鱼馆幽话 梦川魇璃:晨辉教你轻松学51--------I/O扩展篇(基于74HC164/74HC165)

晨辉教你轻松学51--------I/O扩展篇(基于74HC164/74HC165)

 

        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


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)
  

  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。
  

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。




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。
  

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。


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。


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


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。


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.
  

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