學習單元三 單片機如何控制外部器件

通過前面的學習，我們了解到空調系統的功能、相應的功能部件和單片機I/O引腳三者之間有內在聯系，這種關系如表1-1所示。

上表說明，單片機的I/O引腳的確是雙向的，單片機的每一個引腳都可以感受外部器件、控制外部器件。那么，單片機是如何控制外部器件的呢？或者說，單片機控制外部器件的工作原理是怎樣的呢？

我們先看看現實生活中如何用一個開關控制LED指示燈（即發光二極管）。如圖1-8所示的電路圖中，當開關K閉合時，無電流流過LED指示燈，指示燈熄滅；當開關K斷開時，只要選擇合適的限流電阻R，就會有電流流過指示燈，指示燈就會發光。所以，開關K能夠控制指示燈的亮和滅。

圖1-8所示的開關K控制LED指示燈電路原理與單片機控制外部器件的工作原理有什么聯系呢？

其實，單片機控制LED指示燈和其他外部器件與圖1-8用開關K控制LED指示燈類似，原因是單片機內部已經集成了電源Vcc、電阻R和“開關K”，如圖1-9所示。

圖1-9（a）中，LED指示燈的正極與單片機的某一輸入/輸出引腳I/O（英文為Input/Output，簡稱I/O）相連，另一端連接地。集成在單片機內部的電阻R一端與單片機正電源腳Vcc相連，另一端與單片機的I/O腳相連，也就是與指示燈的正極相連。在單片機內部有個“開關K”，它連接單片機的I/O腳和負電源腳GND。需要注意的是，這個“開關K”并不是真正意義上的機械式開關，而是存在于單片機內部的一個“電子開關”，這個電子開關主要由場效應管等構成（見學習情景三中的學習單元一），它也能被隨意地控制其通和斷，于是，指示燈的亮和滅受單片機內部的電子開關K所控制：當電子開關K閉合接負電源腳GND時，指示燈熄滅；反之，當電子開關K斷開時，指示燈亮。關于電子開關K的詳細情況我們將在解剖單片機內部結構時作介紹，剛開始不需要過多地了解，只需要知道這個電子開關的狀態決定了I/O腳的電平狀態是GND（0V）還是Vcc（+5V）。可能有人會問，電子開關由誰來控制呢？由單片機指令。指令是單片機根據人的意圖來執行某種操作的命令。那么指令是什么樣子的呢？

如果我們要在單片機的某一個I/O引腳例如P1.0引腳輸出高電平Vcc驅動LED指示燈[電路見圖1-9（b）]，可以采用如下指令：

SETB P1.0；

反之，如果要在P1.0引腳輸出低電平GND，可以采用如下指令：

CLR P1.0；

“SETB”是“set bit”的英文縮寫，意思是置位、置“1”、置高電平，“SETB P1.0”中文含義是把P1.0腳置成高電平；“CLR”是“clear bit”的英文縮寫，意思是清除位、置“0”、置低電平，“CLR P1.0”中文含義是把P1.0腳置成低電平。在單片機學習中，可以先粗略地把高電平理解成Vcc，而把低電平理解成GND。當我們將“SETB P1.0”這條指令事先“裝入”單片機中以后，只要給單片機通上電，單片機會自動找到這條指令，單片機執行這條指令后電子開關K斷開，+5V的電壓通過正電源腳Vcc和內部電阻R從P1.0腳送出，于是從P1.0輸出高電平，指示燈正向導通，指示燈有電流流過從而被點亮。同樣的道理，將指令“CLR P1.0”事先“裝到”單片機中，單片機執行這條指令后電子開關K閉合，0V的電壓通過負電源腳GND和電子開關K與P1.0腳相連，于是從P1.0輸出低電平，指示燈無電流流過而不發光。

以上就是單片機執行指令實現對外部器件控制的最簡單過程。單片機要實現對外部器件的控制，常常需要執行多條指令。由多條指令構成的、用以實現某種特定功能的指令集合通常稱為程序。例如，在圖1-9（b）中，用P1.0引腳控制LED閃亮，程序是怎樣的呢？

要讓接在P1.0引腳上的LED閃亮，實際上就是要LED亮一段時間，再滅一段時間，然后再亮，再滅，如此交替進行。換個說法，就是讓單片機P1.0腳周而復始地輸出高電平和低電平。但如果直接使用下面的兩條指令：

SETB P1.0

CLR P1.0

是否可行呢？

不行！這里有兩個問題：

●單片機執行指令的時間很短，一般只有幾個微秒。當執行完指令“SETB P1.0”后，LED是亮了，但在極短時間（微秒級）后，單片機又執行了“CLR P1.0”指令，LED又滅了，在這么短的時間內根本分辨不出LED曾經亮過。

●在執行完“CLR P1.0”指令后，單片機不會再自動回去執行“SETB P1.0”指令，所以不能正常工作。

為了解決這兩個問題，可以設想如下：

●在執行完“SETB P1.0”指令后，延時一段時間（幾秒或零點幾秒）再執行第二條指令“CLR P1.0”，即可分辨出LED曾經亮過。

●在執行完第二條指令后，同樣延時一段時間（幾秒或零點幾秒），然后再讓單片機回去執行第一條指令“SETB P1.0”，然后再執行第二條……如此不斷循環，LED將亮～延時～滅～延時～亮～延時～滅……，即可實現LED燈的閃爍功能。

由以上設想，編寫的程序如下：

      MAIN:SETB   P1.0   ;（1）P1.0腳置高電平
            ACALL  DELAY ;（2）延時一段時間
            CLR    P1.0   ;（3）P1.0腳置低電平
            ACALL  DELAY ;（4）延時一段時間
            SJMP   MAIN  ;（5）跳轉至MAIN處再循環

以上指令中，分號后面的文字是為了便于理解指令功能而寫的注釋，不是程序的有效執行部分，不影響程序的執行。

第（1）條指令的作用是讓LED亮。按以上分析，第（2）條指令的作用是延時；第（3）條指令的作用是讓LED熄滅；第（4）條指令同第二條指令相同，也是延時；第（5）條指令轉去執行第（1）條指令。第（5）條指令SJMP的意思是跳轉，在SJMP后面有一個參數是MAIN，而在第（1）條指令的前面有一個MAIN，所以很直觀地可以認識到，它要跳轉到第（1）條指令處。第（1）條指令前面的MAIN被稱之為標號，標號的用途是標識該行程序，便于使用。這里并不一定要給它起名叫MAIN，起什么名字，完全由編程者決定，只要符合一定的規定就行，比如可以稱它為ABC、XYZ等等。當然，這時第（5）條指令SJMP后面的名字也得相應改動。

第（2）條和第（4）條指令的用途是延時。指令的符號是ACALL，稱為子程序調用指令。該條指令后面跟的參數是DELAY。DELAY是一個標號，用于標識一段程序。這條指令的作用是這樣的：當執行ACALL指令時，就調用DELAY所指示的程序段，當DELAY所指示的程序段執行完以后就返回繼續執行后面的指令。如第（2）條指令調用DELAY所指示的程序段后延時一段時間，然后繼續執行第（3）條指令；第（4）條指令調用DELAY所指示的程序段后同樣延時一段時間，然后繼續執行第（5）條指令。

通過單片機的P1.0引腳對LED指示燈的控制實例，我們初步認識了單片機控制外部器件的機制和指令/程序在單片機中的作用。