较少。这是因为在MCS-51单片机应用系统中采取上述两种方法十分方便,而在片内I/O扩展I/O芯片时还要占用MCS-51单片机有限的片内I/O口资源。MCS-51单片机在扩展8243时,为了模拟8243的操作时序,不得不使用这种扩展方法。,11,五、数据总线隔离技术,1、为什么需要数据总线隔离技术？站在总线的角度上看,数据总线上连接着多个数据源设备(输入数据)和多个数据负载设备(输出数据)。但是在任一时刻、只能进行一个源和一个负载之间的数据传送,当一对源和负载的数据传送正在进行时,要求所有其它不参与的设备在电性能上必须同数据总线隔开。2、数据总线隔离方法对于输出设备的接口电路,要提供锁存器,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。而对于输入设备的接口电路,要使用三态缓冲电路或集电极开路电路。,12,3、三态缓冲电路三态缓冲电路就是具有三态输出的门电路,因此也称之为三态门(TSL)。所谓三态,是指低电平状态,高电平状态和高阻抗三种状态。当三态缓冲器的输出为高或低电平时,就是对数据总线的驱动状态;当三态缓冲器的输出为高阻抗时,就是对总线的隔离状(也称浮动状态)。在隔离状态下,缓冲器对数据总线不产生影响,犹如缓冲器与总线隔开一般。为此,三态缓冲器的工作状态应是可控制的,其逻辑符号如图所示。,13,4、对三态缓冲电路的主要性能要求:速度快,信号延迟时间短。例如典型三态缓冲器的延迟时间只有812(NS)；较高的驱动能力；高阻抗时对数据总线不呈现负载,最多只能拉走不大于0.04MA的电流。,14,六、I/O数据传送的控制方式,在计算机中,为了实现数据的输入输出传送,共有四种控制方式：1、无条件送方式无条件传送也称为同步程序传送。只有那些一直为数据I/O传送作好准备的外部设备,才能使用无条件传送方式。因为在进行I/O操作时,不需要测试外部设备的状态,可以根据需要随时进行数据传送操作。无条件传送适用于以下两类外部设备的数据输入输出:(1)具有常驻的或变化缓慢的数据信号的外部设备。例如:机械开关、指示灯、发光二极管、数码管等。可以认为它们随时为输入输出数据处于“准备好”状态。(2)工作速度非常快,足以和CPU同步工作的外部设备。例如数/模转换器DAC,由于DAC是并行工和的,速度很快,因此CPU可以随时向其传送数据,进行数/模转换。,15,2、程序查询方式查询方式又称之为有条件传送方式,即数据的传送是有条件的。在I/O操作之前,要先检测外设的状态,以了解外设是否已为数据输入输出作好了准备,只有在确认外设已“准备好”的情况下,CPU才能执行数据输入输出操作。通常把以程序方法对外设状态的检测称之为“查询”,所以就把这种有条件的传送方式称之为程序查询方式。为了实现查询方式的数据输入输出传送,需要接口电路提供外设状态,并以软件方法进行状态测试。因此这是一种软、硬件方法结合的数据传送方式。程序查询方式,电路简单,查询软件也不复杂,而且通用性强,因此适用于各种外部的设备的数据输入输出传送。但是查询过程对CPU来说毕竟是一个无用的开销,因此查询方式只能适用于单项作业、规模比较小的计算机系统。,16,3程序中断方式程序中断方式与查询方式的主要区别在于如何知道外设是否为数据传送作好了准备。查询方式是CPU的主动形式,而中断方式则是CPU等待通知(中断请求)的被动形式。采用中断方式进行数据传送时,当外设为数据传送作好准备之后,就向CPU发出中断请求(相当于通过CPU)。CPU接收到中断请求后,即作出响应,暂停正在执行的原程序。而转去为外设的数据输入输出服务。待服务完成之后,程序返回,CPU再继续执行被中断的原程序。程序中断方式,大大提高了系统的效率,不但速度快而且可以实现多道程序方式。所以在计算机中被广泛采用。但中断请求是一种随机事件。为实现程序中断,对计算机的硬件和软件都有较高的要求。此外,由于中断处理常需现场保护和现场恢复。因此，对CPU来说仍有较大的无用开销。,17,3.2MCS-51单片机接口及其应用,一、MCS-51单片机的并行接口MCS-51单片机的四个I/O都是8位双向口,这些口在结构和特性上是基本相同的,但又各具特点。P0口数据/地址总线P2口地址总线P3口双功能口P1口用户I/O口用于计算机三总线扩展和少量I/O口应用场合。,18,五、MCS-51单片机I/O口的应用,一、数据的无条件传送例1保险柜的模拟控制要求:如图所示,BCD码拨盘设置编码,若编码小于密码时,则二极管发光,以提醒操作者编码有误,可继续调节,直至编码与密码相符时,保险柜开启,若编码大于密码时,则报警,此时,调整编码无效。图中,开关K设在隐蔽处,只有K闭合,编码才能输入,从而增强了隐蔽性。,19,说明入口：P1.0P1.7编码输入、30H密码X出口：P3.0开启保险柜、P3.1状态指示、P3.2报警程序：ORGHSTART：MOVSP，#60HMOVP1，#0FFHMOVP3，#0FFHNEXT：MOVA，P1CJNEA，30H，NOTEQCLRP3.0ACALLDLYSJMPLOOP3NOTEQ:JCLOOP2LOOP1:CPLP3.2ACALLDLYSJMPLOOP1LOOP2:CLRP3.1SJMPNEXTLOOP3：SJMPLOOP3,20,2、中断方式的数据传送例2彩灯控制功能:采用外部中断方式(TNT0),每扳动一次开关,就产生一个外部中断请求,由左至右依次点亮各灯,点亮时间为5秒。硬件电路,21,如上图所示,P1.0P1.1作为输出,经驱动电路,控制彩灯,74LS00开关K构成外部中断请求信号电路,扳动一次K产生一个负脉冲,用于边沿触发方式,P3.7作为输出,产生周期为0.2秒的方波,作为计数器T0的计数脉冲,T0计数5次,完成1秒的定时。参考程序ORG0000HRESET：AJMPAMINORG0003HAJMPINT0ORG0100HMAIN：MOVSP，#60HMOVTMOD，#61HMOVTH1，#0FBHMOVTL1，#0FBHSETBIT0SETBEX0SETBEAHERE：SJMPHERE,22,INT0：MOVA，#01HMOVR7，#08HSETBTR1LOOP1：MOVP1，ALOOP2：MOVTH0，#3CHMOVTL0，#0B0HSETBTR0LOOP3：JBCTF0，LOOP4SJMPLOOP3LOOP4：CPLP3.0JBCTF1，LOOP5SJMPLOOP2LOOP5：SETBCRLCADJNZR7，LOOP1CLRTR0CLRTR1RETI,23,例3交通灯控制,东西方向南北方向P1.0红灯P1.3红灯P1.1黄灯P1.4黄灯P1.2绿灯P1.5绿灯,24,3.3用TTL芯片扩展简单的I/O接口,一、用74LS377扩展8位并行输出口图中,8031的P0口与74LS377的D端相联,与CP相连,P2.7作为74LS377的片选信号,当P2.7低电平有效时,在WR的上升边沿P0输出的数据将被74LS377锁存起来,并在Q端输出。74LS377的口地址为7FFFH,若将一个字节数据由74LS377输出,则执行下面程序:MOVDPTR,#7FFFH；地址指针指向74LS377MOVA，#DATA；待输出数据AMOVXDPTR，A；输出数据,25,二、用三态门扩展8位并行输入口对于常态数据的输入,只需采用8位三态门控制电路芯片即可。右图是用74LS244通过P0口扩展的8位并行输入口,图中,三态门由P2.6和相或控制,其数据输入使用以下几条指令即可:MOVDPTR,#0BFFFH；指向74LS244口地址MOVXA，DPTR；读入数据,26,三、应用举例,在这个例子中,扩展了一片273作8位并行数据的输出口,还扩展了一片244作8位并行数据的输入口。它们直接挂在数据总线上。扩展输出口(74LS273)的口址是FEFEH(实际只要保证P2.0=0即可),扩展输入口(74LS244)的口地址是FDFFH(必须保证P2.1=0)。,27,【实验】简单接口的扩展将74LS244的输入端接8个开关用来设置数据,将74LS273的输出端接8个LED用来显示数据,执行下面的程序,从244读取数据,然后送到273输出,驱动相应LED发光,执行结果:LED发光的情况应与开关所设相符。改变开关状态,LED的显示也作相应变化。实验程序:LOOP:MOVDPTR,#0FDFFHMOVXA,DPTR;从244输入数据MOVDPTR，#0FEFFHMOVXDPTR，A；向273输出数据ACALLDLY；延时SJMPLOOPDLY：；延时子程序RET,28,【实验快乐大本营】“用单片机玩乒乓球游戏”【2000级单片机应用课程设计范例之一】2000多年前，阿基米德说：“给我一根杠杆，我能撬动地球！”2000多年后，如果给你一块电路板，你能用它打乒乓球吗？TMS最新成果，50余行程序即可梦想成真,29,技术顾问:何希庆教授设计者：TMS组合马奎俊樊巍王伟功能简介：在电路板上模拟乒乓球游戏。趣味性强，老少咸宜。默认为右方发球，按照一定规则进行比赛并记录比分，可自动判断比赛是否结束。复位后可重新开始比赛。实施方案：1）8个LED显示乒乓球运动轨迹2）左右各一开关控制左右击球动作3）LED显示器显示比分游戏规则：一方发球后，乒乓球以一固定的速度向另一方运动（即依次点亮8个LED），接球方的击球动作应发生,30,在乒乓球到达本方最后一位发光二极管（即点亮）时间之内。若接球方在此一秒钟之内按键，则接球成功，接球方得分，LED显示器显示双方比分。乒乓球转为相反方向运动。此时，原接球方变为发球方，原发球方变为接球方。如接球方提前或滞后击球，则接球方失误，发球方得分，显示双方比分，并仍由原发球方发球。,31,当一方得分达到21，则由程序自动结束一局。复位后可重新开始一局。技术路线：如下图，P1口接8个LED，显示乒乓球的运动轨迹；P3.0及P3.1分别接左右方击球的控制开关,32,扩展功能：TMS组合本着顾客至上的宗旨，将尽力满足您的各种要求。如：只需将程序稍加改动，便可提供如下扩展功能：.通过改变乒乓球移动速度，来改变游戏的难易程度.加上裁判功能，决定左右方的发球权。.由游戏者自主决定每局的最大得分数。当然，您有什么特别的要求，请一定要告诉我们。您满意，我们才满足！联系方式：如有赞助商有意与我们合作，共促产品市场化，请联系我们：地址：济南市洪家楼5号邮编：250100公司：山东大学物理与微电子学院飞科公司Tel：0531-8377457（技术部）8377091（市营部）8376945（外务部）Email:mfw888联系人：马女士、樊先生、王先生,33,【2000级单片机应用课程设计范例之二】产品名称：电冰箱定时启动系统指导教师：何希庆教授设计者：张凤珍李建宏贾树新产品介绍：最近几年，冰箱早已成了千家万户必不可少的电器，在电费日渐飞涨的今天，冰箱的节能性便成为消费者选择冰箱的一个重要的考虑因素，冰箱节能系统的优劣将直接影响到冰箱的销量。许多厂家为此绞尽脑汁，但是，却没有开发出一套效果好，成本低的节能控制系统来。目前，市场上采用最多的诗文控系统-根据冰箱内温度的高低来控制压缩机的启动与否，这种系统初看确实节能，但由于控制系统的复杂性，其成本也较高，而且，由于冰箱内温度的变化在很大程度上受到外界多变的情况的影响，所以有时候会使压缩机在短时间内频繁启动，影响到压缩机的使用寿命，也必然会影响到产品的声誉，并且，压缩机在启动时往往是用电量大的时候，不必要的频繁启动，往往会造成用电量的增加。,34,现在，这一看似简单实则复杂的问题终于被我们的产品克服了，我们采用一种截然不同的思路让压缩机定时启动。这一思路看起来似乎非常的不可能，因为用定时启动的方法会令系统的适应性变得及其低下，如果系统不合理的话，不仅不能起到节能的作用，还会使得冰箱内的温度无法控制，最终影响到冰箱的整体性能。但是，我们所采用的定时措施是经过了严格的数学论证的，我们在作了大量的数据统计后，利用概率论的方法，计算出了比较完美的定时时间，在这套定时参数的控制下，压缩机工作时间的长短能比较好的满足冰箱正常制冷的要求，而且，因为采用的是定时系统，整个系统的价格低廉，并且很好的避免了压缩机的频繁启动的问题，大大延长了压缩机的使用寿命，在最大程度上达到了省电的目的。,35,方案：p1口接外部输入脉冲，若冰箱被打开即外部输入为高电平，则p3口输出为高电平，电冰箱自动启动系统启动；若冰箱一直关闭，当关闭时间达到40分钟时电冰箱自动启动系统启动，启动时间达到20分钟时电冰箱自动启动系统停止，如此反复直到有外部输入脉冲。程序设计：程序说明：p1-输入，p1.3=0表示冰箱一直关门，p1.3=1表示冰箱开门；p3-输出，p3.0=0压缩机关闭，p3.0=1压缩机启动；,36,控制系统的时间控制参数冰箱开门时：压缩机始终启动冰箱关门时：压缩机每停机40分钟开机20分钟市场建议价格：30元联系电话：0531-8753421联系人：张凤珍李建宏贾树新订货方式：Email:sdu.physics,37,还犹豫什么呢？既然“电冰箱定时启动系统”有如此明显的性能优势，把它装配到您的产品上一定会使您的产品在市场竞争中如虎添翼，由于它本身结构的简单性，它的安装电路也不复杂，您只需要将您产品的电路少作一点简化，就可以使“电冰箱定时启动系统”成为您产品的一部分，我们现在诚征合作商与我们共同享受市场竞争胜利的喜悦。电冰箱定时启动系统，高科技的结晶；采用我们的产品，是您最明智的选择；把握今天的机会，就是争取明天的成功！,