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第十章 单片机与 I/O 外部设备的接口

第十章 单片机与 I/O 外部设备的接口. § 10 . 1 LED 数码管显示. LED 结构 LED 的工作原理 LED 显示器的接口方式 LED 显示器的显示方式. 单片机应用系统常用的显示器件有：. 发光二极管显示器，简称 LED （ Light Emitting Diode ） 液晶显示器，简称 LCD （ Liquid Crystal Display ）. LED 显示器 内部由发光二极管组成段显示。 数码管结构分为 共阳极型 和 共阴极型 LCD 液晶显示器 常用的 LCD 可为 字符型 和 点阵型 两类 字符型可用来显示字符和数字

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第十章 单片机与 I/O 外部设备的接口

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  1. 第十章 单片机与I/O外部设备的接口

  2. §10.1LED数码管显示 • LED结构 • LED的工作原理 • LED显示器的接口方式 • LED显示器的显示方式

  3. 单片机应用系统常用的显示器件有： • 发光二极管显示器，简称LED （Light Emitting Diode） • 液晶显示器，简称LCD （Liquid Crystal Display）

  4. LED显示器 内部由发光二极管组成段显示。 数码管结构分为共阳极型和共阴极型 • LCD液晶显示器 常用的LCD可为字符型和点阵型两类 • 字符型可用来显示字符和数字 • 点阵型可用来显示汉字及图形

  5. 一、LED结构 图3-8 a)共阴极结构 b)共阳极结构 c)外引脚图

  6. 二、LED的工作原理 • 共阴极结构中：所有发光二极管的阴极接在一起形成公共端COM，使用时COM端接低电平，当某段发光二极管的阳极接高电平时，则该段二极管发光显示字符。 • 共阳极结构中：所有发光二极管的阳极接在一起形成公共端COM，使用时COM端接高电平，当某段发光二极管的阴极接低电平时，则该段二极管发光显示字符。

  7. D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Dp g f e d c b a 为了要显示某个字形，则应使此字形的相应段点亮，也即送一个不同的电平组合代表的数据来控制 LED的显示字形，此数据称为字符的段码。数据字位数与LED段码的关系如表所示： 数据字位数与LED段码的关系 数据位数 LED段码

  8. D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Dp g f e d c b a a b f g e c Dp d 图3-9

  9. D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Dp g f e d c b a LED显示“0”示意图 a b f g e c Dp d 图3-9

  10. 常用字符显示编码表3-1

  11. 三、LED显示器的接口方式 • 所谓LED接口方式是指LED七段数码显示器与单片机的连接方式。 • 按照显示代码获得形式的不同，可分为两种： 硬件译码方式 软件译码方式

  12. +5v MCS-51 BCD译码器 COM a a D b b P1.0 c c C P1.1 d d B e e P1.2 f f A P1.3 g g dp dp (1)硬件译码方式(以硬件为主的接口方法 ) • 采用BCD码译码器/驱动器通过译码把一位BCD码翻译为相应的字形代码，然后由驱动器提供足够的功率去驱动发光二极管。 硬件译码电路 图3-10

  13. MCS-51 R 8 ×´ a P1.0 P1.1 b c P1.2 P1.3 d 驱动器 e P1.4 f P1.5 g P1.6 dp P1.7 COM (2)软件译码方式(以软件为主的接口方法 ) • 由软件完成硬件译码器的功能。 软件译码电路 图3-11

  14. 比较： • 硬件译码器一般都具有直接驱动LED的能力，且占用单片机系统接口资源少（字形口只需4个口线），编程简单。缺点是显示字形有限，通常只能显示0~9十个字符。 • 软件译码方式显示字形较多，可由用户自己编码决定。其缺点是占用单片机系统接口资源较多（字形口需8个口线），且一般要配置驱动器（如7406、7407、8718）编程相对复杂。

  15. 四、LED显示器的显示方式 • 在单片机应用系统中，一般要同时使用N片七段LED构成N位LED显示器。 • LED的公共端COM叫显示器的位选线，a～g称为段选线，这样N位LED显示器有N根位选线，N8根段选线(包括小数点位)。位选线控制LED的每一位是否显示，段选线控制每一位的显示字符。

  16. 根据位选线与段选线的接法，LED有两种显示方式: 静态显示方式 动态显示方式

  17. (1) 静态显示方式 • 所有的位选线COM连接到一起接低电平(共阴极)或接高电平(共阳极); • 每一位LED的段选线连接到一个8位显示输出口上，这样N位显示器共需要8N根显示输出线，显示时位与位之间是相互独立的。

  18. 2位共阳极LED与单片机静态显示接口方式 图3-12

  19. N位LED静态显示原理图 图3-13

  20. 静态显示方式特点： • 优点: 具有显示亮度高，显示稳定， 控制方便等。 • 缺点: 显示的位数较多时，占用的 I/O口线较多。

  21. (2)动态显示方式 • 动态显示的硬件接法是将所有LED显示器的段选线并在一起，接到一个8位的I/O口上，形成段选线的多路复用; • 位选线则分开接到各自的控制I/O线上，形成各位的分时选通。

  22. 反相位驱动器 5位LED动态显示电路 图3-14

  23. N位动态LED显示原理图 图3-15

  24. 动态显示方式原理： • LED在每一个时间段内只有一位LED显示，而其他LED不显示; • 通过程序或硬件电路控制，各LED在一个显示周期内分别显示一段时间，当一个显示周期足够短时，由于人眼的视觉暂留特性，使人感觉每个LED总在亮。

  25. 反相位驱动器 例10-1:LED的动态显示电路由MCS-51单片机的P1口和P2口分别驱动LED的段和位，试问:如要显示1、2、3、4、5，P1.0~P1.7分别对应a~dp，则段驱动与位驱动及显示状态如何？(设LED采用共阳极显示器)

  26. 段选码、位选码及显示状态表

  27. 动态显示方式特点： • 优点：动态显示与静态显示相比 需要I/O口线少。 • 缺点：控制程序较复杂， 显示亮度低。

  28. 小结比较： 4位静态显示 4位动态显示

  29. §10.2 键盘接口原理 • 一、键盘基础知识 • 二、MCS-51对非编码键盘的接口 • 三、键盘的工作方式

  30. 一 键盘基础知识 1、什么是键盘？ 键盘是一组按键的组合，它是最常用的单片机输入设备，操作人员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。

  31. 2、按键的分类 按键按照结构原理可分为两类： • 触点式开关按键：如机械式开关等。 • 无触点式开关按键：如磁感应按键。 前者造价低，后者寿命长。 目前，微机系统中最常见的是： 触点式开关按键

  32. 键盘按其结构形式可分为两种： • 编码键盘：由硬件逻辑自动提供与键对应的编码。使用方便，但电路复杂，价格较贵，在单片机应用系统中较少采用。 • 非编码键盘：由软件来实现键盘的定义与识别。结构简单、成本低廉，在单片机应用系统中被普遍采用。

  33. 3、按键去抖动处理 • 由于通常的按键所用的开关是机械开关，当开关闭合、断开时并不是马上稳定地接通和断开，而是在闭合与断开瞬间均伴随有一连串的抖动。 • 当扫描表明有键被按下之后，紧接着应进行去抖动处理。抖动时间长、短与键的机械特性有关，一般为5～l0ms。

  34. 键按下 键释放 闭合稳定 前沿抖动 后沿抖动 按键抖动波形示意图 • 如图所示： 图3-1

  35. ★请思考 • 什么是键抖动？ • 为什么键盘要考虑去抖动？ • 一般常用去抖动的方法有哪些？

  36. 什么是键抖动？ • 由于通常的按键所用的开关是机械开关，被按下时，由于机械触点的弹性及电压突跳等原因，触点闭合或断开的瞬间会出现电压抖动。 • 为什么键盘要考虑去抖动？ • 键抖动可能导致计算机将人工按一次键操作识别为多次，为了消除干扰，保证在按键闭合稳定状态下读取键值，需要对键盘进行消抖处理。

  37. 一般常用去抖动的方法有几种？ • 常用的消抖措施有硬件消抖和软件消抖。 • 硬件方法就是在键盘中附加去抖动电路，从根本上消除抖动产生的可能性； • 软件方法则是采用时间延迟以躲过抖动(大约延时10～30ms即可)，待行线上状态稳定之后，再进行状态输入。

  38. ◆软件消抖 • 就是在第一次检测到有键按下时先不动作，延时一段时间(一般为10ms)，再次检测按键的状态，如果仍保持闭合状态，则确认真正有键按下。 • 当检测到按键释放后，也要给5ms~10ms的延时，待后沿抖动消失后才能转入按键的处理程序。

  39. 对于两个或多个按键同时按下的重键问题，可以采用“先入有效”或“后留有效”的原则加以处理。 对于两个或多个按键同时按下的重键问题，可以采用“先入有效”或“后留有效”的原则加以处理。 • “先入有效”：指当多个按键同时按下时，只有第一个按下的键有效，其它键无效。 • “后留有效”：指当多个按键同时按下时，只有最后松开的按键有效，其它键均无效。

  40. 4、键盘接口的操作功能 从按一个键到键的功能被执行主要包括 两项工作： • 第一项：键的识别，即在键盘中找出被按的是哪个键。 • 第二项：键功能的实现。 第一项工作使用接口电路实现，第二项 工作是通过执行查询/中断服务程序来完成。 我们先讨论第一项，即键盘接口问题。

  41. 键盘接口的操作功能： ① 键盘扫描，以判定是否有键被按下 （称之为“闭合键”）。 ② 键识别，以确定闭合键的行列位置。 ③ 产生闭合键的键码。 ④ 排除多键、窜键（复按）及去抖动。

  42. 二 MCS-51对非编码键盘的接口 非编码键盘有两种形式： • 独立式键盘接口： 单片机系统中，如只需要几个功能键， 此时，可采用独立式按键结构。 • 矩阵式（行列式）键盘接口： 单片机系统中，若使用按键较多时，通 常采用矩阵式键盘。

  43. 1、独立式键盘接口 ①按键硬件结构 • 独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。 • 独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。

  44. +5V 8031 R╳8 I/O P1 MCS-51对独立式非编码键盘的接口 图3-3 此种接口适于键数较少或操作速度较高的场合。

  45. ②工作原理： 当任何一个键被按下时，与其相连的输入线被置成 “0”，平时该线为“1”。 工作方式： 图(a)为中断方式的独立式键盘工作电路 图(b)为查询方式的独立式键盘工作电路

  46. 图3-4

  47. ③独立式按键的软件结构 • 常采用查询式结构： • 先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下; • 然后，再转向该键的功能处理程序。

  48. N 有按键信号？ Y 延时等待10ms N 仍有按键信号？ Y 键盘处理 N 按键释放？ Y 独立式键盘处理程序流程 图3-5

  49. 2、矩阵式(行列式)键盘接口 ①按键硬件结构 • 用于按键数目较多的场合，由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。 • 行列式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口线。

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