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1、第2篇 端口设计,目录2.1、端口结构介绍2.2、端口寄存器讲解2.3、端口实例讲解,2.1、端口结构介绍,AVR系列单片机的IO端口结构比基本51系列单片机的端口要复杂一些，以ATmega16单片机为例，它有4组8位IO端口，分别是PORTA、PORTB、PORTC和PORTD。,结构介绍：,图2-1,图2-2,下图2-3为AVR系列单片机端口结构示意图，每组IO口配备三个8位特殊功能寄存器，它们分别是方向控制寄存器DDRx（x代表AD），数据寄存器PORTx，和输入引脚寄存器PINx。例如端口A的特殊功能寄存器为DDRA、PORTA和PINA。,图2-3 AVR系列单片机端口结构,通过这组
2、寄存器，我们可以使每个端口实现双向数字IO通道或双向模拟量通道功能。ATmega16单片机的大部分端口具有除基本IO功能外的第二功能，关于第二功能的使用这里不作介绍。下面说明端口的基本IO输入输出和模拟量输入输出的工作过程。同步数字输出。作为输出时，总线给方向寄存器D触发器F9写1，三态门F1打开，总线来的数据经D触发器F10到达输出端Pxn，此时上拉电阻是关断的。数字输入。作为输入时，总线给方向寄存器D触发器F9写0，三态门F1关断，上拉电阻根据需要由PUD选择是否导通，在休眠信号SLEEP无效时，模拟开关M1打开，MOS管T2截止，从Pxn来的输入信号经整形电路F7和同步锁存器进入三态门F
3、4成为同步输入信号。,模拟量输入输出。在模拟量输入输出模式下，通过设置使上拉电阻、三态门F1和模拟开关M1都处于关断状态，管脚Pxn直接连通单片机内部相关模拟量输入输出单元，为单片机内部模拟比较器、A/D转换器及D/A转换器等功能单元提供与外围连接的通道。,2.2、端口寄存器讲解,位7:0：PA口的每一位的输入或输出定义。0:表示该位为输入方式。1:表示该位为输出方式。,位7:0：PA口输入缓冲器的值。0:该位输入为0。1:该位输入为1。,位7:0：PA口输出缓冲器的值。0:该位输出为0。1:该位输出为1。,2.3、端口实例讲解,、流水灯设计、数码管设计、单一按键设计、矩阵键盘设计,、流水灯设
4、计,1、发光二级管的知识讲解2、设计任务3、硬件设计4、软件算法设计,发光二极管的参数与普通二极管大致相同，我们要掌握的是它的开启电压和工作电流。电流太大容易烧毁，太小亮度不够。以磷化钾做成的LED为例：开启电压：工作电流：允许最大电流：,1、发光二级管的知识讲解,发光二极管限流电阻的选取：,如图所示：可以求出限流电阻的取值范围。,发光二极管限流电阻的选取：,ATmega16端口的输入/输出电流：,设计任务：,硬件设计：,图2-4 硬件设计,顺时针设计算法：,逆时针设计算法：,、数码管设计,1、数码管基础知识讲解2、设计任务3、硬件设计 4、软件设计,、数码管的分类、数码管的判别、数码管的驱动
5、、数码管的字型码,1、数码管基础知识讲解：,、数码管的分类：,按发光二极管单元连接方式分为：共阳极数码管共阴极数码管,共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成共阳极(COM)的数码管。,图2-5 共阳数码管,共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成共阴极(COM)的数码管。,图2-6 共阴数码管,、数码管的判别：,共阳数码管在判别时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管在判别时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为
6、低电平时，相应字段就不亮。,、数码管的驱动：,数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态和动态两类静态显示驱动。,动态显示驱动 静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要58=40根I/O端口来驱动，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，我们常用74LS164/74HC595来驱动数码管。,动态显示驱动 动态驱动是将所有数码管
7、的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。,在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够
8、快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。,、数码管的字型码：,图2-7实物图,图2-8引脚图,数码管的字型码共阳极：,我们这里只讲静态驱动（74HC164驱动）的字型码,数码管的字型码共阴极：,74ls164引脚图和真值表：,2-9 引脚图,2-10 真值表,TTL与CMOS区别,74系列芯片电平区别,TTL电平和CMOS电平的区别：,74ls164工作时序：,图2-11 工作时序,2、设计任务：,3、硬件设计：,图2-12 硬件设计,数码管显示程序：,4、软件设计,、单一按键设计,1、单一按键原理2、设计任务3、软件算法设计,1、单一按键原理 通常的按键所用开关为机械弹性开关，当
9、机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms10ms。按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的，一般为零点几秒至数秒。键抖动会引起一次按键被误读多次。为确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理，必须去除键抖动。在键闭合稳定时读取键的状态，并且判别到键释放稳定后再作处理。,硬件消抖在键数较少时可用硬件方法消除键抖动。RS触发器为常用的硬件去抖，由于需要增加硬件设备，增大了系统的复杂性，所以硬件消抖一般不常用。软件消抖如果按键较多，
10、常用软件方法去抖，即检测出键闭合后执行一个延时程序，5ms10ms的延时，让前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按下。,2、设计任务按键消抖：,图2-13 按键消抖,按键消抖程序：if(!AJ1)_delay_cycles(80000);/延时10ms消抖 if(!AJ1)/确认有键按下 while(!AJ1);/等待按键释放,3、软件算法设计查询法,ATmega16单片机有21个中断源，在这21个中断中，包含1个非屏蔽中断（RESET）,3个外部中断（INT0、INT1、INT2）和17个内部中断。这些中断的优先级按照向量号排列，向量号越小优先级越高。本
11、例用到的中断源为外部中断请求1（INT1）。,ATmega16的中断源：,ATmega16的中断寄存器：,位6：SE：休眠使能控制位。0：CPU工作在正常模式；1：CPU工作在休眠模式，由SM2、SM1、SM0决定 休眠方式（请参阅手册）。位3-2：ISC11-0：决定INT1的中断触发方式：位1-0：ISC01-0：决定INT0的中断触发方式，同INT1。,位7/6/5：INTx：外部中断x使能位。0：不允许INTx中断；1：允许INTx中断。位4-3：保留。位1：IVSEL：中断向量选择位。0：中断向量位于 Flash存储器的起始址；1：中断向量转移到 Boot 区的起始地址。位0：IVC
12、E：中断向量修改使能位。0：不能改变IVSEL的值；1：能改变IVSEL的值。,位7/6/5：INTx：外部中断x标志位。0：INTx中断没有发生；1：INTx中断发生。位4-0：保留。当状态寄存器SREG的位I、通用中断控制寄存器GICR中断使能位INT1为1，并且INTx 位为1时，MCU即跳转到相应的中断向量。进入中断服务程序之后该标志自动清零。此外，标志位也可以通过写入1来清零。,软件设计中断法：,/外部中断INT1服务程序#pragma vector=INT1_vect_interrupt void INT1_isr(void)SREG_Bit7=0;/关闭全局中断 flag=1;/
13、标志位置位 while(!AJ1);/等待按键释放 SREG_Bit7=1;/全局中断打开,IAR中断服务程序的编写：,IAR中定义中断函数的格式是：#pragma vector=中断向量 _interrupt void 中断服务程序(void)中断处理程序 外部中断1的服务程序：#pragma vector=INT1_vect _interrupt void INT1_Server(void),、矩阵键盘设计,1、矩阵键盘设计原理2、设计任务3、硬件设计原理图4、软件算法设计,前面我们已经讲述了单一按键电路，对于单一按键每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费较大。为
14、了解决这个问题，采用矩阵键盘。,1、矩阵键盘设计原理,2、设计任务：,3、硬件设计原理图：,图2-14 硬件设计原理,4、软件算法设计：,软件处理键盘的方式，有编程扫描方式、定时扫描方式中断扫描方式。1、编程扫描工作方式是利用CPU在完成其它工作的空 余，调用键盘扫描子程序，来响应键输入要求。2、定时扫描工作方式是利用单片机内部定时器产生定 时中断（10ms），CPU响应中断后对键盘进行扫描、并在有键按下时转入键功能处理程序。3、中断扫描工作方式即当键盘上只要有键闭合，就向 CPU发出中断请求，CPU响应中断，立即中断当前正 在运行的程序，转入执行中断服务程序，判断键盘 上闭合键的键号，并作相
15、应的键功能处理。,判断按键按下常用的方法有两种，即扫描法和反转、法，根据扫描 方式的不同，扫描法又可细分为逐行扫描和逐列扫描。1、扫描法是在判定有键按下后逐列（或行）置低电平，同时读入行（或列）状态，如果行（或列）状态出现 非全1状态，这时0状态的行、列交点的键就是所按下 的键。2、线反转法与扫描法相比，扫描法要逐列（或行）扫描 查询，当被按下的键处于最后一列（或行）时，则要 经过多次扫描才能最后获得此键所处的行列值。而线 反转法无论被按键是处于第一还是最后，均只须经过 两步便能获得此键所在的行列值。,矩阵键盘处理程序具体操作流程如下：1、判断键盘有无按下 PA.0、PA.1、PA.2、PA.
16、3输出全为“0”，再读入PB.0、PB.1、PB.2、PB.3 判断是否全 为“1”，若全为“1”，则无键按下，否 则有键按下。2、去键抖动影响 判断有键按下后，采用软件延时一段时间（10ms15ms），再次判断键盘状态，如果仍为有键按下状态，则认为此 键确实按下，否则按照键抖动处理。,3、确定闭合键的键号 PA.0 PA.1 PA.2 PA.3 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1,4、每次输出一行为“0”，相继读入列线PB.0、PB.1、PB.2、PB.3的状态。在依次读入PB.0、PB.1、PB.2、PB.3时，若全为“1”，表示为“0”的这一行上没有 键闭合，否则不全为“1”，表示为“0”的这一行上 有键闭合，而且闭合键所在的列就是PB.0PB.3中为“0”的列。确定了闭合键的位置后，计算出键值，即产生键码。5、等待闭合键释放，再对输入键进行处理。确保键的一 次闭合，CPU只作一次处理。,
