学习单元三 单片机如何控制外部器件

通过前面的学习，我们了解到空调系统的功能、相应的功能部件和单片机I/O引脚三者之间有内在联系，这种关系如表1-1所示。

上表说明，单片机的I/O引脚的确是双向的，单片机的每一个引脚都可以感受外部器件、控制外部器件。那么，单片机是如何控制外部器件的呢？或者说，单片机控制外部器件的工作原理是怎样的呢？

我们先看看现实生活中如何用一个开关控制LED指示灯（即发光二极管）。如图1-8所示的电路图中，当开关K闭合时，无电流流过LED指示灯，指示灯熄灭；当开关K断开时，只要选择合适的限流电阻R，就会有电流流过指示灯，指示灯就会发光。所以，开关K能够控制指示灯的亮和灭。

图1-8所示的开关K控制LED指示灯电路原理与单片机控制外部器件的工作原理有什么联系呢？

其实，单片机控制LED指示灯和其他外部器件与图1-8用开关K控制LED指示灯类似，原因是单片机内部已经集成了电源Vcc、电阻R和“开关K”，如图1-9所示。

图1-9（a）中，LED指示灯的正极与单片机的某一输入/输出引脚I/O（英文为Input/Output，简称I/O）相连，另一端连接地。集成在单片机内部的电阻R一端与单片机正电源脚Vcc相连，另一端与单片机的I/O脚相连，也就是与指示灯的正极相连。在单片机内部有个“开关K”，它连接单片机的I/O脚和负电源脚GND。需要注意的是，这个“开关K”并不是真正意义上的机械式开关，而是存在于单片机内部的一个“电子开关”，这个电子开关主要由场效应管等构成（见学习情景三中的学习单元一），它也能被随意地控制其通和断，于是，指示灯的亮和灭受单片机内部的电子开关K所控制：当电子开关K闭合接负电源脚GND时，指示灯熄灭；反之，当电子开关K断开时，指示灯亮。关于电子开关K的详细情况我们将在解剖单片机内部结构时作介绍，刚开始不需要过多地了解，只需要知道这个电子开关的状态决定了I/O脚的电平状态是GND（0V）还是Vcc（+5V）。可能有人会问，电子开关由谁来控制呢？由单片机指令。指令是单片机根据人的意图来执行某种操作的命令。那么指令是什么样子的呢？

如果我们要在单片机的某一个I/O引脚例如P1.0引脚输出高电平Vcc驱动LED指示灯[电路见图1-9（b）]，可以采用如下指令：

SETB P1.0；

反之，如果要在P1.0引脚输出低电平GND，可以采用如下指令：

CLR P1.0；

“SETB”是“set bit”的英文缩写，意思是置位、置“1”、置高电平，“SETB P1.0”中文含义是把P1.0脚置成高电平；“CLR”是“clear bit”的英文缩写，意思是清除位、置“0”、置低电平，“CLR P1.0”中文含义是把P1.0脚置成低电平。在单片机学习中，可以先粗略地把高电平理解成Vcc，而把低电平理解成GND。当我们将“SETB P1.0”这条指令事先“装入”单片机中以后，只要给单片机通上电，单片机会自动找到这条指令，单片机执行这条指令后电子开关K断开，+5V的电压通过正电源脚Vcc和内部电阻R从P1.0脚送出，于是从P1.0输出高电平，指示灯正向导通，指示灯有电流流过从而被点亮。同样的道理，将指令“CLR P1.0”事先“装到”单片机中，单片机执行这条指令后电子开关K闭合，0V的电压通过负电源脚GND和电子开关K与P1.0脚相连，于是从P1.0输出低电平，指示灯无电流流过而不发光。

以上就是单片机执行指令实现对外部器件控制的最简单过程。单片机要实现对外部器件的控制，常常需要执行多条指令。由多条指令构成的、用以实现某种特定功能的指令集合通常称为程序。例如，在图1-9（b）中，用P1.0引脚控制LED闪亮，程序是怎样的呢？

要让接在P1.0引脚上的LED闪亮，实际上就是要LED亮一段时间，再灭一段时间，然后再亮，再灭，如此交替进行。换个说法，就是让单片机P1.0脚周而复始地输出高电平和低电平。但如果直接使用下面的两条指令：

SETB P1.0

CLR P1.0

是否可行呢？

不行！这里有两个问题：

●单片机执行指令的时间很短，一般只有几个微秒。当执行完指令“SETB P1.0”后，LED是亮了，但在极短时间（微秒级）后，单片机又执行了“CLR P1.0”指令，LED又灭了，在这么短的时间内根本分辨不出LED曾经亮过。

●在执行完“CLR P1.0”指令后，单片机不会再自动回去执行“SETB P1.0”指令，所以不能正常工作。

为了解决这两个问题，可以设想如下：

●在执行完“SETB P1.0”指令后，延时一段时间（几秒或零点几秒）再执行第二条指令“CLR P1.0”，即可分辨出LED曾经亮过。

●在执行完第二条指令后，同样延时一段时间（几秒或零点几秒），然后再让单片机回去执行第一条指令“SETB P1.0”，然后再执行第二条……如此不断循环，LED将亮～延时～灭～延时～亮～延时～灭……，即可实现LED灯的闪烁功能。

由以上设想，编写的程序如下：

      MAIN:SETB   P1.0   ;（1）P1.0脚置高电平
            ACALL  DELAY ;（2）延时一段时间
            CLR    P1.0   ;（3）P1.0脚置低电平
            ACALL  DELAY ;（4）延时一段时间
            SJMP   MAIN  ;（5）跳转至MAIN处再循环

以上指令中，分号后面的文字是为了便于理解指令功能而写的注释，不是程序的有效执行部分，不影响程序的执行。

第（1）条指令的作用是让LED亮。按以上分析，第（2）条指令的作用是延时；第（3）条指令的作用是让LED熄灭；第（4）条指令同第二条指令相同，也是延时；第（5）条指令转去执行第（1）条指令。第（5）条指令SJMP的意思是跳转，在SJMP后面有一个参数是MAIN，而在第（1）条指令的前面有一个MAIN，所以很直观地可以认识到，它要跳转到第（1）条指令处。第（1）条指令前面的MAIN被称之为标号，标号的用途是标识该行程序，便于使用。这里并不一定要给它起名叫MAIN，起什么名字，完全由编程者决定，只要符合一定的规定就行，比如可以称它为ABC、XYZ等等。当然，这时第（5）条指令SJMP后面的名字也得相应改动。

第（2）条和第（4）条指令的用途是延时。指令的符号是ACALL，称为子程序调用指令。该条指令后面跟的参数是DELAY。DELAY是一个标号，用于标识一段程序。这条指令的作用是这样的：当执行ACALL指令时，就调用DELAY所指示的程序段，当DELAY所指示的程序段执行完以后就返回继续执行后面的指令。如第（2）条指令调用DELAY所指示的程序段后延时一段时间，然后继续执行第（3）条指令；第（4）条指令调用DELAY所指示的程序段后同样延时一段时间，然后继续执行第（5）条指令。

通过单片机的P1.0引脚对LED指示灯的控制实例，我们初步认识了单片机控制外部器件的机制和指令/程序在单片机中的作用。