基于AT89C2051串口的LED数码管显示电路

AT89C2051单片机内有一个串行I／O端口，通过引脚RXD[P3．0]和TXD[P3．1]可与外部电路进行全双工的串行异步通信，发送数据时由TXD端送出，接收时数据由RXD端输入。串口有四种工作方式，通过编程设置，可以使其工作在任一方式以满足不同的场合。其中，方式0是8位移位寄存器输入／输出方式，多用与外接移位寄存器以扩展I／O端口。串口的工作方式可以参看相关的书籍，此处不做详细介绍。方式 0的输出是8位串行数据，通过移位寄存器可将8位串行数据变成8位并行数据输出，也可以将外部的8位并行数据变成8位串行数据输入。因此外接一个移位寄存器就可扩展一个8位的并行输入／输出接口，如果想多扩展几个并口就需要在外部级连几个移位寄存器。但是这种扩展也不是无限的，因为串口的数据是一位一位串行输入／输出的。如果外接的移位寄存器比较多的话那么是必影响数据输入／输出的速度。

串口外接的移位寄存器有两种，一种是“串行输入／并行输出移位寄存器”(如：741一S164)，另一种是“并行输入／串行输出”移位寄存器(如： 74LS165)。通过寄存器的名称就可以看出“串行输入／并行输出移位寄存器”是用于串口扩展并行输出接口，“并行输入／串行输出”是用于串口扩展并行输入接口。
  
图1(a)是串行输入／并行输出移位寄存器74LS164的管脚排列图。其功能表见表1所示。74LS164有两个串行数据A、B输入端，使用时一般把它们连在一起；丽为清零输入端，低电平有效，当该端加入低电平时，寄存器输出Q0～Q7全为低电平。在正常情况下，清零输入端接高电平,当CP信号上升沿到来时，数据从A、B端输入并右移一位； Q0～Q7为并行数据输出端，同时Q7端也是串行数据输出端，对于串行输入的数据，最先输入的从Q7输出，最后进入的从Q0输出。CP为移位脉冲。
  
图1(b)是另一种常用的“并行(串行)输入／串行输出”移位寄存器74LS165的管脚排列图。该器件的功能表见表2。该器件能在一个信号的控制下并行置入一个8位数据，然后在时钟脉冲的作用下逐位移出，也能使数据从另外一个引脚串行输入。在图1(b)中，DO～D7是并行数据输入端。S／L端是控制信号输入端，当为高电平时，具有移位功能；当为低电平时，将DO～D7端的数据置入到内部的移位寄存器保存。CP端为时钟(即移位脉冲)输入端，当S／L= 1时，CP端的每一次正跳变，都会使已存入内部的数据DO～D7从Q7端移出一位，移位的顺序是D7最先从Q7端移出，Q0最后从Q7端移出。CI端为时钟脉冲禁止端，当该端为低电平时，时钟信号(移位脉冲)不能进入，正常工作时必须接高电平。S1为串行数据输入端，在S／L=1时，SI端的数据在CP脉冲上升沿作用下置入Q0，因此，当CP脉冲上升沿到来时内部的数据DO～D7从Q7端移出一位同时外部数据通过SI移入一位，当经过8次CP上升沿后 DO～D7这8个数据就全部通过Q7输出，而内部的DO～D7全部更新为通过SI的输入的信号。例如：如果SI外接电源电压，那么当CP上升沿到来时，Q7会移出一位数据，而S1会移入一个“1”，当经过8个上升沿后，原先置入的DO～D7全被移出，内部的Q0～Q7全被更新为 “1”。如果CP上升沿再次到来时，输出的就是“1”。因此当8个输入数据都通过Q7输出后，如果还想输入就再次必须置入新的数据

通过对两种移位寄存器的分析可以得出。通过串口扩展单片机的I／O口的具体电路如图2所示：
  
图2(a)是通过串口扩展的并行输出接口。RXD作为数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。每一个时钟信号的上升沿加到74LS164的CP端时，移位寄存器将串口输出的数据移入一位，8个时钟脉冲过后串口输出的8位二进制数全部移入74LS164，通过Q0-Q7并行输出。

图2(b)是通过串口扩展的并行输入接口。同样RXD作为数据输入线，TXD作为移位时钟脉冲。每一个时钟信号的上升沿加到74LS165的CP端时，移位寄存器就将内部的数据向外移一位，通过Q7输出。8个时钟脉冲过后，并行输入的8位二进制数全部移出，通过Q7串行输入。
  
基于串口的LED数码管静态显示电路

在串口扩展中最常用的就是基于串口的LED数码管显示电路。在单片机应用系统中，LED数码管的显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I／O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时,再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。可以提供单独锁存的I／O接口电路很多，常用的就是通过串口外接串并转换器74LS164，扩展并行的I／O口。需要几个数码管就扩展几个并行接口，数码管直接接在74LS164的输出脚上，单片机通过串口将要显示数据的字形码逐一的串行移出至74LS164的输出脚上数码管就可以显示相应的数字。

如图3所示：

1. 硬件设计
  
单片机AT89C2051的串口外接1片74LS164作为LED显示器的静态显示接口，把AT89C2051的RXD作为数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。Q0-Q7(第3—6和10—13引脚)并行输出端分别接LED显示器的DP---A各段对应的引脚上。图中采用的是共阴极数码管，因而各数码管的公共极接电源GND，要显示某字段则相应的移位寄存器74LS164的输出线必须是高电平。P1口接8个按键，分别编号为KEY1--KEY8。当某个按键按下时。某个数就显示在数码管上。
  
2. 软件设计
  
软件设计流程图如图4所示。图(a)为主程序流程图，图(b)为显示子程序流程图。
  
开机时，初始化数码管，通过串口将“0”的字形码输出使数码管显示“O”。然后判断P1口是否有键按下，如果没键按下继续判断。

当确认有键按下后单片机将P1口的值赋给累加器A，由于按键没被按下时是低电平，被按下后为高电平因此判断A中哪一位为高电平就能得出哪个按键被按下。将此按键的编号读入显示缓冲区65H中，然后调用显示子程序将按键编码显示在数码管上。这样程序就完成了一次的执行过程。

显示子程序首先初始化串口，使串口工作在方式0，再读取显示缓冲区内的数据(显示缓冲区主要是用来存放即将要显示的数据)，然后通过查表的方式找到对应的字形码，最后把字形码写入串口寄存器SBUF通过串口方式0发送出去。当8个时钟脉冲后，字形码都移至74Ls164的Q0-Q7，数码管就显示相应按键的编码。
  
显示子程序是怎么将显示缓冲区中的数据变成相应的字形码呢?具体的方法是将每个数字的字形码以16进制数从小到大的次序依次存放在存储器中的固定区域中，构成显示代码表。当要显示某字符时，把表格的起始地址送入数据指针寄存器DPTR中作为基址，将显示缓冲区内的数据作为偏移量送入变址寄存器A，执行查表指令“MOVCA，@A+DPTR”，则累加器A中得到的结果即表格中取出的对应数字的字形码。
  
注意：MOVC指令是将程序存储器内相应地址的值赋给累加器A。MOVC指令只有两种，一种是：MOVCA，@A+DPTR，将程序存储器中地址为A+ DPTR内的数据赋给A，例如：累加器A内的数据为01H，而DPTR内的数据为2000H，程序存储器中地址2001H内的数据为50H，那么执行 MOVCA，@A+DPTR指令后，累加器A内的数据变为50H。另一种是MOVCA，@A+PC。将程序存储器中地址为A+PC内的数据赋给A。两种指令的功能基本是一样。只是第一种中的地址是存放在DPTR中，而第二种是直接使用PC指针的地址。

对于电路中的74LS164共阴极数码管数据位和字形的对应关系如下表。

由于单片机在以方式0串行发送数据的时候数据从RXD引脚从低位到高位依次输出，而最先输出的数据经过74LS164串转并后到达Q7，也就是说单片机内的DO通过串口发送并经过74LS164后到达74LS164的Q7脚即数码管的A脚，因此在单片机内字型码与74LS164所对应的字型码正好相反，所以在单片机内O-8所对应的字型码分别是：

3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07H．7FH。