基于AT89C2051串口的LED數(shù)碼管顯示電路

    AT89C2051單片機(jī)內(nèi)有一個(gè)串行I／O端口，通過(guò)引腳RXD[P3．0]和TXD[P3．1]可與外部電路進(jìn)行全雙工的串行異步通信，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)由TXD端送出，接收時(shí)數(shù)據(jù)由RXD端輸入。串口有四種工作方式，通過(guò)編程設(shè)置，可以使其工作在任一方式以滿足不同的場(chǎng)合。其中，方式0是8位移位寄存器輸入／輸出方式，多用與外接移位寄存器以擴(kuò)展I／O端口。串口的工作方式可以參看相關(guān)的書(shū)籍，此處不做詳細(xì)介紹。方式 0的輸出是8位串行數(shù)據(jù)，通過(guò)移位寄存器可將8位串行數(shù)據(jù)變成8位并行數(shù)據(jù)輸出，也可以將外部的8位并行數(shù)據(jù)變成8位串行數(shù)據(jù)輸入。因此外接一個(gè)移位寄存器就可擴(kuò)展一個(gè)8位的并行輸入／輸出接口，如果想多擴(kuò)展幾個(gè)并口就需要在外部級(jí)連幾個(gè)移位寄存器。但是這種擴(kuò)展也不是無(wú)限的，因?yàn)榇诘臄?shù)據(jù)是一位一位串行輸入／輸出的。如果外接的移位寄存器比較多的話那么是必影響數(shù)據(jù)輸入／輸出的速度。

   

    串口外接的移位寄存器有兩種，一種是“串行輸入／并行輸出移位寄存器”(如：741一S164)，另一種是“并行輸入／串行輸出”移位寄存器(如： 74LS165)。通過(guò)寄存器的名稱就可以看出“串行輸入／并行輸出移位寄存器”是用于串口擴(kuò)展并行輸出接口，“并行輸入／串行輸出”是用于串口擴(kuò)展并行輸入接口。
  
    圖1(a)是串行輸入／并行輸出移位寄存器74LS164的管腳排列圖。其功能表見(jiàn)表1所示。74LS164有兩個(gè)串行數(shù)據(jù)A、B輸入端，使用時(shí)一般把它們連在一起；麗為清零輸入端，低電平有效，當(dāng)該端加入低電平時(shí)，寄存器輸出Q0～Q7全為低電平。在正常情況下，清零輸入端接高電平,當(dāng)CP信號(hào)上升沿到來(lái)時(shí)，數(shù)據(jù)從A、B端輸入并右移一位； Q0～Q7為并行數(shù)據(jù)輸出端，同時(shí)Q7端也是串行數(shù)據(jù)輸出端，對(duì)于串行輸入的數(shù)據(jù)，最先輸入的從Q7輸出，最后進(jìn)入的從Q0輸出。CP為移位脈沖。
  
    圖1(b)是另一種常用的“并行(串行)輸入／串行輸出”移位寄存器74LS165的管腳排列圖。該器件的功能表見(jiàn)表2。該器件能在一個(gè)信號(hào)的控制下并行置入一個(gè)8位數(shù)據(jù)，然后在時(shí)鐘脈沖的作用下逐位移出，也能使數(shù)據(jù)從另外一個(gè)引腳串行輸入。在圖1(b)中，DO～D7是并行數(shù)據(jù)輸入端。S／L端是控制信號(hào)輸入端，當(dāng)為高電平時(shí)，具有移位功能；當(dāng)為低電平時(shí)，將DO～D7端的數(shù)據(jù)置入到內(nèi)部的移位寄存器保存。CP端為時(shí)鐘(即移位脈沖)輸入端，當(dāng)S／L= 1時(shí)，CP端的每一次正跳變，都會(huì)使已存入內(nèi)部的數(shù)據(jù)DO～D7從Q7端移出一位，移位的順序是D7最先從Q7端移出，Q0最后從Q7端移出。CI端為時(shí)鐘脈沖禁止端，當(dāng)該端為低電平時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)(移位脈沖)不能進(jìn)入，正常工作時(shí)必須接高電平。S1為串行數(shù)據(jù)輸入端，在S／L=1時(shí)，SI端的數(shù)據(jù)在CP脈沖上升沿作用下置入Q0，因此，當(dāng)CP脈沖上升沿到來(lái)時(shí)內(nèi)部的數(shù)據(jù)DO～D7從Q7端移出一位同時(shí)外部數(shù)據(jù)通過(guò)SI移入一位，當(dāng)經(jīng)過(guò)8次CP上升沿后 DO～D7這8個(gè)數(shù)據(jù)就全部通過(guò)Q7輸出，而內(nèi)部的DO～D7全部更新為通過(guò)SI的輸入的信號(hào)。例如：如果SI外接電源電壓，那么當(dāng)CP上升沿到來(lái)時(shí)，Q7會(huì)移出一位數(shù)據(jù)，而S1會(huì)移入一個(gè)“1”，當(dāng)經(jīng)過(guò)8個(gè)上升沿后，原先置入的DO～D7全被移出，內(nèi)部的Q0～Q7全被更新為 “1”。如果CP上升沿再次到來(lái)時(shí)，輸出的就是“1”。因此當(dāng)8個(gè)輸入數(shù)據(jù)都通過(guò)Q7輸出后，如果還想輸入就再次必須置入新的數(shù)據(jù)。
  

    通過(guò)對(duì)兩種移位寄存器的分析可以得出。通過(guò)串口擴(kuò)展單片機(jī)的I／O口的具體電路如圖2所示：
  
    圖2(a)是通過(guò)串口擴(kuò)展的并行輸出接口。RXD作為數(shù)據(jù)輸出線，TXD作為移位時(shí)鐘脈沖。每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿加到74LS164的CP端時(shí)，移位寄存器將串口輸出的數(shù)據(jù)移入一位，8個(gè)時(shí)鐘脈沖過(guò)后串口輸出的8位二進(jìn)制數(shù)全部移入74LS164，通過(guò)Q0-Q7并行輸出。
   
    圖2(b)是通過(guò)串口擴(kuò)展的并行輸入接口。同樣RXD作為數(shù)據(jù)輸入線，TXD作為移位時(shí)鐘脈沖。每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿加到74LS165的CP端時(shí)，移位寄存器就將內(nèi)部的數(shù)據(jù)向外移一位，通過(guò)Q7輸出。8個(gè)時(shí)鐘脈沖過(guò)后，并行輸入的8位二進(jìn)制數(shù)全部移出，通過(guò)Q7串行輸入。
  
    基于串口的LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路

   
    在串口擴(kuò)展中最常用的就是基于串口的LED數(shù)碼管顯示電路。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，LED數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I／O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí),再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機(jī)中CPU的開(kāi)銷小?？梢蕴峁﹩为?dú)鎖存的I／O接口電路很多，常用的就是通過(guò)串口外接串并轉(zhuǎn)換器74LS164，擴(kuò)展并行的I／O口。需要幾個(gè)數(shù)碼管就擴(kuò)展幾個(gè)并行接口，數(shù)碼管直接接在74LS164的輸出腳上，單片機(jī)通過(guò)串口將要顯示數(shù)據(jù)的字形碼逐一的串行移出至74LS164的輸出腳上數(shù)碼管就可以顯示相應(yīng)的數(shù)字。
如圖3所示：

   
    1. 硬件設(shè)計(jì)
  
    單片機(jī)AT89C2051的串口外接1片74LS164作為L(zhǎng)ED顯示器的靜態(tài)顯示接口，把AT89C2051的RXD作為數(shù)據(jù)輸出線，TXD作為移位時(shí)鐘脈沖。Q0-Q7(第3—6和10—13引腳)并行輸出端分別接LED顯示器的DP---A各段對(duì)應(yīng)的引腳上。圖中采用的是共陰極數(shù)碼管，因而各數(shù)碼管的公共極接電源GND，要顯示某字段則相應(yīng)的移位寄存器74LS164的輸出線必須是高電平。P1口接8個(gè)按鍵，分別編號(hào)為KEY1--KEY8。當(dāng)某個(gè)按鍵按下時(shí)。某個(gè)數(shù)就顯示在數(shù)碼管上。
  
    2. 軟件設(shè)計(jì)
  
    軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。圖(a)為主程序流程圖，圖(b)為顯示子程序流程圖。
  
    開(kāi)機(jī)時(shí)，初始化數(shù)碼管，通過(guò)串口將“0”的字形碼輸出使數(shù)碼管顯示“O”。然后判斷P1口是否有鍵按下，如果沒(méi)鍵按下繼續(xù)判斷。
  
    當(dāng)確認(rèn)有鍵按下后單片機(jī)將P1口的值賦給累加器A，由于按鍵沒(méi)被按下時(shí)是低電平，被按下后為高電平因此判斷A中哪一位為高電平就能得出哪個(gè)按鍵被按下。將此按鍵的編號(hào)讀入顯示緩沖區(qū)65H中，然后調(diào)用顯示子程序?qū)存I編碼顯示在數(shù)碼管上。這樣程序就完成了一次的執(zhí)行過(guò)程。

    
    顯示子程序首先初始化串口，使串口工作在方式0，再讀取顯示緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)(顯示緩沖區(qū)主要是用來(lái)存放即將要顯示的數(shù)據(jù))，然后通過(guò)查表的方式找到對(duì)應(yīng)的字形碼，最后把字形碼寫入串口寄存器SBUF通過(guò)串口方式0發(fā)送出去。當(dāng)8個(gè)時(shí)鐘脈沖后，字形碼都移至74Ls164的Q0-Q7，數(shù)碼管就顯示相應(yīng)按鍵的編碼。
  
    顯示子程序是怎么將顯示緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)變成相應(yīng)的字形碼呢?具體的方法是將每個(gè)數(shù)字的字形碼以16進(jìn)制數(shù)從小到大的次序依次存放在存儲(chǔ)器中的固定區(qū)域中，構(gòu)成顯示代碼表。當(dāng)要顯示某字符時(shí)，把表格的起始地址送入數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR中作為基址，將顯示緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)作為偏移量送入變址寄存器A，執(zhí)行查表指令“MOVCA，@A+DPTR”，則累加器A中得到的結(jié)果即表格中取出的對(duì)應(yīng)數(shù)字的字形碼。
  
    注意：MOVC指令是將程序存儲(chǔ)器內(nèi)相應(yīng)地址的值賦給累加器A。MOVC指令只有兩種，一種是：MOVCA，@A+DPTR，將程序存儲(chǔ)器中地址為A+ DPTR內(nèi)的數(shù)據(jù)賦給A，例如：累加器A內(nèi)的數(shù)據(jù)為01H，而DPTR內(nèi)的數(shù)據(jù)為2000H，程序存儲(chǔ)器中地址2001H內(nèi)的數(shù)據(jù)為50H，那么執(zhí)行 MOVCA，@A+DPTR指令后，累加器A內(nèi)的數(shù)據(jù)變?yōu)?0H。另一種是MOVCA，@A+PC。將程序存儲(chǔ)器中地址為A+PC內(nèi)的數(shù)據(jù)賦給A。兩種指令的功能基本是一樣。只是第一種中的地址是存放在DPTR中，而第二種是直接使用PC指針的地址。

   
    對(duì)于電路中的74LS164共陰極數(shù)碼管數(shù)據(jù)位和字形的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表。
  
    由于單片機(jī)在以方式0串行發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候數(shù)據(jù)從RXD引腳從低位到高位依次輸出，而最先輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)74LS164串轉(zhuǎn)并后到達(dá)Q7，也就是說(shuō)單片機(jī)內(nèi)的DO通過(guò)串口發(fā)送并經(jīng)過(guò)74LS164后到達(dá)74LS164的Q7腳即數(shù)碼管的A腳，因此在單片機(jī)內(nèi)字型碼與74LS164所對(duì)應(yīng)的字型碼正好相反，所以在單片機(jī)內(nèi)O-8所對(duì)應(yīng)的字型碼分別是：

3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07H．7FH。