1、2019年3月18日1时50分 1,单片机原理及应用总学时：40 实验学时：12主讲：房德君电气工程系,2019年3月18日1时50分 2,第五章 MCS-51单片机扩展技术,MCS-51单片机共有4个8位I/O口，即32位输入/输出引脚，显然，实际应用中会有许多约束，从而，为了达到某些功能，需要外部扩展电路；,例如：,MCS-51 单片机,总线,RAM,显示,键盘,若：ROM不够扩展EPROM;,若数据存储器不够扩展RAM,显示测量结果扩展显示电路,参数设置扩展键盘,2019年3月18日1时50分 3,第五章 MCS-51单片机扩展技术,MCS-51 单片机,驱动输出,A/D,D/A,I/O
2、口,模拟量输入,电动机,模拟量输出,总线,开关量输入及通信,RAM,显示,键盘,大功率、高压控制扩展驱动电路；,接收模拟量信号扩展A/D;,输出模拟量扩展D/A电路；,开关状态检测扩展开关量输入电路；,可见，所谓的单片机能测量、控制等功能，全靠外部扩展电路；而单片机为电路系统的核心。,2019年3月18日1时50分 4,第五章 MCS-51单片机扩展技术,外部扩展应注意：,外部器件应与CPU的读写时序一致（对于并口电路扩展，器件挂在总线上时）；,逻辑电平应一致；CPU为5V，有的器件是3.6V等，输入/输出电平应符合CPU的逻辑电平；否则无法正常信号的传输或损坏器件； 如图所示，是非常危险的。
3、,不仅指示灯无法熄灭，且给单片机引脚加了一个高压；,2019年3月18日1时50分 5,第五章 MCS-51单片机扩展技术,注意接口引脚的驱动能力；,单片机的引脚的灌电流能力较强，一般可达20mA电流。但输出能力很小；,5V,P1.0,P1.0可吸收20mA电流,2019年3月18日1时50分 6,第五章 MCS-51单片机扩展技术,P1.0,以下驱动电路时错误的：,提供的驱动电流太小,可构成总线式或者简单系统；,2019年3月18日1时50分 7,第五章 MCS-51单片机扩展技术,5-1 复位电路设计,一、复位要求：,MCS-51单片机：高电平复位，且复位高电平应保持2个机器周期以上；,二
4、、复位的意义（作用）：,2019年3月18日1时50分 8,5-1 复位电路设计,SP=07H; P0P3=0ffH(全部输出高电平)；(注意上电) IE=0;(关闭全部中断请求)； IP=0；中断优先级控制寄存器为0 TMOD=0 ； TCON=0 ； 其它特殊功能寄存器的复位状态见书，应基本记住；,2019年3月18日1时50分 9,5-1 复位电路设计,复位时，单片机内部寄存器的状态,2019年3月18日1时50分 10,5-1 复位电路设计,注意：计算机系统上电后必须有规范的复位信号才能运行，否则系统将无法正常工作；,三、复位电路：,注意：,简单的复位电路如图：,一般不同的工作频率，要
5、求的复位脉冲宽度不同，一般情况下，复位脉冲宽度可10MS设计；例如：可取C=22uF,R=1k;,2019年3月18日1时50分 11,5-1 复位电路设计,上图为上电复位电路，可加上手动复位；,复位电路构成：,复位电路的基本要求：,良好的复位波形；,准确的复位电压门限；,对于MCS-51单片机，当工作电压低于4.65V后，CPU处于失控状态，已经不能正常工作，此时，可能造成乱读、乱写，所以复位电路应进入复位状态；,2019年3月18日1时50分 12,5-1 复位电路设计,快速的反应速度；,当出现电源电压由于干扰出现瞬间下降时，应能正确反映，并复位。若单片机失控，而单片机不复位，会使cpu不
6、正常工作；,为了实现复位电路的快速反应能力，可将电路改进成如图所示。,在工程中，干扰问题是非常严重的，例如：矿用分站的继电器动作，会造成单片机系统的显示乱跳，现场的断路器动作，造成分站的死机。,2019年3月18日1时50分 13,5-1 复位电路设计,关于电源的上电和掉电过程：,上电过程经过非工作区，所以要求复位电路在电源电压正常前或者电压低于允许的工作电压时，应使CPU处于复位状态。,在实际工程中，经常会由于上电或者掉电过程使单片机的存储数据丢失；,2019年3月18日1时50分 14,5-1 复位电路设计,复位电路:,a.简单的RC构成：,结论：复位波形不好：波形边沿不陡峭；,可用门电路
7、整形：见图：,2019年3月18日1时50分 15,5-1 复位电路设计,注意：门电路的工作电压。集成电路一般采用cmos电路，工作电压可在35V正常工作，书上用74LS系列电路不太好，（因为TTL电路必须4.5V以上才能工作）。,复位电路的缺点：,反映速度慢：电容的放电时间较长，也可以加二极管提高反映速度（见图虚线），但有限；,复位门限不准确：可能cpu已经乱了，复位电路还没有起作用；,2019年3月18日1时50分 16,5-1 复位电路设计,b.采用专用复位电路：,例如：MAX813:,具有手动复位和上电和掉电复位功能；,特点：,准确的4.65V复位门值；,具有1.1V的超低电源工作电压
8、：即1.1V有效复位；,2019年3月18日1时50分 17,5-1 复位电路设计,低功耗；,复位脉冲140280MS;,nS级的快速反应速度；,1.6秒的看门狗；若WDI悬空，则不启动看门狗。,电源电压监视。,2019年3月18日1时50分 18,第五章 MCS-51单片机扩展技术,5-2 时钟电路,内部方式的时钟电路：,XTAL2-片内振荡电路放大器输入引脚； XTAL1-片内振荡电路放大器输出引脚； C1、C2-530pF瓷片电容； T-1.212Mhz的晶体振荡器。,2019年3月18日1时50分 19,5-2 时钟电路,注意：振荡电路输出信号不是TTL电平，幅度小，非矩形波。（XTA
9、L2输出）,外部振荡器：,当构成多机系统时：,理解为：上图输入波形规范，而下图CPU2还是与CPU1的电路构成了振荡电路。,2019年3月18日1时50分 20,第五章 MCS-51单片机扩展技术,5-3 程序存储器的扩展设计,常用EPROM：（微机原理学过）,2764：8KB，28引脚，13根地址线；引脚分类图如下：,2019年3月18日1时50分 21,5-3 程序存储器的扩展设计,27128：16KB，28引脚，14根地址线；,2019年3月18日1时50分 22,5-3 程序存储器的扩展设计,应用接线：,注意：,1.使用外部ROM,所以单片机的EA必须接地，且ROM的起始地址必须从00
10、00H单元开始；若使用内部的ROM，则应接高电平。,2019年3月18日1时50分 23,5-3 程序存储器的扩展设计,3.一个机器周期访问两次外部程序存储器，即PSEN出现两次负脉冲。,1.画出单片机与两片27128的详细接线图（包括引脚编号）。包括：单片机的复位电路、时钟电路、和地址所存电路。,作业：,2.若扩展多片EPROM芯片时，地址空间必须是连续的；,2019年3月18日1时50分 24,第五章 MCS-51单片机扩展技术,5-4 数据存储器的扩展设计,常用：6264：（8K,28引脚）,2019年3月18日1时50分 25,5-4 数据存储器的扩展设计,应用接线：,采用线译码接线电
11、路；,EA=1使用内部的程序存储器；,2019年3月18日1时50分 26,5-4 数据存储器的扩展设计,采用译码电路的接线图：,说明：,根据外部扩展器件的多少，当外部扩展电路多时，可用译码电路译码，否则可用线译码。,RAM掉电后会丢失数据，但需要保存数据时，可用EEPROM。,2019年3月18日1时50分 27,5-4 数据存储器的扩展设计,作业：画出扩展两片6264电路（标上集成电路管脚号），采用译码器译码，并将上节的EPROM合成一个图，算出地址空间；,关于EEPROM注意 ：, 一般不用于程序存储器，而用于保留重要的可修改的数据；,分为,-目前多用于串口；,有一定的写周期寿命；,20
12、19年3月18日1时50分 28,第五章 MCS-51单片机扩展技术,5-5 I/O口电路的扩展设计,当单片机输入、输出量较大时，需要外部扩展I/O接口电路，下面介绍几种常用的电路；,一、8255：,8255A是可编程的并行输入/输出接口芯片，8255在微机原理课程中已经学过，这里重点讲一下与单片机的接线应用。,2019年3月18日1时50分 29,5-5 I/O口电路的扩展设计,2019年3月18日1时50分 30,5-5 I/O口电路的扩展设计,8255是40引脚的集成电路，有三个输入输出口，A口，B口，C口以及一个内部的控制寄存器，通过地址A1，A0选择；即：,A1,A0:0 0-A口0
13、 1-B口1 0-C口1 1-控制寄存器,A1,D7D0,C口 高4,C口 低4,B口,GND,数据缓冲,读写控制,片内译码,RESET,A0,内部总线,00,01,10,10,11,+5V,8255 的内部结构,2019年3月18日1时50分 31,5-5 I/O口电路的扩展设计,与单片机的接线如下图所示：,8255的口地址计算：,PA端口的地址为：,7FFCH,PB端口的地址为：,7FFDH,PC端口的地址为 ：,7FFEH,控制寄存器的地址为：,7FFFH,可用“MOVX”指令来访问这些端口。,2019年3月18日1时50分 32,5-5 I/O口电路的扩展设计,例如：,1在MCS-51
14、单片机系统中，采用8255A进行I/O操作。其中PA0PA7连接8个开关K0K7，PB0PB7连接8个发光二极管LED0LED7要求，PC0连接一个开关K8，如下图所示：,（2）试编写满足下列要求的程序段：当K8是打开状态时，所有的指示灯全灭；当K8是闭合状态时，LED0LED7分别显示K0K7的状态（开关闭合时相应的灯亮）。,（1）写出8255A的口地址；,作业：写出上图接线的8255接口初始化程序段；试编写一个程序，用PC口的指示灯来指示按键的状态。,2019年3月18日1时50分 33,5-5 I/O口电路的扩展设计,注：A11到A3可以是任意的，一般为全0或全1 8255A的口地址为：
15、 （4分） PA：0D000H （0DFFCH） PB：0D001H （0DFFDH） PC：0D002H （0DFFEH） 控制口：0D003H （0DFFFH）,解：（1）8255A的口地址为： A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A01 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 01 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 11 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 01 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,2019年3月18日1时50分 34,5-5
16、 I/O口电路的扩展设计,（2）程序：MOV A，#10010001B ；8255初始化MOV DPTR，#0D003HMOVX DPTR,A L3: MOV DPTR,#0D002H ；判断K8（2分）MOVX A,DPTRJNB ACC.0,L1MOV A,#00HMOV DPTR,#0D001HMOVX DPTR,ASJMP L2 L1: MOV DPTR,#0D000H ；PA与PB操作MOVX A,DPTRCPL AMOV DPTR,#0D002H,MOVX DPTR,A L2:SJMP L3,2019年3月18日1时50分 35,5-5 I/O口电路的扩展设计,二、利用数字电路扩展
17、I/O口：,利用数字电路扩展I/O口,主要采用74LS系列的TTL电路或者CMOS锁存器、三态门电路芯片两大类。,1.扩展输入口：,注意：用数字电路扩展输入口，必须采用具有三态输出的器件，保证未被选中时，处于高阻状态（因为输出端挂在数据线上）。,例如：采用8位三态缓冲器74LS244组成输入口 ：,2019年3月18日1时50分 36,5-5 I/O口电路的扩展设计,a.特点： 三态输出缓冲器 逻辑： 适用于常态数据输入； 输出驱动电流24mA（吸收）;,b.接线： 接线如下图所示，单片机采用总线结构与74LS244连接，用于读取8个键盘； 译码电路采用A8(P2.0)和读信号（）或运算，当两
18、者都有效时，器件选中；,2019年3月18日1时50分 37,5-5 I/O口电路的扩展设计,2019年3月18日1时50分 38,5-5 I/O口电路的扩展设计,2.扩展输出口：,注意：采用数字电路扩展输出口时，必须采用具有锁存功能的器件，因为数据线不能保持送出数据的状态 。,例如：可以采用8D锁存器74LS273，74LS373，74LS377等组成输出口。他们都具有输出锁存功能。,例如：采用74LS273扩展输出口的电路如图所示。,2019年3月18日1时50分 39,5-5 I/O口电路的扩展设计,a.74LS273特点： 带允许输出端的8D锁存器； ,真值表：,可见，74LS273是
19、一个上升沿触发的D锁存器。,可驱动8mA的负载；,2019年3月18日1时50分 40,5-5 I/O口电路的扩展设计,b.电路应用接线：,译码电路采用A8(P2.0)和读信号（ ）或运算，当两者都有效时，器件选中；,单片机采用总线结构与74LS273连接，用于控制8发光二极管(上图)；,2019年3月18日1时50分 41,5-5 I/O口电路的扩展设计,注：也可以采用单片机的串口和移位寄存器扩展并行输入和输出口，接线见书。,作业：8051外部扩展16k的程序存储器，8k的数据存储器，一片8255，一个8位的输入口以及一个8位的输出口（TTL电路），试完成与8051的接线图，并计算出地址空间
20、。,2019年3月18日1时50分 42,第五章 MCS-51单片机扩展技术,5-6 A/D转换电路的扩展设计,1.A/D转换器的分类：,按工作原理分：计数式、逐次逼近式、双积分式、并行形式 。,按分辨率分：4位、8位、10位、12位、14位、16位等。,按转换速度分：低速=1s中速=1us 超高速=1ns,2019年3月18日1时50分 43,5-6 A/D转换电路的扩展设计,A/D输出数据类型：,2. ADC0809转换器：,ADC0809：8通道8位，逐次逼近方式。,ADC0809内部框图：,2019年3月18日1时50分 44,5-6 A/D转换电路的扩展设计,8,路,转,换,模,式,
21、拟,开,关,锁,存,与,译,码,器,A/D,输,出,三,态,缓,冲,器,D,8,8,IN0,IN1,IN6,IN7,C,B,A,ALE,V,CC,GND,V,REF(+),V,REF(-),OE,D7,D0,START,CLK,EOC,A,2019年3月18日1时50分 45,5-6 A/D转换电路的扩展设计,ALE：通道号锁存控制端。 D7D0：结果数据输出端。其中D7为最高有效位。 START：启动A/D转换信号，高电平有效 EOC：转换结束信号，高电平有效 OE：输出使能信号，高电平有效， REF（+）、REF（-）：参考电压输入。,ADC0809的引脚特性,IN7IN0：8通道模拟量输
22、入信号。,ADDC、ADDB、ADDA：通道号选择信号,2019年3月18日1时50分 46,5-6 A/D转换电路的扩展设计,AT89S51单片机与ADC0809的接口,由于ADC0809 具有输出三态锁存器，8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。,ADC0809的“EOC取反后”接单片机的INT0,采用中断方式；,也可以接单片机的其他引脚采用查询方式或延时读取转换结果。,INT0,2019年3月18日1时50分 47,5-6 A/D转换电路的扩展设计,例如：对8路模拟信号轮流采样一次，并依次把结果转储到数据存储区的转换程序。,解：,计算口地址：,A15 A14 A13 A12 A11 A1
23、0 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0,0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1通道,0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 2通道,0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 3通道,0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 4通道,0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 5通道,0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 6通道,0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 7通道,0 1 1 1 1 1 1 1
24、1 1 1 1 1 1 1 1 8通道,2019年3月18日1时50分 48,5-6 A/D转换电路的扩展设计,对应的地址：7FF8H7FFFH,程序：,MAIN: MOV R1，#30H ;置数据区首地址MOV DPTR，#7FF8H;端口地址送DPTR，P2.7=0，；且指向通道IN0MOV R7，#08H ;置转换的通道个数 LOOP: MOVX DPTR，A ;启动A/D转换MOV R6，#0AH ;软件延时，等待转换结束 DELAY: NOPNOPNOPDJNZ R6，DELAY ;延时时间一定大于转换时间；MOVX A，DPTR ;读取转换结果MOV R1，A ;存储转换结果INC
25、 DPTR ;指向下一个通道INC R1 ;修改数据区指针,DJNZ R7，LOOP ;8个通道全采样完否？未完则继续 ,2019年3月18日1时50分 49,第五章 MCS-51单片机扩展技术,5-7 D/A转换电路的扩展设计,1. DAC0832简介,这里讲一下，DAC0832,该芯片在微机原理中讲过；,(1)DAC0832的特性,主要特性如下：,* 分辨率为8位；,* 电流输出，稳定时间为1s；,* 可双缓冲输入、单缓冲输入或直接数字输入；,* 单一电源供电（+5+15V）；,2019年3月18日1时50分 50,5-7 D/A转换电路的扩展设计,(2)DAC0832的逻辑结构如下：,2
26、019年3月18日1时50分 51,5-7 D/A转换电路的扩展设计,(3)引脚功能：,DI0DI7：8位数字信号输入端; CS*： 片选端。 ILE： 数据锁存允许控制端，高电平有效。 WR1*：输入寄存器写选通控制端。当CS*=0、ILE=1、 WR1*=0时，数据信号被锁存在输入寄存器中。 XFER*：数据传送控制。 WR2* ：DAC寄存器写选通控制端。当XFER*=0，WR2* =0 时，输入寄存器状态传入DAC寄存器中。 IOUT1：电流输出1端，输入数字量全“1”时，IOUT1最大， 输入数字量全为“0”时，IOUT1最小。 IOUT2：D/A转换器电流输出2端，IOUT2+IO
27、UT1=常数。 Rfb：外部反馈信号输入端， 内部已有反馈电阻Rfb， 根据需要也可外接反馈电阻。 Vcc：电源输入端，可在+5V+15V范围内。 DGND：数字信号地。 AGND：模拟信号地。,2019年3月18日1时50分 52,5-7 D/A转换电路的扩展设计,2. MCS-51与DAC0832的接口电路,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多路输出同步的情况下，可采用单缓冲方式。,单缓冲方式的接口如图:,单缓冲方式：DAC0832内部的两个数据缓冲器有一个处于直通方式，另一个处于受控的锁存方式。输入数据只经过一级缓冲送入D/A转换电路。这种方式只需要执行
28、一次写操作，即可完成D/A转换。,注意：输出信号范围：单极性模拟电压输出；,2019年3月18日1时50分 53,5-7 D/A转换电路的扩展设计,由图，WR2*和XFER*接地，故DAC0832的“8位DAC寄存器处于直通方式。“8位输入寄存器”受CS*和WR1*端控制，且由译码器输出端FEH送来（也 可由P2口的某一根口线来控制）。,WR1*和CS*上产生低电平信号，使0832接收8031送来的数字量。,2019年3月18日1时50分 54,5-7 D/A转换电路的扩展设计,输出电压Vout与输入数字量B的关系:,Vout = B*（VREF/256）,若VREF接+5V，则：,Vout
29、= B*（5v/256）,B为0时，Vout也为0，输入数字量为255时，Vout为 最大值，输出电压为单极性。,3. 应用举例：,例： DAC0832用作波形发生器。分别写出产生锯齿波、三角波和矩形波的程序。,假设输入寄存器的口地址为：0feH,2019年3月18日1时50分 55,5-7 D/A转换电路的扩展设计,解：(1) 锯齿波的产生,ORG 2000H START: MOV R0，#0FEH ；DAC地址FEH R0MOV A，#00H ；数字量A LOOP: MOVX R0，A ；数字量D/A转换器INC A ；数字量逐次加1SJMP LOOP,一定用MOVX指令,输入数字量从0开
30、始，逐次加1，为FFH时，加1则 清0，模拟输出又为0，然后又循环，输出锯齿波，如图示。,每一上升斜边分256个小台阶，每个小台阶暂留时间为执行后三条指令所需要的时间。（实际曲线是一个个的小台阶）,2019年3月18日1时50分 56,5-7 D/A转换电路的扩展设计,(2) 三角波的产生,ORG 2000H START: MOV R0，#0FEH ;DAC地址FEH R0MOV A，#00H ;从0上升UP: MOVX R0，A ；三角波上升INC AJNZ UP ; 未到达高峰（256即A=0），返回继续上升DOWN: DEC A ；A=0时再减1又为FFHMOVX R0，AJNZ DOW
31、N;三角波下降边SJMP UP ;返回，生成第二个三角波,2019年3月18日1时50分 57,5-7 D/A转换电路的扩展设计,(3) 矩形波的产生,ORG 2000H START: MOV R0，#0FEHLOOP: MOV A，#data1MOVX R0，A ；置矩形波上限电平LCALL DELAY1 ；调用高电平延时程序MOV A，#data2MOVX R0，A ；置矩形波下限电平LCALL DELAY2 ；调用低电平延时程序SJMP LOOP ；重复进行下一个周期,DELAY1、DELAY2为两个延时程序，决定矩形波高、低电平时的持续时间。频率也可采用延时长短来改变。,2019年3月
32、18日1时50分 58,第五章 MCS-51单片机扩展技术,5-8 显示电路设计,目前，单片机采用的显示器，一般有数码管、液晶和CRT显示器三种；,一、数码管显示电路设计：,1. LED结构：,按照连接的公共端一般分为共阳极和共阴极两种。,2019年3月18日1时50分 59,5-8 显示电路设计,2019年3月18日1时50分 60,5-8 显示电路设计,按照显示的段来分：七段数码管，米字形数码管和点阵数码管；,2. 电路设计：,单片机对数码管的控制有两种方法：静态显示，动态显示（利用了视觉滞留）；,静态显示,各位的公共端连接在一起（接地或+5V）。每位的段码线（adp）分别与一个8位的锁存器 输出相连。,2019年3月18日1时50分 61,
