我的51单片机学习笔记----I/O口篇

jchqxl · 发表于 2009-4-7 11:58:03

学习单片机快1年了，整理下以前学过的东西，希望能够给其它的人一点帮助。现在回想起大一一个人在宿舍练习汇编，第一次点亮一个LED的时候，依然感觉很兴奋。那段日子很苦，没有人教，没有人问，但是很快乐，尤其是解决了问题以后。在此，祝所有同学学习进步哈~~
文中肯定存在错误，希望各位高手不吝指出，多多帮助我们这些菜鸟。

在我们的单片机应用系统中，常常会遇到I/O口不够的情况。譬如说接有外部RAM而且要求有16个以上的按键,8位数码管以上的显示。而且还不包括其它的外围器件。这时整个系统的I/O资源就很吃紧了。系统的扩展性也不好。这时我们就需要考虑对单片机的I/O进行扩展了。
虽然专门的I/O扩展芯片市场上也有不少，但对于我们一般的应用，没有必要整的那么复杂。用一些简单的移位寄存器芯片一样可以实现我们的目标。下面我们首先来认识一下74HC164这款芯片。这款芯片的作用是把串行输入的数据并行输出。注意，它没有锁存功能，在允许输出的情况下，每一个时钟的上升沿，数据依次从最低位移向最高位。因此，在做数码管的输出显示的时候会出现拖影的想象，在设计此电路时要注意考虑此情况。
下面是它的引脚图。A1,A2是数据输入端，一般情况下两者连在一起，作为串行数据的输入端。Qa----Qh j就是并行数据的输出端了。CLOCK 和RESET分别为时钟和复位端

(原文件名:74HC164引脚图.jpg)

下面我们再看看它的真值表，有了真值表我们才知道如何正确的去编写程序去驱动它(其它复杂的器件还需要对照时序图编写相应的驱动程序)

(原文件名:74HC164真值表.jpg)
呵呵，怎么样，这个表很简单吧，相信大家都能够看的懂。当Reset为低电平时不管时钟为高电平还是低电平也不管输入引脚A1,A2为何值，输出的并行数据均为低电平。当Reset为高电平时，只有在时钟的上升沿，A1A2上的值才被移位输出。看懂了这张表那么剩下的事情就好办多了。
下面我以级联的8块74HC164驱动8位共阴的数码管为例来阐述它的用途。当然它的用途并不仅仅在于此。你可以发挥你的聪明才智去应用它到你的设计中

(原文件名:74hc164级联数码管.jpg)
以上的连接中Reset脚要全部接高电平。所有的Clock引脚都要连接在一块。第一块74HC164的AB引脚接在一块作为串行数据的输入端。第二块74HC164的AB引脚接在第一块74HC164并行数据输出端的H脚上。后面的接法依照第二块的接法依次级联下去。
接好后共引出四根引线。其中电源两根。一根时钟线。一根串行数据输入线。怎么样，节省了不少IO口吧~~
下面看看如何写程序去驱动它。(编译器keil Uv3)
先看看下面的引脚连接及相关宏定义
sbit io_74hc164_SCK = P3^7 ;
sbit io_74hc164_SDA = P3^6 ;

#define IO_74HC164_SCK_HIGH    io_74hc164_SCK = 1 ;
#define IO_74HC164_SCK_LOW    io_74hc164_SCK = 0 ;
#define IO_74HC164_SDA_INPUT    io_74hc164_SDA
下面是数码管的段码表可以根据不同的连接顺序去修改。
/***********************************************************
a -- 4  b -- 5  c -- 6  d -- 2
e -- 0  f -- 1  g -- 3  dp -- 7
***********************************************************/
uint8 code DisplayTable[]=
{
   0x77,0x60,0x3D,0x7C,0x6A,0x5E,0x5F,0x70,0x7F,0x7E,0x7B,0x4F,0x17,0x6D,0x1F,0x1B,0x08/*0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f -  */
};
void v_74hc164WriteData_f( uint8 Dat )    //向74HC164写一个字节的内容
{    //即可并行输出该字节
uint8 i = 0 ;
uint8 SendData = Dat ;
for( i = 8 ; i > 0 ; i-- )
{
IO_74HC164_SCK_LOW
SendData <<= 1 ;
IO_74HC164_SDA_INPUT = CY ;
IO_74HC164_SCK_HIGH
}
}

void v_HexToBcd_f( uint8 *P, uint16 Dat )    //BCD码的转化
{
uint8 i = 0 ;
uint8 Temp ;
if( Dat >= 40000 ) { i  = 4 ; Dat -= 40000 ; }
if( Dat >= 20000 ) { i += 2 ; Dat -= 20000 ; }
if( Dat >= 10000 ) { i += 1 ; Dat -= 10000 ; }
*P++ = i ;
i = 0 ;

if( Dat >= 8000 ) { i  = 8 ; Dat -= 8000 ; }
if( Dat >= 4000 ) { i += 4 ; Dat -= 4000 ; }
if( Dat >= 2000 ) { i += 2 ; Dat -= 2000 ; }
if( Dat >= 1000 ) { i += 1 ; Dat -= 1000 ; }
*P++ = i ;
i = 0 ;

if( Dat >= 800 )  { i  = 8 ; Dat -= 800 ; }
if( Dat >= 400 )  { i += 4 ; Dat -= 400 ; }
if( Dat >= 200 )  { i += 2 ; Dat -= 200 ; }
Temp = Dat ; //这里换成8位数据,是为了加快速度
if( Temp >= 100 )  { i += 1 ; Temp -= 100 ; }
*P++ = i ;
i = 0 ;

if( Temp >= 80 ) { i  = 8 ; Temp -= 80 ; }
if( Temp >= 40 ) { i += 4 ; Temp -= 40 ; }
if( Temp >= 20 ) { i += 2 ; Temp -= 20 ; }
if( Temp >= 10 ) { i += 1 ; Temp -= 10 ; }
*P++ = i ;
*P = Temp ;
}
/**************************************************************************
* Function:    void v_74hc164DisplayNumber_f( uint8 data *Seg, uint8 Dot, int16 Dat )                         *
* Description: 在8位数码管数值以及两位自定义字符             *
*    *                *
* Parameter: *Seg :  指向存放自定义字符数据的地址          *
*                Dot :  小数点相对数值的显示位置(取值范围1~5,当取0 或者大于5的数值时,小数点不显示)             *
*                   Dat :  显示数据(有符号整型数据,取值范围-32768~32767)    *
**************************************************************************/
void v_74hc164DisplayNumber_f( uint8 data *Seg, uint8 Dot, int16 Dat )
{
bit zf = 1, OverWrite = 1, zf_lock = 1 ;
uint8  i , j , k = 4 ;
uint8 Buffer[5] ;
if ( Dat < 0 )
{
zf = 0 ;
Dat = ABS( Dat ) ;    //如果是负数,则取其绝对值,并将负值标志位清0
}
v_HexToBcd_f( Buffer, Dat ) ; //将数据每个位拆分,放在数组中最高位放在数组的第//一个成员
for( i = 5 ; i >= 2 ; i-- )       //判断数据的位数(如1234,则位数为4)
{
if( Buffer[ 5 - i ] > 0 ) break ;  //判断出最高位不为0即可
}
if( ( Dot >= i ) && Dot < 6 ) i = Dot ;    //如果小数点打在数字前面，则该数字前面添0.( 数//字12,小数点打在第四位,则合理的显示应该为0.0012)
j = 5 - i ;
for(  ; i >= 1 ; i-- ) //显示数值
{
if( Dot == ( 5 - k ) ) //如果该位有小数,则显示应该加上一个'.'
   v_74hc164WriteData_f( DisplayTable[ Buffer[ k ] ] | 0x80 ) ;
else
   v_74hc164WriteData_f( DisplayTable[ Buffer[ k ] ] ) ;
k-- ;
}
if( zf_lock ) //判断正负,如果为负值则显示'-'号,否则显示空
{
if( ( zf == 0 )  )
{
v_74hc164WriteData_f( 0x08 ) ;
}
else
{
v_74hc164WriteData_f( 0x00 ) ;
}
zf_lock = 0 ;
}
for( ; j > 0 ; j-- ) //多余的位显示空
{
v_74hc164WriteData_f( 0x00 ) ;
}
v_74hc164WriteData_f( Seg[ 1 ] ) ;    //显示第一个自定义编码的字符
v_74hc164WriteData_f( Seg[ 0 ] ) ;    //显示第二个自定义编码的字符
}

我们要想显示数值，直接调用这个函数v_74hc164DisplayNumber_f( uint8 data *Seg, uint8 Dot, int16 Dat )就可以了。看看显示效果。

(原文件名:显示效果1.jpg)

(原文件名:显示效果2.jpg)

其中PC是我们显示的自定义字形。小数点的位置是用程序固定打在某处的。以满足某些情况下的特殊要求。

(原文件名:显示效果3.jpg)

仁者见仁，智者见智。相信你弄懂了它的用法，就可以把它灵活的应用到你设计中去了。

下面让我们来认识另外一种芯片。74HC165。看它的名字就知道它和74HC164有那么一点点关系了。我们之前已经知道了74HC164是串行输入并行输出的移位寄存器。而74HC165恰好相反。它是并行输入，串行输出。用来作单片机系统的输入部分的扩展是一个不错的选择。和上面一样。我们在使用之前需要对这个芯片有一个明确的了解。了解一个芯片最好的办法就是看它的DATASHEET了。有一份DATASHEET在手，自己先看看。对它的引脚及功能特性要了解。如果觉得不够的话，还可以上网去搜索一下用过这款芯片的人的使用经验。呵呵，那样可以使你少走不少弯路哦。

(原文件名:74HC165引脚图.jpg)
上面这幅图就是74HC165的引脚图了。其中A~H就是8位并行数据的输入端。Qh 和/Qh 是串行数据的输出端。为什么有两个输出端呢。它们是互补输出的。也就是说一个输出1时另外一个输出的是0，以满足某些应用场合的特殊要求。SER是串行数据的输入端。这其实为我们的将多块芯片级连起来创造了很好的条件。而事实上最后我们确实也是通过这个引脚将多块74HC165级联起来使用。CLK是时钟端。SH/LD是移位和锁存并行数据端。具体的介绍大家可以去看DATASHEET。

(原文件名:74HC165功能描述.jpg)
上面这幅图就是功能描述了。相信大家对这段英文都不是很陌生。如果你看不懂的话可以动手去查字典。想学电子的人不会看英文的资料可不行。这里希望大家不要再抱有什么幻想。基本上看原文的DATASHEET是最好的选择。如果你懒，可以去看别人的翻译版本。但是如果没有翻译的版本呢？
OK，下面依旧是以一个实例来说明它的用法。我们用两块74HC165级联起来组成的有16个按键的键盘为例来讲解。
下面是电路连接图

(原文件名:74HC165键盘.jpg)
图中J2,J3是两个上拉电阻(8位一体的排阻，阻值取4.7k左右就可以了)。
下面来让我们一起去驱动它吧。

//下面是引脚的连接以及相关必要的宏定义
sbit io_74hc165_SH_LD = P2^0 ;
sbit io_74hc165_CLK    = P2^1 ;
sbit io_74hc165_SDA    = P2^2 ;

#define MAX_NUM_74HC165    2
#define NOKEY    0x00
#define KEY_WAIT         0
#define KEY_PRESS    1
#define KEY_CONFIRM      2
#define KEY_WAIT_REALSE    3

static u8_Read74hc165_f( void )
{
uint8 i, j  ;
uint8 KeyAddress[ MAX_NUM_74HC165 ] ;
uint8 ReadReturn ;
   io_74hc165_SH_LD = 0 ;          //锁存并行数据开始
   io_74hc165_SDA = 1 ;    //准备读串行数据(也起到延时作用)
   io_74hc165_SH_LD = 1 ;    //锁存并行数据结束
   for( j = 0 ; j < MAX_NUM_74HC165 ; j++ )
   {
        for( i = 8 ; i >= 1 ; i-- )
   {
     io_74hc165_CLK = 0 ;       //时钟拉低
if( io_74hc165_SDA == 0 )break ; //有键按下，数据为1
io_74hc165_CLK = 1 ;      //时钟拉高
   }
   KeyAddress[ j ] = i ; //有键压下，则i的取值在1~8之间，无键压下，i = 0
   }
   for( j = 0 ; j < MAX_NUM_74HC165 ; j++ )
   {
     if( KeyAddress[ j ] == 0 ) ReadReturn = 0x00 ;
else
{
ReadReturn = KeyAddress[ j ] + j * 8 ;
break ;
}
   }
return ReadReturn ;

}

下面的这个函数就是读键盘的函数了。
uint8 u8_ReadKeyboard74hc165_f( void )
{
static uint8 KeyState = KEY_WAIT ;
uint8 KeyTemp = NOKEY, KeyValue = NOKEY ;
KeyTemp = u8_Read74hc165_f() ;

switch( KeyState )
{
case KEY_WAIT : if( KeyTemp == NOKEY ) KeyState = KEY_WAIT ;
else KeyState = KEY_PRESS ; break ;

case KEY_PRESS : if( KeyTemp == NOKEY ) KeyState = KEY_WAIT ;
else    KeyState = KEY_CONFIRM ; break ;

case KEY_CONFIRM : if( KeyTemp == NOKEY ) KeyState = KEY_WAIT ;
else
{
KeyState = KEY_WAIT_REALSE ;
KeyValue = KeyTemp ;
} break ;
case KEY_WAIT_REALSE :if( KeyTemp != NOKEY ) KeyState = KEY_WAIT_REALSE ;
else
{
KeyState = KEY_WAIT ;
}break ;
default : break ;
}
return KeyValue ;
}

我们在主函数中调用u8_ReadKeyboard74hc165_f( ) 就可以得到键值了。

(原文件名:键盘显示键值1.jpg)

上图我用74HC164级联的数码管来显示74HC165键盘的键值的情况。当按第二个键时显示的是2.

(原文件名:键盘显示键值2.jpg)
到此单片机的IO口的扩展告一段落。希望这两个小例子能够给你一点启发。能够给你在以后的学习及设计中带来一点灵感。

文中错误之处还望各位高手不吝指正。

jchqxl · 发表于 2009-4-7 21:42:27

不是吧~~看都没人看~~

teencole · 发表于 2009-4-7 22:13:32

不错。很多用595扩展I/O

ch2003_23 · 发表于 2009-4-7 22:35:56

楼主谢谢，不错

xiaochuhe · 发表于 2009-4-8 10:16:05

谢谢楼主的分享正学习呢

xk061809 · 发表于 2009-5-10 20:33:45

很好，学习了！

hall · 发表于 2009-5-31 18:20:37

谢谢,学习

uestcduoduo · 发表于 2009-7-10 20:13:47

不错谢谢楼主~~

shaorei · 发表于 2010-4-22 22:56:19

mark一下，可能会用到，谢谢楼主

xiaozhuzi · 发表于 2010-4-24 18:51:05

楼主蛮辛苦的

to_destiny · 发表于 2010-4-24 23:14:45

thank you.
here we are...

kingd126 · 发表于 2010-4-27 12:24:05

学习了
回复【10楼】to_destiny 笑谈
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学习了

zlulu2006 · 发表于 2010-5-23 18:54:08

学习了……

0331631 · 发表于 2010-5-23 23:49:39

回复【12楼】zlulu2006
学习了……
-----------------------------------------------------------------------

学习了

AMARS · 发表于 2010-5-24 00:07:00

好东西，收藏了

tonydh · 发表于 2010-5-25 10:59:54

mark

lzg-grant · 发表于 2010-8-9 14:16:47

很好啊。不像书上写的扩展要8255

lzg-grant · 发表于 2010-8-9 15:07:21

有点看不懂啊。新手啊
能不能再讲详细点，怎么驱动的啊？

qiang2xiang · 发表于 2010-8-9 21:54:00

获益匪浅啊！

zgs523801275 · 发表于 2010-8-30 17:28:54

mark

laoshideyang · 发表于 2010-8-30 20:56:22

刚开始学，谢谢啊

wwwssslllxxx · 发表于 2010-8-30 21:32:14

多谢

9902540220 · 发表于 2010-10-14 10:08:10

最近我也用用165做了个按键扩展.
用3片165级联扫描25个按键.杯具的是,我的按键上没有接上拉.结果...

有没有办法能不接上拉也能扫描出按键来呢?

247683915 · 发表于 2010-10-15 01:05:45

谢谢分享！！

millwood0 · 发表于 2010-10-15 03:03:55

"学习单片机快1年了"

that is a very inefficient way of using the chip.

1) the best approach is to use 8 data pins (for 7 segments + dp) for all LEDs, and the turn each led on from one pin on hc164. so if you were to drive 16 leds, you need 2 hc164, driven by two pins (one for serial data + 1 for clock), + 8 pins.

2) if you cannot afford to have a 8 data pins, you can use another hc164, driven by two pins (again, one for serial data + 1 for clock) that deliver segment data to all LEDs, and another two pins to drive all the leds. so for a total of 16 leds, you need four data lines, and 3 leds: one for segment data, and two for 16 leds.

millwood0 · 发表于 2010-10-15 06:04:08

here is a quick demo of the concept.

it uses two hc164 to drive up to 8 7-segment leds (3 leds in our example).

=========code================
//using hc164 to drive common anode 7-segment leds
//each led is turned on by hc164

#include <regx51.h>
#include "gpio.h"
#include "delay.h"

//hardware configuration
#define LED_PORT P2
#define LED_DDR P2
#define LED_PINs 0xff //led data pins on P2. data pins from all 7-segment leds tied together
//pin mapping:
//P0 -> A,
//P1 -> B,
//P2 -> C,
//P3 -> D,
//P4 -> E,
//P5 -> F,
//P6 -> G
//P7 -> DP (not used)

#define HC164_PORT P3
#define HC164_DDR P3
#define HC164_SDI (1<<3) //hc164 serial data in
#define HC164_CLK (1<<0) //hc164 clock
#define HC164_MAX 2 //number of HC164 daisy-chained. each HC164 drives 8 7-segment leds
//end hardware configuration

#define LED_ON(val) LED_PORT =~(val) //common anode, 0-> led on, 1-> led off
#define LED_OFF() LED_ON(0x00) //turn off all led segments

#define HC164_STROBE() {IO_SET(HC164_PORT, HC164_CLK); IO_CLR(HC164_PORT, HC164_CLK);} //strobe the clk

const unsigned char code ascii_table[]= {
0x3f, //0
0x06, //1
0x5b, //2
0x4f, //3
0x66, //4
0x6d, //5
0x7d, //6
0x07, //7
0x7f, //8
0x6f //9
};

//for faster switching, consider using delay_us()
//this allows user to specify display duration for individual digits
const unsigned char code hc164_delay[8*HC164_MAX] = { //delay for each bit / led
10, //10ms delay for led0
10,
0,
0,
0,
0,
0,
0, //no delay if no led attached to that bit
0, //2nd hc164 starts here
0,
0,
10,
0,
0,
0,
0
};

unsigned char vRAM[8*HC164_MAX]="9100000000020000"; //to be displayed

void mcu_init(void) {
LED_OFF(); //turn off all leds
IO_OUT(LED_DDR, LED_PINs); //led_pins as output

IO_CLR(HC164_PORT, HC164_SDI | HC164_CLK); //_sdi/clk pins low
IO_OUT(HC164_DDR, HC164_SDI | HC164_CLK); //sdi/clk as output
}

int main(void) {
unsigned char i;
mcu_init(); //reset the mcu
while (1) {
LED_OFF(); //turn leds off
IO_SET(HC164_PORT, HC164_SDI); //send the initial 1
for (i=0; i<8*HC164_MAX; i++) {
HC164_STROBE(); //strobe the clk
//display char
LED_ON(ascii_table[vRAM-'0']);
delay_ms(hc164_delay); //some delay to allow the leds to be on
LED_OFF(); //turn off leds before shifting in the next digit
IO_CLR(HC164_PORT, HC164_SDI); //send the next bit
}

}
}
==========end===============

millwood0 · 发表于 2010-10-15 06:06:54

here is the simulation of it.

(原文件名:20. 7-segment HC164.PNG)

basically, the shift registers are only used to turn on individual 7-segment leds. the display data is put on P2 for all LEDs but since only one led is on at any given time, no cross-display of data on the wrong led.

the code can be easily modified to display more leds, or to drive led matrix - you just need to treat each column in a led matrix as one 7-segment led here.

millwood0 · 发表于 2010-10-15 06:08:24

this particular piece of code utilizes all of LED_PORT (P2 in this case) to display data. you obviously can use a shift register to do that, saving 8-2 pins.

all you need to change in that case is the LED_ON() macro, and the rest of the code remains the same.

obviously, this code is very portable to other mcus.

284857914 · 发表于 2010-10-15 19:57:27

学习了，谢谢楼主啊。。。正在学习

intentydh · 发表于 2010-10-18 17:48:47

mark

grant-liao · 发表于 2010-12-2 16:28:51

楼主原来我看你的思路没明白
今天我明白了，但是我发现你把简单的东西讲的太复杂了。
其实就是串行中断的0方式，用作同步移位寄存器使用
也就是串行输入，并行输出，（需要有串入并出的移位寄存器如CD4049,74LS164,74HC164等）
或者是并行输入，串行输出。
需要注意的是数据是低位在前，高位在后。

clqfly · 发表于 2010-12-2 16:55:08

mark

grant-liao · 发表于 2011-1-24 11:00:58

状态机用的好啊
温故而知新啊
又看了一遍
还的慢慢消化

lajiao · 发表于 2011-3-31 23:08:21

回复【楼主位】jchqxl 红金龙吸味
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菜鸟飘过，明天继续学习

fs2011 · 发表于 2012-4-5 16:50:23

mark 呵呵

我的51单片机学习笔记----I/O口篇

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