第4章輸出口及其應(yīng)用4.1輸出驅(qū)動(dòng)電路4.2邏輯運(yùn)算類指令4.3設(shè)計(jì)課目與演練——水塔水位控制儀小結(jié)

習(xí)題

上一章介紹了輸入/輸出口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這一章介紹輸入/輸出口的外部電路，重點(diǎn)是輸出驅(qū)動(dòng)電路，包括分立元件的驅(qū)動(dòng)方法和集成電路的驅(qū)動(dòng)方法，并在介紹邏輯指令后給出了幾個(gè)實(shí)例。4.1輸出驅(qū)動(dòng)電路在功率驅(qū)動(dòng)電路或者負(fù)載較大時(shí)，需要給8051的輸出口增加驅(qū)動(dòng)電路。依據(jù)輸入/輸出的負(fù)載類型、負(fù)載數(shù)量及復(fù)雜情況的不同，可選擇使用不同的驅(qū)動(dòng)方式。4.1.1分立元件設(shè)計(jì)方案——三極管驅(qū)動(dòng)及保護(hù)設(shè)計(jì)

1.驅(qū)動(dòng)LED類驅(qū)動(dòng)LED類的電路如圖4-1所示。

(1)在驅(qū)動(dòng)常見(jiàn)的LED時(shí)，采用端口低電平驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，用端口連接LED直接驅(qū)動(dòng)。如圖4-1中發(fā)光二極管VD1的驅(qū)動(dòng)，給P1.0寫“0”，則發(fā)光二極管VD1點(diǎn)亮，這種驅(qū)動(dòng)方式稱為“負(fù)邏輯驅(qū)動(dòng)”。電阻R2提供限流作用，不能省略，可通過(guò)調(diào)節(jié)電阻值來(lái)控制亮度?？梢酝ㄟ^(guò)查閱LED參數(shù)進(jìn)行計(jì)算或者實(shí)驗(yàn)的方法確定電阻值，圖中電阻的參數(shù)僅供參考。圖4-1驅(qū)動(dòng)LED類的電路

(2)如果采用“正邏輯驅(qū)動(dòng)”，則需要增加功放電路，如VD2發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)。雖然P1口內(nèi)部有上拉電阻，但是內(nèi)部上拉電阻一般較大(約幾百kΩ)，為了可靠起見(jiàn)，可在外電路中增加(并聯(lián))一個(gè)5～10kΩ的上拉電阻。當(dāng)然，如果驅(qū)動(dòng)的負(fù)載不大，那么僅靠外部上拉電阻的驅(qū)動(dòng)(如圖4-2所示)，甚至僅靠?jī)?nèi)部上拉電阻也是可以的，但這不是推薦方案。在對(duì)VD2的驅(qū)動(dòng)中，因?yàn)橛腥龢O管的驅(qū)動(dòng)，基極電流較小，所以不需要外部上拉電阻R4，也是可以正常工作的，如圖4-1所示。不帶上拉電阻的電路更利于讀者觀察和理解，因此在后面電路中使用不帶外部上拉電阻的電路。圖4-1演示的是通用設(shè)計(jì)方案。圖4-2驅(qū)動(dòng)LED的一種形式(不推薦)

(3)采用負(fù)邏輯驅(qū)動(dòng)較大功率的電路時(shí)，仍然要用三極管驅(qū)動(dòng)，如對(duì)VD3的驅(qū)動(dòng)。注意，三極管的型號(hào)要與電路匹配。在上面的電路圖4-1中，執(zhí)行這個(gè)程序段，觀察運(yùn)行的效果。

MOVP1,#02H ；VD1、VD2、VD3都亮

MOVP1,#05H ；VD1、VD2、VD3都熄滅分析一下為什么是這樣的結(jié)果。

2.驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載的電路如圖4-3所示。圖4-3驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載的電路在單片機(jī)的輸出驅(qū)動(dòng)電路中，經(jīng)常會(huì)有感性負(fù)載。由于感性負(fù)載的特殊性，這一部分的設(shè)計(jì)一定要嚴(yán)謹(jǐn)，特別是保護(hù)電路要完善，否則會(huì)給電路帶來(lái)嚴(yán)重的損壞。繼電器的控制端是一個(gè)線圈，因而，繼電器對(duì)于單片機(jī)而言是感性負(fù)載。按照?qǐng)D4-3(a)所示的電路，當(dāng)給三極管基極加高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，電流流向如圖4-3(b)中的實(shí)線部分，繼電器吸合，S1導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候線圈中有磁能。當(dāng)P1.3端加低電平時(shí)，三極管截止，這個(gè)時(shí)候電流流向如圖4-3(b)所示的虛線部分，這樣就釋放了線圈里面的磁能。二極管VD1提供釋放線圈中磁能時(shí)所需要的電流通道，稱為續(xù)流二極管。這里如果沒(méi)有續(xù)流二極管，則三極管會(huì)被擊穿，甚至導(dǎo)致其他部分的損壞。一般的繼電器使用4148作續(xù)流二極管就夠了，但是穩(wěn)妥的辦法是查閱繼電器廠家提供的工作參數(shù)，最后確定續(xù)流二極管的型號(hào)?？刂评^電器吸合的語(yǔ)句是：

SETBP1.3 ；單獨(dú)置位這一位，不影響其他位的控制或者是

MOVP1，#04H ；會(huì)影響其他位的控制而關(guān)閉的語(yǔ)句則是：

CLRP1.3 ；單獨(dú)清除這一位，不影響其他位的控制或者是

MOVP3，#00H ；會(huì)影響其他位的控制這里提供給線圈的電壓是VCC，和MCU使用同一個(gè)電壓。這樣使用時(shí)，存在下面的問(wèn)題：

繼電器開(kāi)關(guān)電流較大，如果和MCU使用同一路供電電源，則會(huì)帶來(lái)較大的干擾。

市場(chǎng)上提供的繼電器的驅(qū)動(dòng)電壓大多為12V、24V。

如果使用其他較高電壓作為繼電器的控制電源，就要共地使用。這種形式的電路要防止輸出控制端口電流的倒灌，因此還要在控制端增加一個(gè)二極管，如圖4-4所示。圖4-4驅(qū)動(dòng)高電壓繼電器方法4.1.2集成IC驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法及芯片選擇

1.小功率驅(qū)動(dòng)當(dāng)負(fù)載電流很小時(shí)，常用74系列門電路驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)40mA。如圖4-5(a)、(b)所示，74LS05用于低壓電路，74LS06的集電極耐壓可達(dá)30V，它們都是反相輸出。74LS07也是高壓型，是同相輸出，不再給出電路。圖4-5采用集成電路驅(qū)動(dòng)的小功率電路

2.中功率驅(qū)動(dòng)當(dāng)負(fù)載電流大于40mA時(shí)，可以采用達(dá)林頓晶體管陣列ULN2003驅(qū)動(dòng)。ULN2003的每一對(duì)達(dá)林頓管都串聯(lián)一個(gè)2.7kΩ的基極電阻，在5V的工作電壓下，它能與TTL或CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。具體應(yīng)用電路如圖4-6(a)所示。達(dá)林頓管陣列內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如圖4-6(b)所示。ULN2003內(nèi)部的每一個(gè)達(dá)林頓管都有一個(gè)續(xù)流二極管，外電路不用再接。圖4-6達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)的中功率電路

3.光電隔離在大功率驅(qū)動(dòng)電路中，為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能，需要把MCU控制部分與功率部分或干擾源進(jìn)行電磁隔離。使用光電隔離器件(簡(jiǎn)稱光耦)進(jìn)行電磁隔離是有效的方法之一。光耦是將發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一起組合而成的。其工作原理是：當(dāng)發(fā)光二極管中有電流通過(guò)時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通；當(dāng)發(fā)光二極管中沒(méi)有電流時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管截止。典型的光耦有TLP521-1、TLP521-2、TLP521-4，尾綴表示其內(nèi)部有幾個(gè)光耦。光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用如圖4-7所示。這種電路結(jié)構(gòu)在輸入/輸出的光電隔離中很常見(jiàn)，需要根據(jù)具體應(yīng)用情況進(jìn)行組態(tài)。圖4-7光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用在此，對(duì)上面介紹的各種驅(qū)動(dòng)方法和接口做一個(gè)綜合：

要學(xué)會(huì)靈活使用上述各驅(qū)動(dòng)方法，根據(jù)自己的需要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

單片機(jī)復(fù)位時(shí)，所有輸出口均被置位為“1”，所以正邏輯控制的繼電器會(huì)吸合，發(fā)光二極管也會(huì)點(diǎn)亮?？梢栽诔绦虻拈_(kāi)始處放置相應(yīng)的代碼來(lái)設(shè)置各個(gè)端口為自己想要的狀態(tài)，但從復(fù)位到程序的第一條語(yǔ)句執(zhí)行也要10～100ms左右的時(shí)間，這段時(shí)間各輸出口不受程序的控制而默認(rèn)輸出高電平。因此，如果你采取的是正邏輯驅(qū)動(dòng)控制方案，則在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)看到LED燈閃了一下，并聽(tīng)到繼電器“啪”地響了一聲。這一段不受控的時(shí)間是非常危險(xiǎn)的。修正方法非常簡(jiǎn)單：把所有的正邏輯驅(qū)動(dòng)改為負(fù)邏輯，或者增加反相器。

P0口沒(méi)有上拉電阻，而P1、P2、P3口都有內(nèi)部上拉電阻。如果使用P0作為I/O端口驅(qū)動(dòng)，則必須上拉4.7～10kΩ的電阻，其他端口則根據(jù)電流的具體情況進(jìn)行處理。4.2邏輯運(yùn)算類指令

51系列單片機(jī)的邏輯運(yùn)算類指令一共有24條，包括與、或、異或、移位運(yùn)算類指令。把位操作的邏輯運(yùn)算和狀態(tài)控制的10條指令一并講解，所以這里涉及到34條指令，如表4-1所示。表4-1邏輯運(yùn)算及位操作指令續(xù)表4.2.1邏輯與操作邏輯與指令的功能是把指令中以各種尋址方式指明的數(shù)據(jù)按位求與，結(jié)果存放到目的操作數(shù)中。前4條指令執(zhí)行后影響奇偶標(biāo)志位P。后兩條以直接地址為目的操作數(shù)，可以對(duì)內(nèi)部RAM的任何一個(gè)單元(包括專用寄存器單元)進(jìn)行“與”操作。按位求與的主要操作是對(duì)指定位清零。如：要求把30H單元的高2位清零，P1輸出口的低2位清零。對(duì)應(yīng)程序段為：

ANL30H，#3FH ANLP1，#0FCH執(zhí)行效果和例程如圖4-8所示。圖4-8邏輯與執(zhí)行例程注意：第3章已經(jīng)強(qiáng)調(diào)過(guò)，ANLP1，#0FCH是條讀—修改—寫指令。讀輸出口時(shí)，讀的是鎖存器。邏輯與有一些特殊的用途：

某些位清零——把一個(gè)單元中的某些位清零，其他位保持不變。具體做法是：組合一個(gè)新字節(jié)，把欲清零的位全部設(shè)為0，其他的位全部設(shè)為1，用這個(gè)字節(jié)去和欲操作的單元求與操作，如上例(圖4-8所示)。

保留某些指定位——把一個(gè)單元中的某些位保留，其余位清零。具體做法是：組合一個(gè)新字節(jié)，把欲保留的位對(duì)應(yīng)設(shè)為１，其他的位設(shè)為０，用這個(gè)字節(jié)去和欲操作的單元求與操作。如只把Ａ的低４位保留，則指令為

ANLA，#0FH4.2.2邏輯或操作邏輯或指令的功能是把指令中以各種尋址方式指明的數(shù)據(jù)按位求或，結(jié)果存放到目的操作數(shù)中。前4條指令執(zhí)行后影響奇偶標(biāo)志位P。后兩條以直接地址為目的操作數(shù)，可以對(duì)內(nèi)部RAM的任何一個(gè)單元(包括專用寄存器單元)進(jìn)行“或”操作。按位求或的主要操作是對(duì)指定位置1。例如：已知(A)?=?58H，要求把累加器A的D0、D2、D3位置1，而其他位保持不變。方法：構(gòu)造一個(gè)字節(jié)，對(duì)應(yīng)欲置1的位全部設(shè)置為1，其余的位全部設(shè)為0，用這個(gè)構(gòu)造字節(jié)去或目標(biāo)單元，即可得到結(jié)果。按照這個(gè)方法，構(gòu)造的字節(jié)為00001101B，去或目標(biāo)單元A，操作過(guò)程如圖4-9所示。圖4-9邏輯或操作4.2.3邏輯異或操作邏輯異或操作的方法同邏輯與、邏輯或指令，其功能是完成異或運(yùn)算。該指令可以完成一些特殊的操作：

對(duì)指定某位取反，其它位保持不變。具體方法是：構(gòu)造一個(gè)字節(jié)，使欲取反的各位置1，其余位置0，把這個(gè)字節(jié)與目標(biāo)單元求異或操作。如已知(30H)=46H，要求把該單元中的D0、D1位取反，則構(gòu)造的字節(jié)為00000011B，去異或目標(biāo)單元，操作過(guò)程如圖4-10所示。

對(duì)一個(gè)單元異或兩次，得到的結(jié)果是原數(shù)據(jù)。這個(gè)特性可用于對(duì)數(shù)據(jù)加密，在保密學(xué)里，這是很基本的一種加密算法。如圖4-11所示，你可以看到答案，鑰匙就是密碼，加密和解密使用同一個(gè)密碼。把原始數(shù)據(jù)加密后，進(jìn)行傳送，安全到達(dá)目的地后，再解密，還原數(shù)據(jù)。圖4-10邏輯異或操作圖4-11邏輯異或的應(yīng)用：加密、解密過(guò)程4.2.4循環(huán)移位指令循環(huán)移位指令中除了帶進(jìn)位位的循環(huán)移動(dòng)會(huì)影響Cy位外，不影響其它的標(biāo)志位。循環(huán)移位指令的操作如圖4-12所示。4.2.5其他指令還有幾條指令沒(méi)有介紹，是因?yàn)檫@些指令相對(duì)比較簡(jiǎn)單，請(qǐng)直接在表4-1中查找指令的操作及功能。圖4-12循環(huán)移位指令操作4.3設(shè)計(jì)課目與演練——水塔水位控制儀水塔水位控制儀的電路如圖4-13所示。水塔中虛線表示允許水位變化的上、下限，正常情況下，水位應(yīng)當(dāng)在虛線范圍內(nèi)。在上、下限水位位置處，安放了探測(cè)電極B、C。當(dāng)水位低于B電極時(shí)，?B電極在下拉電阻R8的作用下為低電平，?信號(hào)連接到P1.0、?P1.1，單片機(jī)檢測(cè)到此低電平信號(hào)后，便認(rèn)為水位較低，為缺水狀態(tài)。此時(shí)應(yīng)當(dāng)啟動(dòng)電機(jī)上水，置位P1.2。隨著電機(jī)的運(yùn)行，水位逐漸上升。當(dāng)水位上升到上限后，C電極浸入水中。由于水的導(dǎo)電作用，C電極上拉到高電平，信號(hào)連接到P1.1，單片機(jī)檢測(cè)到此高電平后，便認(rèn)為水位較高，為滿水狀態(tài)。此時(shí)，應(yīng)該切斷供水電機(jī)，所以復(fù)位P1.2。圖4-13水塔水位控制儀還有一個(gè)LED可以自己定義，作為信號(hào)指示使用。請(qǐng)?zhí)峁┻@個(gè)系統(tǒng)的程序，并且運(yùn)行檢驗(yàn)其正確性。提示參考：

(1)判斷是否缺水：

JNB P1.0,DO_START

(2)判斷是否滿水：

JB P1.1,DO_STOP小結(jié)本章給出了幾種形式的驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)合單片機(jī)的控制特點(diǎn)，給出了邏輯控制指令。指令的學(xué)習(xí)依然是下一步學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，但由于我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了大部分指令，因此重心將開(kāi)始向指令的應(yīng)用轉(zhuǎn)移。做好準(zhǔn)備??！習(xí)題

1.簡(jiǎn)述8051采用正、負(fù)邏輯驅(qū)動(dòng)的區(qū)別與特點(diǎn)。

2.在圖4-3所示電路中，各元件的作用是什么？怎樣用指令控制繼電器的吸合與斷開(kāi)？

3.在驅(qū)動(dòng)高壓繼電器時(shí)，為什么要在三極管的基極增加一個(gè)二極管？

4.如果系統(tǒng)使用高電平驅(qū)動(dòng)繼電器，則在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)常常會(huì)有誤動(dòng)作，在設(shè)計(jì)時(shí)，怎樣解決類似的問(wèn)題？

5.如果使用74LS06驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，控制端對(duì)應(yīng)的P1口還用加上拉電阻嗎？如果使用ULN2003驅(qū)動(dòng)中功率繼電器，在線圈兩端還用另外設(shè)置續(xù)流二極管嗎？為什么？

6.簡(jiǎn)述光耦的工作原理。

7.編