《微型计算机技术及应用》课程授课教案（讲义）第5章 51单片机的外围模块及应用 5.1 并口

第五章51单片机的外围模块及应用1、并行I/0口MCS-51共有4个8位的I/O口（PO、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入/输出。2、定时/计数器8051共有两个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。3、串行口MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。5.1并行口及其应用51单片机有4个1/O端口，每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。每个端口都包括一个锁存器（即专用寄存器PO~P3)、一个输出驱动器和输入缓冲器。通常把4个端口笼统地表示为PO~P3。I/O口引脚（1）PO（PO.0~PO.7）：作为普通I/O口使用，须外接上拉电阻；作为与外部传送数据的8位数据总线（DO~D7）；作为扩展外部存储器时的低8位地址总线（A0~A7）。（2）P1口（P1.0~P1.7）:

第五章 51单片机的外围模块及应用 1、并行I/O口 MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输 入/输出。 2、定时/计数器 8051共有两个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时 或计数结果对计算机进行控制。 3、串行口 MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串 行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作 为同步移位器使用。 5.1 并行口及其应用 51单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。每个端 口都包括一个锁存器(即专用寄存器P0～P3)、一个输出驱动器和输入缓冲器。通常 把4个端口笼统地表示为P0～P3。 I/O口引脚 （1） P0口（P0.0～P0.7）： 作为普通I/O口使用，须外接上拉电阻； 作为与外部传送数据的8位数据总线（D0～D7）； 作为扩展外部存储器时的低8位地址总线（A0～A7）。 （2） P1口（P1.0～P1.7）：

作为普通I/O口使用，无须外接上拉电阻（80C52的P1.0和P1.1还具有特殊功能见表2-1）。(3）P2(P2.0~P2.7):作为普通/O口使用，无须外接上拉电阻。作为扩展外部存储器时的高8位地址总线（A8~A15）。(4) P3(P3.0~P3.7):作为普通/O口使用，无须外接上拉电阻；每个引脚都具有第二功能。51系列单片机的并行口，按其特性可分为以下类型：单一的准双向口多种功能复用的准双向口;可作为地址总线输出口的准双向口；可作为地址/数据总线口的三态双向口。VCC读锁存器内部上拉电阻内部总线D锁存器写锁存器Q读引脚

作为普通I/O口使用，无须外接上拉电阻（80C52的P1.0和P1.1还具有特 殊功能见表2-1）。 （3） P2口（P2.0～P2.7）： 作为普通I/O口使用，无须外接上拉电阻。 作为扩展外部存储器时的高8位地址总线（A8～A15）。 （4）P3口（P3.0～P3.7）： 作为普通I/O口使用，无须外接上拉电阻； 每个引脚都具有第二功能。 51系列单片机的并行口，按其特性可分为以下类型： 单一的准双向口； 多种功能复用的准双向口； 可作为地址总线输出口的准双向口； 可作为地址/数据总线口的三态双向口。 锁存器 Q D Q 读锁存器 写锁存器 内部总线 读引脚 内部上拉电阻 T VCC

（a）单一功能准双向口VCC第二输出功能读锁存器内部上拉电阻内部总线-锁存器写锁存器Q读引脚第二输入功能（b）多功能准双向口VC控地读锁存内部上拉电内部总DQ锁存写锁存Q读引（c）可作为地址总线口的准双向口P2

（a）单一功能准双向口 （b）多功能准双向口 （c）可作为地址总线口的准双向口P2 . 锁存器 Q D Q 读锁存器 写锁存器 内部总线 读引脚 T VCC 第二输入功能 第二输出功能 内部上拉电阻 锁 存 器 Q D Q 读锁存 器 写锁存 器 内部总 线 读 引 脚 T VC C 地 址 控 制 内 部 上 拉 电 阻 MU X

VO地址/数控读锁存内部总D锁存写锁存.Q读引（d）可作为地址/数据总线口的三态双向口PO读锁存器和读引脚指令当把PO~P3口作为输入引脚使用时，以I/O口作为源操作数的数据传送指令、算术/逻辑运算指令及位测试转移指令等均属读引脚指令。所有的“读一改一写”指令均读I/O口锁存器。结构组成：它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成--准双向口。功能：作为通用1/O使用。VCC读锁存器内部上拉电阻内部总线DP1.nP1.n锁存器写锁存器读引脚

（d）可作为地址/数据总线口的三态双向口 P0 读锁存器和读引脚指令 当把 P0~P3 口作为输入引脚使用时，以 I/O 口作为源操作数的数据传送指 令、算术/逻辑运算指令及位测试转移指令等均属读引脚指令。 所有的“读—改—写”指令均读 I/O 口锁存器。 结构组成：它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成- 准双向口。 功能：作为通用 I/O 使用。 P1.n 锁存器 P1.n Q D Q 读锁存器 写锁存器 内部总线 读引脚 内部上拉电阻 T VCC 锁 存 器 Q D Q 读锁存 器 写锁存 器 内部总 线 读 引 脚 T1 T2 VC C MU X 地 址 / 数 据 控 制

图5-1-1P1口的口线逻辑电路图5.1.1 P1 口结构组成：它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成----准双向口。P1口作输出口时，内部数据经过锁存器送到P1.0---P1.7上。由于内部有上拉电阻，所以P1口作输出口使用时，不用外接上拉电阻。P1口作输入口时，P1.0一P1.7上的信号经过缓冲器送到内部数据总线上。在读引脚之前，要先将锁存器置1，否则总是读到0。CPU对I/O口的读操作有2种：读引脚和读锁存器。5.1.2 P3 功能：它除了可作为通用I/O端口外，还具有第二功能。作为通用I/O口使用时，与P2口类似。此时第二输出功能控制信号为1。VCC第二输出功能读锁存器内部上拉电阻内部总线DQP3.nP3. n锁存器写锁存器Q>读引脚第二输入功能图5-1-2P3口的口线逻辑电路图此时CPU自动向锁存器写1，引脚部分输入(第二输出功能控制信号为1),部分输出（从第二输出功能输出信号）。5.1.3P2口功能：作为通用1/O使用和高8位地址线

图 5-1-1 P1 口的口线逻辑电路图 5.1.1 P1 口 结构组成： 它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成-准双向口。 P1 口作输出口时，内部数据经过锁存器送到 P1.0-P1.7 上。由于内部有上拉电阻， 所以 P1 口作输出口使用时，不用外接上拉电阻。 P1 口作输入口时，P1.0—P1.7 上的信号经过缓冲器送到内部数据总线上。在读 引脚之前，要先将锁存器置 1，否则总是读到 0。 CPU 对 I/O 口的读操作有 2 种：读引脚和读锁存器。 5.1.2 P3 口 功能：它除了可作为通用 I/O 端口外，还具有第二功能。 作为通用 I/O 口使用时，与 P2 口类似。此时第二输出功能控制信号为 1。 图 5-1-2 P3 口的口线逻辑电路图 此时 CPU 自动向锁存器写 1，引脚部分输入(第二输出功能控制信号为 1) ,部分 输出(从第二输出功能输出信号) 。 5.1.3 P2口 功能：作为通用 I/O 使用和高 8 位地址线。 P3.n 锁存器 P3.n Q D Q 读锁存器 写锁存器 内部总线 读引脚 T VCC 第二输入功能 第二输出功能 内部上拉电阻

1.P2口作为普通1/O口CPU发出控制电平“O”，使多路开关MUX倒向锁存器输出Q端，构成一个准双向口。其功能与P1相同。VCC控制地址读锁存器内部上拉电阻内部总线QP2.nDMUXP2. n锁存器写锁存器Q读引脚2.P2口作为地址总线CPU发出控制电平1"，使多路开关MUX倒内部地址线。此时，P2输出高8位地址。5.1.4P0功能：既可以作为通用/O用，也可以作为地址/数据线用。结构组成：它由一个输出锁存器，两个三态输入缓冲器，一个多路转换开关MUX，和输出驱动电路组成

1.P2 口作为普通 I/O 口 CPU 发出控制电平“0” ，使多路开关 MUX 倒向锁存器输出 Q 端，构成一个准 双向口。其功能与 P1 相同。 2.P2 口作为地址总线 CPU 发出控制电平“1”，使多路开关 MUX 倒内部地址线。此时，P2 输出高 8 位地址。 5.1.4 P0口 功能：既可以作为通用I/O用，也可以作为地址/数据线用。 结构组成：它由一个输出锁存器，两个三态输入缓冲器，一个多路转换开关MUX， 和输出驱动电路组成。 P2.n 锁存器 P2.n Q D Q 读锁存器 写锁存器 内部总线 读引脚 T VCC 地 址 控 制 内部上拉电阻 MUX

VCC地址/数据控制读锁存器T内部总线Po.nQDPo. n锁存器写锁存器T2QMUX读引脚图5-1-4PO口的口线逻辑电路图1.PO口作普通I/O使用PO口作为通用I/O使用时,CPU发出控制电平"O封锁"与"门，将输出上拉场效应管T1截止，多路开关MUX接通锁存器O反端的输出通路。PO口作为输出口使用时，来自CPU的写脉冲加在D触发器的CP端，数据写入锁存器，并向端口引脚输出。PO口作输出口使用时，必须外接上拉电阻。PO口作输入口时，PO.0一PO.7上的信号经过缓冲器送到内部数据总线上。在读引脚之前，要先将锁存器置1，否则总是读到O。CPU对I/O口的读操作有2种：读引脚和读锁存器2.PO作为地址/数据总线在系统扩展时，PO端口作为地址/数据总线使用时，分为：输出地址/输出数据、输出地址/输入数据PO引脚输出地址/输出数据：CPU发出控制电平"1"，打开"与"门，又使多路开关MUX把CPU的地址/数据总线与T2栅极反相接通，输出地址或数据。PO引脚输出地址/输入数据：输入信号是从引脚通过输入缓冲器进入内部总线，此时，CPU自动使MUX向下，并向PO口写"1”，"读引脚控制信号有效，下面的缓

图 5-1-4 P0口的口线逻辑电路图 1.P0 口作普通 I/O 使用 P0口作为通用I/O使用时,CPU发出控制电平“0”封锁“与”门，将输出上拉场效 应管T1截止，多路开关MUX接通锁存器Q反端的输出通路。 P0口作为输出口使用时, 来自CPU的写脉冲加在D触发器的CP端，数据写入锁 存器，并向端口引脚输出。 P0口作输出口使用时，必须外接上拉电阻。 P0口作输入口时，P0.0—P0.7上的信号经过缓冲器送到内部数据总线上。在 读引脚之前，要先将锁存器置1，否则总是读到0。CPU对I/O口的读操作有2种： 读引脚和读锁存器 2.P0作为地址/数据总线 在系统扩展时，P0端口作为地址/数据总线使用时，分为：输出地址/输出数据、 输出地址/输入数据 P0引脚输出地址/输出数据:CPU发出控制电平“1”，打开“与”门，又使多路开关 MUX把CPU的地址/数据总线与T2栅极反相接通，输出地址或数据。 P0引脚输出地址/输入数据：输入信号是从引脚通过输入缓冲器进入内部总线。 此时，CPU自动使MUX向下，并向P0口写“1”，“读引脚”控制信号有效，下面的缓 P0.n 锁存器 P0.n Q D Q 读锁存器 写锁存器 内部总线 读引脚 T1 T2 VCC MUX 地址/数据 控制

冲器打开，外部数据读入内部总线。I/O口的驱动能力P口的拉电流驱动能力较弱，<1ma；P口的灌电流驱动能力较强约为10ma；某个P口8个管脚的总驱动能力约为3-40ma一般来讲，P1-3可以驱动3-4个TTL负载，PO口可以驱动8个TTL负载直流负载的驱动单片机经常被用来驱动直流负载：例如：LED发光二极管、蜂鸣器、继电器、灯等。根据负载情况，可以用如下驱动方式：直接驱动三极管驱动使用驱动IC场效应晶体管（MOSFET)驱动1、直接LED驱动电源电压。Vcc=5VLED正向压降，Vdiode=2V所需LED电流，Idiocde=10mA，！以上条件的计算结果是需要300Q的电阻。2、直接负载驱动驱动小功率直流负载（5V，100mW）一般负载和LED的主要区别是负载上的电压降（典型地）是5v（指在5V系统中，3V系统中为3V），不需要限流电阻3、IC缓冲放大器驱动当I/O口不能提供足够的驱动能力时，可以用IC驱动器。如7404等。4、三极管驱动当I/O口不能提供足够的驱动能力时，也可以用PNP或NPN三极管提供驱动。PNP驱动时，如果其放大倍数为1O0，则能提供1A以上的电流驱动能力。接通灯和直流电动机

冲器打开，外部数据读入内部总线。 I/O口的驱动能力 P口的拉电流驱动能力较弱，<1ma; P口的灌电流驱动能力较强约为10ma； 某个P口8个管脚的总驱动能力约为3-40ma 一般来讲，P1-3可以驱动3-4个TTL负载，P0口可以驱动8个TTL负载 直流负载的驱动 单片机经常被用来驱动直流负载： 例如：LED发光二极管、蜂鸣器、继电器、灯等。 根据负载情况，可以用如下驱动方式： 直接驱动 三极管驱动 使用驱动IC 场效应晶体管(MOSFET)驱动 1、直接LED驱动 电源电压。Vcc=5V LED正向压降，Vdiode=2V 所需LED电流，Idiocde=10mA， 以上条件的计算结果是需要300Ω的电阻。 2、直接负载驱动 驱动小功率直流负载（5V，100mW） 一般负载和LED的主要区别是负载上的电压降（典型地）是5v（指在5v系统中， 3V系统中为3V），不需要限流电阻 3、IC缓冲放大器驱动 当I/O口不能提供足够的驱动能力时，可以用IC驱动器。如7404等。 4、三极管驱动 当I/O口不能提供足够的驱动能力时，也可以用PNP或NPN三极管提供驱动。 PNP驱动时，如果其放大倍数为100，则能提供1A以上的电流驱动能力。 接通灯和直流电动机

当控制灯和直流电动机时，接通瞬间电流很大，冲击电流持续数百毫秒才降到稳态值。解决方法：串入热敏电阻。断开感性负载，如继电器（线圈）、大功率蜂鸣器等。断开瞬间产生反电动势，将导致驱动管和I/O口产生很高的电压，损坏器件。驱动大功率蜂鸣器5、IC驱动器通用灌电流IC驱动器ULN2803，包含8个达林顿管驱动器，每个驱动管能够开关50V、0.5A（直流）6、场效应管驱动器提供高功率驱动能力（大电压、大电流，几A到数十A）开关速度高静电敏感场效应管驱动直流电机5.1.5并行口的应用--晶闸管的接口和编程晶闸管接口硬件电路有过零检测电路和加热控制电路组成；通过控制导通角来控制加热功率。程序设计查询P3.2上负跳变的方法确定交流电进入正半周；通过延时决定导通角的方法实现对电热丝功率的控制；延时时间到，P1.0输出一正脉冲，可控硅导通，电阻丝开始加热5.1.6并行口的应用---拨码盘的接口和编程一、BCD拨码盘的构造拨码盘的结构和型号有多种，常用的为BCD拨码盘。BCD拨码盘具有0~9十个位置，可以通过齿轮型圆盘拨到所需的位置，每个位置都有相应的数字指示，一个拨码盘可以输入1位十进制，如果要输入4位十进制数据，需4个BCD拨码盘

当控制灯和直流电动机时，接通瞬间电流很大，冲击电流持续数百毫秒才降到 稳态值。 解决方法：串入热敏电阻。 断开感性负载，如继电器（线圈）、大功率蜂鸣器等。 断开瞬间产生反电动势，将导致驱动管和I/O口产生很高的电压，损坏器件。 驱动大功率蜂鸣器 5、IC驱动器 通用灌电流IC驱动器ULN2803，包含8个达林顿管驱动器，每个驱动管能够开 关50V、0.5A(直流) 6、场效应管驱动器 提供高功率驱动能力（大电压、大电流，几A到数十A） 开关速度高 静电敏感 场效应管驱动直流电机 5.1.5 并行口的应用-晶闸管的接口和编程 晶闸管接口 硬件电路有过零检测电路和加热控制电路组成； 通过控制导通角来控制加热功率。 程序设计 查询P3.2上负跳变的方法确定交流电进入正半周； 通过延时决定导通角的方法实现对电热丝功率的控制； 延时时间到，P1.0输出一正脉冲，可控硅导通，电阻丝开始加热 5.1.6 并行口的应用-拨码盘的接口和编程 一、BCD 拨码盘的构造 拨码盘的结构和型号有多种，常用的为 BCD 拨码盘。BCD 拨码盘具有 0~9 十个 位置，可以通过齿轮型圆盘拨到所需的位置，每个位置都有相应的数字指示，一个 拨码盘可以输入 1 位十进制，如果要输入 4 位十进制数据，需 4 个 BCD 拨码盘

表5-2BCD码拔码盘状态表842拉置1000OOO1O-2O0O+3OO.净4O0O.5?OMO6+O-7O*.美8O0D.9OO**0表示插入控制线A与数据线不通；*表示输入控制线A与数据线接通。5.1.7交流负载驱动考虑一下以下问题：家庭或者工业供暖系统中的水泵必须在预定的时间打开和关闭。围绕一座工厂的一系列高亮度照明灯，用于发生安全事故时的应急照明。酿酒厂的电加热器必须维持精确的温度。洗衣机中的电动机必须按照预先编好的程序运转。在这些和许多其他系统中，必须安全可靠地控制电压相对较高的交流电源。解决这个问题的两种普遍使用的控制方法：电磁继电器驱动交流固态继电器驱动电磁继电器驱动电磁继电器本质上是由流过电磁线圈的电流控制的机械开关。大多数情况下，大容量的电磁继电器不能直接从微控制器I/O端口驱动，需要用某种形式的三极管或者IC驱动电路驱动。5.1.8并行口的应用一一4X4键盘的接口和编程一、键盘工作原理

Ǿ 表示插入控制线 A 与数据线不通； * 表示输入控制线 A 与数据线接通。 5.1.7 交流负载驱动 考虑一下以下问题： 家庭或者工业供暖系统中的水泵必须在预定的时间打开和关闭。 围绕一座工厂的一系列高亮度照明灯，用于发生安全事故时的应急照明。 酿酒厂的电加热器必须维持精确的温度。 洗衣机中的电动机必须按照预先编好的程序运转。 在这些和许多其他系统中，必须安全可靠地控制电压相对较高的交流电源。 解决这个问题的两种普遍使用的控制方法： 电磁继电器驱动 交流固态继电器驱动 电磁继电器驱动 电磁继电嚣本质上是由流过电磁线圈的电流控制的机械开关。 大多数情况下， 大容量的电磁继电器不能直接从微控制器 I/O 端口驱动，需要用某种形式的三极管 或者 lC 驱动电路驱动。 5.1.8 并行口的应用——4X4 键盘的接口和编程 一、键盘工作原理