AT89C51接口技术.docx
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AT89C51接口技术
第8章AT89C51系统接口技术
难点
∙8255的控制字
∙8255的工作方式1和工作方式2
∙DAC0832工作方式
∙ADC0809工作方式
@要求
掌握：
∙8255接口芯片
∙MCS-51单片机与D/A转换器的接口连接
∙MCS-51单片机与A/D转换器的接口连接
∙初始化编程及应用
了解：
∙I/O口扩展的原因
∙简单I/O口的扩展
∙单片机的键盘技术
8.1 I/O口扩展概述
8.2简单I/O口扩展
8.38255可编程通用并行接口芯片
8.4 8155可编程通用并行接口芯片
8.1I/O口扩展概述
8.1.1I/O口扩展的原因
MCS-51系列单片机共有四个并行I/O口，分别是P0、P1、P2和P3。
其中P0口一般作地址线的低八位和数据线使用；P2口作地址线的高八位使用；P3是一个双功能口，其第二功能是一些很重要的控制信号，所以P3一般使用其第二功能。
这样供用户使用的I/O口就只剩下P1口了。
另外，这些I/O口没有状态寄存和命令寄存的功能，因此难以满足复杂的I/O操作要求。
由于MCS-51系列单片机I/O口数量和功能有限，所以在实际应用中不得不使用扩展的方法，来增加I/O口的数量，增强I/O口的功能。
8.1.2I/O口的编址技术
用户可以通过对I/O口进行读和写操作来完成数据的输入和输出。
例如：
P0口的地址为80H。
用户可以使用MOV指令对P0口进行写操作。
MOVP0，A
8.1.3单片机I/O传送的方式
单片机为了实现数据的输入/输出传送，通常使用3种控制方式。
1.无条件传送方式
当外设和单片机能够同步工作时，可以采用无条件方式进行传送，即数据可以随时进行传送。
2.查询方式
查询方式又称为有条件传送方式，即数据的传送是有条件的。
在进行I/O操作之前，用户要通过软件查询外设是否为数据传送做好准备，只有确认外设为数据传送做好准备。
单片机才能执行数据的输入/输出（I/O）操作。
3.中断方式
当外设和计算机进行数据交换时，外设向单片机发出中断请求（即通知单片机）。
单片机接到中断请求后，就作出响应，暂停正在执行的程序，而转去为设备的数据输入/输出服务。
当服务完成后，程序返回，单片机再继续执行被中断的程序。
中断方式大大提高了单片机系统的工作效率，所以在单片机中被广泛应用。
8.2简单I/O口扩展
8.2.1简单输入口扩展
1.两个输入口扩展
简单输入口扩展使用的集成芯片，比较典型的如74LS244芯片。
图8.1为74LS244芯片的引脚。
图8.174LS244芯片的引脚图8.274LS244扩展两个输入口
其中，1A1～1A4，2A1～2A4，为输入线；1Y1～1Y4，2Y1～2Y4，为输出线；
，
为片选信号线。
该芯片内部有2个4位的三态缓冲器，因此一片74LS244可以扩展两个输入口，其电路连接如图8.2所示。
使用时以
作为数据选通信号。
2.多输入口扩展
使用多片74LS244实现多个（例如5个）输入口扩展的电路连接如图8.3。
使用或门74LS32的输出作为输入口的选通信号。
或门的两个输入端一个是读选通信号
另一个则为P2的一条口线（线选法）。
当他们都是低电平时，才能得到一个有效的输入选通，使一片74LS244的8位数据进行输入。
图8.3多个（例如5个）输入口扩展的电路
8.2.2简单输出口扩展
输出口的主要功能是进行数据保持，或者说是数据锁存。
所以简单输出口扩展应使用锁存器实现。
1.简单输出口扩展使用的典型芯片
简单输出口扩展通常使用74LS377芯片，该芯片是一个具有“使能”控制端的锁存器。
其信号引脚如图8.4所示。
其中：
1D～8D为8位数据输入线，1Q～8Q为8位数据输出线，CK为时钟信号上升沿数据锁存，
为使能控制信号，低电平有效。
VCC为＋5V电源。
74LS377的逻辑电路如图8.5所示。
图8.474LS377引脚图图8.574LS377的逻辑电路
由逻辑电路可知，74LS377是由D触发器组成的，D触发器在上升沿输入数据，即在时钟信号（CK）由低电平跳变为高电平时，数据进入锁存器。
其功能表如表7-1所示。
表7-174LS377功能表
CK
D
Q
1
Q0
0
↑
1
1
0
↑
0
0
0
Q0
从功能表可知：
● 若
＝1，不管数据和时钟信号（CK）是什么状态，锁存器输出锁存的内容（Q0）。
● 只有在
＝0时，时钟信号才起作用，即时钟信号正跳变时，数据进入锁存器，也就是说输出端反映输入端的状态。
● 若CK=0，则不论
为何状态，锁存器输出锁存的内容（Q0），不受D端状态影响。
输出口扩展连接：
扩展单输出口只需要一片74LS377，其连接电路如图8.6所示。
图8.674LS377作输出口扩展
输出扩展使
作输出选通，因此，以MCS-51单片机的
信号在地址信号的配合下接CK。
因为在
信号由低变高时，数据线上出现的正是输出的数据，因此
接CK正好控制输出数据进入锁存器。
此外，74LS377的
信号接地，其目的是使锁存器的工作只受CK（
）信号的控制。
8.38255可编程通用并行接口芯片
8.3.18255的外部引脚和内部结构
1.外部引脚
8255的外部引脚如图8.7所示，其中：
：
A口的输入输出信号线。
该口是输入还是输出或双向，由软件决定。
：
B口的输入输出信号线。
该口是输入还是输出，由软件决定。
：
C口信号线。
该口可作输入、输出、控制和状态线使用，由软件决定。
～
：
双向数据信号线，用来传送数据和控制字。
：
读信号线。
：
写信号线。
：
片选信号线，低电平（有效）时，
才选中该芯片，才能对8255进行操作。
RESET：
复位输入信号，高电平有效时，复位8255。
复位后8255的A口、B口和C口均被定为输入。
表7-2地址编码
端口
00
A口
01
B口
10
C口
11
控制寄存器
：
口地址选择信号线。
8255内部共有三个口，A口、B口、C口和一个控制寄存器供用户编程
的不同编码可分别选择上述三个口和一个控制寄存器。
地址编码如表7-2所示。
图8.78255外部引脚
由
、
、
和
可以确定A口、B口、C口和控制寄存器的，如表7-3所示。
表7-3读写逻辑
所选断口
操作
0
00
0
1
A口
读A口
0
00
1
0
A口
写A口
0
01
0
1
B口
读B口
0
01
1
0
B口
写B口
0
10
0
1
C口
读C口
0
10
1
0
C口
写C口
0
11
1
0
控制寄存器
写控制寄存器
1
××
×
×
∕
高阻状态
2.内部结构
8255的内部结构框图如图8.8所示。
从图可以看到，左边的信号与系统总线相连。
而右边是与外设相连接的三个口。
三个口均为8位。
其中A口输出有锁存能力，输入亦有锁存能力。
B口输入输出均有锁存能力。
C口输出有锁存能力，输入没有锁存能力，在使用上要注意到这一点。
图8.88255的内部结构框图
为了控制方便，将8255的三个口分成A，B两组。
其中A组包括A口的8条口线和C口的高四位
～
。
B组包括B口的8条口线和C口的低四位
～
。
A组和B组分别由软件编程来加以控制。
8.3.28255的扩展逻辑电路
MCS-51单片机可 以和8255直接连接，图8.9给出了一种扩展电路。
图8.98255的扩展逻辑电路
8255的数据线和8031的P0直接相连，8255的片选信号
、A0、A1分别和8031的P2.7、P0.0、P0.1相连，所以8255的A口、B口、C口、控制寄存器的地址分别为7FFCH、7FFDH、7FFEH、7FFFH。
8255的读写线
、
分别和8031的读写选通线
、
相连。
8255的复位端RESET与8031的RST端相连。
8.3.38255的工作方式
8255共有三种工作方式，这些工作方式可用软件编程来指定。
1.工作方式0，又称基本输入输出方式
在此方式下，A口的8条线，B口的8条线，C口的高四位对应的4条线和C口的低四位对应的4条线这四部分可分别定义为输入或输出。
上述四部分的输入或输出是相互独立的，因此它们的输入或输出共有16种组合，方式0可将内部数据并行写到（输出）某个端口锁存，也可将外部数据通过某个端口缓冲后并行读入（输入）CPU。
在方式0下，C口还有按位复位和按位置位的功能。
有关C口的按位操作在后面再作详述。
2.工作方式1，又称选通输入输出方式
在这种方式下，A口和B口仍作为数据的输出或输入口而同时要利用C口的某些位作为控制和状态信号，从而实现这种工作方式。
A口和B口所使用的C口的各引线是固定不变的。
A口要利用
、
、
，B口要利用
、
、
。
A口和B口可任意由程序指定是输入口还是输出口。
为了阐述问题的方便，我们分别以A口、B口均为输入或均为输出加以说明。
（1）方式1下，A口和B口均为输出各条控制引线的定义如图8.10所示。
各控制信号的含义如下：
:
输出缓冲器满信号，低电平有效。
用来告诉外设，在规定的接口上CPU已输出一个有效的数据，外设可以从该口取走此数据。
：
外设响应信号，低电平有效。
用来通知接口外设已经将数据接收，并使
。
INTR：
中断请求信号，高电平有效。
当外设已从接口取走数据，口的缓冲器变空，且接口允许中断时，INTR有效。
即
，
且允许中断，则INTR=1。
方式1下，数据的输出过程可描述为：
当CPU向接口输出数据，并将数据锁存到输出缓冲器中。
此时，
有效。
有效的
通知外设接收数据。
一旦外设将数据取走，就送出一个有效的
信号。
该信号使
无效，同时产生中断请求（INTR=1），请求CPU输出下一个数据。
如此循环进行数据的输出。
图8.10A口和B口作输出口时，C口提供的控制引线
（2）方式1下，A口和B口均为输入
这种情况和两口均为输出类似，各条控制引线的定义如图8.11所示。
图8.11A口和B口作输入口时，C口提供的控制引线
各控制信号的含义如下：
：
输入选通信号，低电平有效。
它由外设提供，利用该信号可以将外设数据锁存于8255的口锁存器中。
：
输入缓冲器满信号，高电平有效。
当它有效时，表示已有一个有效的外设数据锁存于8255的口锁存器中。
可用此信号通知外设数据已锁存于接口中，尚未被CPU读走，暂不能向接口输入数据。
INTR：
中断请求信号，高电平有效。
当外设将数据锁存于接口之中，且又允许中断请求发生时，就会产生中断请求。
方式1下，数据的输入过程可描述为：
当外设有数据需要输入时，将数据送到8255的接口上，同时利用输出信号
将数据锁存于口的数据锁存器中。
使
有效，如果此时接口允许中断，则产生中断请求信号INTR.。
CPU响应中断，去读8255的有关接口，将数据读到CPU中。
CPU读走数据后，IBF变为无效，表示输入缓冲器已空，可以再次接收外设提供的下一个数据。
3. 工作方式2，又称双向输入输出方式I/O操作
只有A口才能工作在方式2。
A口工作方式2时要利用C口的5条线才能实现。
此时，B口只能工作在方式0或者方式1下，而C口剩余的3条线可作为输入线、输出线或B口方式1之下的控制线。
C口提供的控制线如图8.12所示。
图8.12工作方式2时，C口提供的控制线
8.3.48255的控制字及初始化程序
8255是编程接口芯片，通过控制字（控制寄存器）对其端口的工作方式和C口各位的状态进行设置。
8255共有两个控制字，一个是工作方式控制字，另一个是C口置位/复位控制字。
这两个控制字共用一个地址，通过最高位来选择使用那个控制字。
1.工作方式控制字
主要功能：
确定8255接口的工作方式及数据的传送方向。
各位的控制功能如图8.13所示。
图8.138255工作方式控制字
对工作方式控制字作如下说明：
●A口可工作在方式0、方式1和方式2，B口可工作在方式0和方式1
●在方式1或方式2下，对C口的定义（输入或输出）不影响作为控制信号使用的C口各位功能
●最高位是标志位，作为方式控制字使用时，其值固定为1。
2.置位/复位控制字
在某些情况下，C口用来定义控制信号和状态信号，因此C口的每一位都可以进行置位或复位。
对C口的置位或复位是由置位/复位控制字进行的。
各位的功能如图8.14所示。
其中，最高位必须固定为“0”。
图8.148255置位/复位控制字
3.8255初始化
8255初始化就是向控制寄存器写入工作方式控制字和C口置位/复位控制字。
例如，对8255各口作如下设置：
A口方式0输入，B口方式1输出，C口高位部分为输出，低位部分为输入。
设8255的扩展电路如图8.8所示，则控制寄存器的地址为7FFFH。
按各口的设置要求，工作方式控制字为10010101，即95H。
所以初始化程序应为：
MOVDPTR,#7FFFH
MOVA,#95H
MOVX@DPTR,A
8.3.58255的应用举例
1.光二极管显示器的工作原理
发光二极管简称为LED（LightEmitingDiode）。
通常所说的LED显示器由7个发光二极管组成，因此也称之为七段LED显示器，其排列形状如图8.15（a）所示。
此外，显示器中还有一个小圆点型发光二极管（在图中以dp表示），用于显示小数点。
通过七段发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符合。
LED显示器中的发光二极管共有两种连接方法，一种是共阴极连接，另一种共阳极连接。
其连接图如图8.15（b）所示。
图8.15七段LED显示器
使用LED显示器时，要注意区分这两种不同的接法。
为了显示数字或字符，必须对数字或字符进行编码。
七段数码管加上一个小数点，共计8段。
因此为LED显示器提供的编码正好是一个字节。
用LED显示器显示16进制数的编码已列在表7-4所示。
表7-4LED显示器16进制数编码
通常使用的LED显示器都是多位的。
对多位LED显示器，通常采用动态扫描的方法进行显示，即逐个循环点亮各位显示器。
为了实现LED显示器的动态扫描除了要给显示器提供段码（字形编码）的输入之外，还要对显示器加位的控制（控制LED显示器亮灭），这就是通常所说的位控和段控。
2.应用举例
具体要求：
● 6个LED采用共阴极连接
● 79H～7EH分别存放6位显示器的显示数据（0～9）
● 8255的A口接LED显示器位控
● 8255的B口接LED显示器段控
（1） 电路设计
经分析知：
8255的A口、B口、C口、控制寄存器的地址分别为7FFCH、7FFDH、7FFEH、7FFFH。
（2） 编写程序
MOV
DPTR，#7FFFH
MOV
R0，#79H
MOV
A，#80H
MOVX
@DPTR，A
；写控制字
MOV
R3，#0FEH
MOV
A，R3
LD:
MOV
DPTR，#7FFCH
MOVX
@DPTR，A
；最左边灯亮
INC
DPTR
；指向B口
MOV
A，@R0
；取显示数据
ADD
A，#13H
MOVC
A，@A+PC
；查数据编码
MOVX
@DPTR，A
；写B口
ACALL
DELAY
；延时
INC
R0
MOV
A，R3
JNB
ACC.5，ED
RL
A
MOV
R3，A
AJMP
LD
LEDTAB:
DB
3FH
DB
06H
DB
5BH
DB
4FH
DB
66H
DB
6DH
DB
7DH
DB
07H
DB
7FH
DELAY:
MOV
R7，#02H
MOV
R6，#FFH
LOOP:
DJNZ
R6，LOOP
DJNZ
R7，DELAY
RET
ED:
AJMP
ED
8.1MCS-51单片机与D/A转换器的接口和应用
8.1.1典型D/A转换器芯片DAC0832
DAC0832是一个8位D/A转换器芯片，单电源供电，从+5V～+15V均可正常工作，基准电压的范围为±10V，电流建立时间为1μs，CMOS工艺，低功耗20mW。
其内部结构如图8.1所示，它由1个8位输入寄存器、1个8位DAC寄存器和1个8位D/A转换器组成和引脚排列如图8.2所示。
该D/A转换器为20引脚双列直插式封装，各引脚含义如下：
（1）D7～D0——转换数据输入。
（2）
——片选信号（输入），低电平有效。
（3）ILE——数据锁存允许信号（输入），高电平有效。
（4）
——第一信号（输入），低电平有效。
该信号与ILE信号共同控制输入寄
存器是数据直通方式还是数据锁存方式：
当ILE=1和
=0时，为输入寄存器直通
方式；当ILE=1和
=1时，为输入寄存器锁存方式。
（5）
——第2写信号（输入）,低电平有效.该信号与
信号合在一起控制DAC
寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式:
当
=0和
=0时,为DAC寄存器直通
方式;当
=1和
=0时,为DAC寄存器锁存方式。
（6）
——数据传送控制信号（输入）,低电平有效。
（7）Iout2——电流输出“1”。
当数据为全“1”时，输出电流最大；为全“0”时输出电流最小。
（8）Iout2——电流输出“2”。
DAC转换器的特性之一是：
Iout1+Iout2=常数。
（9）Rfb——反馈电阻端
既运算放大器的反馈电阻端，电阻（15KΩ）已固化在芯片中。
因为DAC0832是电流输出型D/A转换器，为得到电压的转换输出，使用时需在两个电流输出端接运算放大器，Rfb即为运算放大器的反馈电阻，运算放大器的接法如图8.3所示。
（10）Vref——基准电压，是外加高精度电压源，与芯片内的电阻网络相连接，该电压可正可负，范围为-10V～+10V.
（11）DGND——数字地
（12）AGND——模拟地
8.1.2DAC0832工作方式
DAC0832利用
、
、ILE、
控制信号可以构成三种不同的工作方
式。
1.直通方式——
=
=0时，数据可以从输入端经两个寄存器直接
进入D/A转换器。
2.单缓冲方式——两个寄存器之一始终处于直通，即
=0或
=0，另一个寄存器处于受控状态。
3.双缓冲方式——两个寄存器均处于受控状态。
这种工作方式适合于多模拟信号同时输出的应用场合。
8.1.3单缓冲方式的接口与应用
1．单缓冲方式连接
所谓单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入寄存器中有一个（多位DAC寄存器）处于直通方式，而另一个处于受控锁存方式。
在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽是多路模拟量输出但并不要求输出同步的情况下，就可采用单缓冲方式。
单缓冲方式连接如图8.3所示。
为使DAC寄存器处于直通方式，应使
=0和
=0。
为此可把这两个信号
固定接地，或如电路中把
与
相连，把
与
相连。
为使输入寄存器处于受控锁存方式，应把
接80C51的
，ILE接高电平。
此外还应把
接高位地址线或地址译码输出，以便于对输入寄存器进行选择。
图8.3DAC0832单缓冲方式接口
2．单缓冲方式应用举例
【例8.1】锯齿波电压发生器
在一些控制应用中，需要有一个线性增长的电压（锯齿波）来控制检测过程、移动记录笔或移动电子束等。
对此可通过在DAC0832的输出端接运算放大器，由运算放大器产生锯齿波来实现，其电路连接图如图8.4所示。
图8.4用DAC0832产生锯齿波电路
图中的DAC0832工作于单缓冲方式，其中输入寄存器受控，而DAC寄存器直通。
假定输入寄存器地址为7FFFH，产生锯齿波的程序清单如下：
MOVA，#00H；取下限值
MOVDPTR，#7FFFH；指向0832口地址
MM：
MOVX@DPTR，A；输出
INCA；延时
NOP
NOP
NOP
SJMPMM；反复
执行上述程序就可得到如图8.5所示的锯齿波。
图8.5D/A转换产生的锯齿波
几点说明：
（1） 程序每循环一次，A加1，因此实际上锯齿波的上升边是由256个小阶梯构成的，但由于阶梯很小，所以宏观上看就如图中所画的先行增长锯齿波。
（2）可通过循环程序段的机器周期数，计算出锯齿波的周期。
并可根据需要，通过延时的方法来改变波形周期。
若要改变锯齿波的频率，可在AJMPMM指令前加入延迟程序即可。
延时较短时可用NOP指令实现（本程序就是如此），需要延时较长时，可以使用一个延长子程序。
延迟时间不同，波形周期不同，锯齿波的斜率就不同。
（3）通过A加1，可得到正向的锯齿波，反之A减1可得到负向的锯齿波。
（4）程序中A的变化范围是0～255，因此得到的锯齿波是满幅度的。
如要求得到非满幅锯齿波，可通过计算求的数字量的处置和终值，然后在程序中通过置初值和终值的方法实现。
【例8.2】矩形波电压发生器
采用单缓冲方式，口地址设为FEFFH.
参考程序如下：
ORG1100H
START:
MOVDPTR,#00FEH；送DAC0832口地址
LOOP:
MOVA,#dataH；送高电平数
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