I／O口的擴展與應用

1、目錄一 理論部分 . 11 課題要求與容 12 系統(tǒng)方案設計 13 系統(tǒng)硬件的設計 14 系統(tǒng)軟件設計 4二 實踐部分 41 系統(tǒng)硬件原理簡介 42 系統(tǒng)硬件調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決措施 . 103 系統(tǒng)軟件 103.1 軟件設計 103.2 軟件調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決措施 . 10三 附錄 11理論部分理論設計課題名稱：I/O 口的擴展與應用1課題要求與容對基于單片機的I/O 口的擴展與應用系統(tǒng)進行設計。所設計的系統(tǒng)功能為：以MCS-51 系列單片機作為控制核心，通過開關控制輸出數(shù)據(jù)來驅(qū)動二極管顯示出I/O 口的擴展。設計目的：學習單片機系統(tǒng)中擴展I/O 口的方法；掌握I/O 口的控制邏輯，學

2、習數(shù) 據(jù)輸入輸出的種類及程序的編輯方法。設計要求：了解常用的I/O摳芯片，硬件擴展，讀取開關狀態(tài)，輸出數(shù)據(jù)并且驅(qū)動 發(fā)光二極管顯示出來。2系統(tǒng)方案設計本設計采用單片機STC2C5A16S和外圍接口 8155、發(fā)光二極管、晶振、復位、電源 等電路以及必要的軟件組成的以 STC2C5A16為核心，輔以簡單的設備和必要的電路， 設計了一款讀取開關狀態(tài)，輸出數(shù)據(jù)并且驅(qū)動發(fā)光二極管顯示出來，并編寫簡單的程序， 使其能夠工作。3系統(tǒng)硬件的設計采用發(fā)光二極管顯示的I/O 口的擴展與應用系統(tǒng)電路原理圖如圖1所示，系統(tǒng)由控 制模塊、指示燈顯示模塊、電源模塊三部分組成。VCC122JP2 24R9R10R1110

3、K10 K10 KR168 0VCCE0VCCE1WCE2SCLVSSSDAIC?87624 C02R20 -R2 7 680L1*L2L22L4L5戶4ML6L7ML8*P17 0P16 0VCCP1(P1P1P1P1P1P16P17 01224C5 + C15P10 01P11 02P12 02P12 04P14 05P15 06P16 07P17 08SW-DIP8P2212P22_12"-4匸江CY111. 0592MHzX02piC12X01=-C1iCA>IC05TLC5 490 1 2 3 4 5 6 7CCVP00P01P02P02P04P05P06P07INT

4、1INTOP20P21P22P23P24P25P26P2728P0127P0226P0225P0424P0522P0622P0721P2022P2122P2224P2225P2426P2527P2628P2729P00T1TOEA/VPX1X2RESETRXDTXDALE/PPSEN10P3011P3130二29P24 1421RESEP27 17STC2C5A16X01X021918P25 15DNG87P25 0IC02+MAX2225C10+2C115REF+VCCAN0CCLKREF-SOGNDCS6P26 05P27 0-CSE9C-4-=r8O -2TXD-22272RXD-222

5、61C1 +VCCV+GNDC1-C2+C2-V-T2 OUTT2INR2INR2OUTVCC+ C7 C6151412121110 TXD9 RXDJ2RS2 22圖1系統(tǒng)電路原理圖3.1控制模塊控制模塊電路如圖2所示。主控制器采用STC2C5A16S2STC2C5A16S的晶振及復位電路按典型電路設計，元器件參數(shù)如圖 2中所示，晶振頻率 選為12MHzP10P17用于控制8個發(fā)光二極管。由于STC2C5A16S使用片的8KB的Flash圖2控制模塊原理圖3.2指示燈顯示模塊指示燈顯示模塊如圖3所示。指示燈指示采用紅色發(fā)光二極管共 8個。紅色發(fā)光二 極管的共陰極通過電阻接地，陽極接 P1 0

6、P17。當發(fā)光電流為6mA寸，限流電阻按公式 R= (5-1.8 ) /0.006計算，取標稱值為510Q。圖3指示燈顯示模塊3.3電源電路電源電路如圖4所示。整個系統(tǒng)采用的電源電壓只需 +5V電壓，將交流電經(jīng)變壓器 變換為15V交流電，再用整流橋得到13.5V左右的直流電，采用不可調(diào)的3端穩(wěn)壓器件 LM7805將電源穩(wěn)定在5V直流輸出。ICO 1J1D1-D4 IN40 0 7MC7 80 5TVCC圖4電源電路4系統(tǒng)軟件設計I/O 口的擴展與應用系統(tǒng)軟件主要分為主程序、特種車中斷服務子程序二部分。.4.1主程序主程序主要負責總體程序管理功能，包括初始化部分與人機交互設定部分。由于采 用動態(tài)

7、掃描方式顯示通斷，因此主程序大部分時間是調(diào)用掃描顯示程序。主程序流程圖 如圖5所示。圖5主程序流程圖初始化部分主要完成存規(guī)劃，定時器的工作模式、中斷方式等的設定。由于子程序 調(diào)用較多，因此初始化時堆棧指針設于 80H處。4.2特種車中斷服務子程序?qū)粹oS4按下，給 引腳輸入低電平信號來模擬特種車通過信號，此時外部中斷1被觸發(fā)。二實踐部分1系統(tǒng)硬件原理簡介1.1 8051單片機原理簡述MCS-51單片機的典型芯片是 8031、8051、8751。8051部有4 KBROM 8751部有4KB EPROM8031部無ROM除此之外，三者的部結構及引腳完全相同。本設計使用的是 STC2C5A16S2

8、相當于8031。下面我們就對本系列單片機的部組成及信號引腳進行說明。STC2C5A16S單片機的基本組成：1）中央處理器（CPU中央處理器是單片機的核心，完成運算和控制功能。有運算電路和控制電路，其中 控制電路是單片機的指揮控制部件，保證單片機各部分能自動而協(xié)調(diào)的工作。例如定時 控制電路和振蕩電路均屬于控制電路。單片機執(zhí)行程序就是在控制電路的控制下進行 的。首先從程序存儲器讀出指令，送指令寄存器保存；然后送指令譯碼器進行譯碼，譯 碼結果送定時控制電路，有定時控制邏輯產(chǎn)生各種定時信號和控制信號；再送到系統(tǒng)的 各個部件去控制相應的操作。這就是執(zhí)行一條指令的全過程，而執(zhí)行程序就是不斷地重 復這一過程

9、。2）部數(shù)據(jù)存儲器（部RAMSTC2C5A16S芯片中共有256個RAM單元，通常把這256個單元按其功能劃分為兩 部分：低128單元（單元地址OOH- 7FH和高128單元（單元地址80HFFH。部RAM 的高128單元是供給專用寄存器使用的，其單元地址為80H- FFH因這些寄存器的功能 已作專門規(guī)定，故稱之為專用寄存器（Special Fu nction Register），也可稱為特殊功能寄存器SFR區(qū)。但高128單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是低 128單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。因此通常所說的部數(shù)據(jù)存儲器就是指前128單元，簡稱部RAM片低128字節(jié)RAM!用戶真

10、正可以存取隨機數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲器，其地址為 00H-7FH3）定時/計數(shù)器STC2C5A16S共有兩個16位的定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，并以其定時 或計數(shù)結果對計算機進行控制。4）并行I/O 口STC2C5A16S共有4個8位的I/O 口（ P0 P1、P2、P3）,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入/ 輸出。每個口都包含一個鎖存器、一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。實際上，它們已被歸 入專用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。在訪問片外擴展存儲器時，低8位地址和數(shù)據(jù)由P0 口分時傳送，高8位地址由P2 口傳送。在無片外擴展存儲器的系統(tǒng) 中，這4個口的每一位均可作為雙向的I/O端口使用。5）串行口S

11、TC2C5A16S單片機有一個全雙工的串行口，以實現(xiàn)單片機和其它設備之間的串行 數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能較強，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移 位器使用。6）中斷控制系統(tǒng)STC2C5A16S洋片機的中斷功能較強，以滿足控制應用的需要。8051共有5個中斷 源，即外中斷兩個，定時/計數(shù)中斷兩個，串行中斷一個。全部中斷分為高級和低級共 兩個優(yōu)先級別。7）時鐘電路STC2C5A16S2芯片的部有時鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時鐘電路為單 片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列。系統(tǒng)允許的晶振頻率一般為6 MHz和12 MHz從上述容可以看出，STC2C5A16S2雖然是一個單片機芯片，但作為計算

12、機應該具有 的基本部件它都包括，因此，實際上它已是一個簡單的微型計算機系統(tǒng)了。JU pi a Fl lFJ.lF l-Ipi 5PJ?,&Tlm rrTiflitt.?* t對5TT初1圖6 STC2C5A16S2單片機芯片I il" 4 c- -fl 1 I 2 J 4- _( h- 1- zzKriRnQS!Fl-H£riiFITI；0VQ3IEL Idrmrr"i顧KTITnMT2*1柑狛IQ11Ml.liTSTC2C5A16S單片機外部引腳，如圖61）、主電源引腳Vss 、 Vcc2）、外接晶振引腳XTAL1、 XTAL23）、控制或復位引腳RST

13、 / VPD兩個機器周期高電平，單片機復位P0 P3 口：輸出高電平SP :07HSFR PC 清 0不影響RAM犬態(tài)，機器從0地址開始執(zhí)行。上電復位電路、電平方式開關復位電路如圖 2-4所示。ALE / PROG :地址鎖存控制端提供1/6 fosc振蕩頻率，輸入編程脈沖EPROMPSEN:外部程序存的讀選通信號端。EA / VPP : EA = 1，訪問部程序存當PC值超過ROMB（ 0FFFH時，自動轉(zhuǎn)執(zhí)行外部存的程序 EA = 0，只訪問外部程序存。對8751機，可施加21V編程電源（Vpp）4）、輸入/輸出引腳P0 P3 :四個I / O 口，每口 8線，共同32線。1.2 晶體振蕩

14、電路1. 時鐘信號的產(chǎn)生在MCS-51芯片部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1其輸出端為引腳XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和 XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從 而構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機的時鐘電路，如圖2.1所示。時鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過觸發(fā)器進行二分頻之后，才成為單片機的時鐘脈沖信號。 一般地，電容C1和C2取30 pF左右，晶體的振蕩頻率圍是1.212 MHz,晶體振蕩頻 率高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也高，單片機運行速度也就快。MCS-51在通常應用情況下，使用振蕩頻率為6 MHz或12 MHz,圖7晶體振蕩電路2. 時序時序是用定時單位來說明

15、的。MCS-51的時序定時單位共有4個，從小到大依次是： 節(jié)拍、狀態(tài)、機器周期和指令周期。下面分別加以說明。1）節(jié)拍與狀態(tài)把振蕩脈沖的周期定義為節(jié)拍（用P表示）。振蕩脈沖經(jīng)過二分頻后，就是單片機的 時鐘信號的周期，其定義為狀態(tài)（用 S表示）。這樣，一個狀態(tài)就包含兩個節(jié)拍，具前半周期對應的拍節(jié)叫節(jié)拍1 （ P1），后半周期對應的節(jié)拍叫節(jié)拍2（P2 ）。2）機器周期MCS-51采用定時控制方式，因此它有固定的機器周期。規(guī)定一個機器周期的寬度為6個狀態(tài)，并依次表示為S1S6o由于一個狀態(tài)又包括兩個節(jié)拍，因此，一個機器周期總 共有12個節(jié)拍，分別記作S1P1 S1P2、S6P2由于一個機器周期共有12

16、個振蕩脈 沖周期，因此機器周期就是振蕩脈沖的十二分頻。當振蕩脈沖頻率為12 MHz時，一個機器周期為1卩s;當振蕩脈沖頻率為6 MHz時，一 個機器周期為2卩s。本設計采用的晶振頻率為12MHz3）指令周期指令周期是最大的時序定時單位，執(zhí)行一條指令所需要的時間稱為指令周期。它一 般由若干個機器周期組成。不同的指令，所需要的機器周期數(shù)也不相同。通常，包含一 個機器周期的指令稱為單周期指令，包含兩個機器周期的指令稱為雙周期指令，等等指 令的運算速度與指令所包含的機器周期有關，機器周期數(shù)越少的指令執(zhí)行速度越快。 單片機執(zhí)行任何一條指令時都可以分為取指令階段和執(zhí)行指令階段。ALE引腳上出現(xiàn)的信號是周期

17、性的，在每個機器周期出現(xiàn)兩次高電平。第一次出現(xiàn)在S1P2和 S2P1期間，第二次出現(xiàn)在S4P2和S5P1期間。ALE信號每出現(xiàn)一次，CPU就進行一次取指操作，但 由于不同指令的字節(jié)數(shù)和機器周期數(shù)不同，因此取指令操作也隨指令不同而有小的差 異。1.3單電源電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232芯片是美信公司專門為電腦的 RS-232標準串口設計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片 使用+5v單電源供電。引腳介紹：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成。功能是產(chǎn)生+12v 和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數(shù)

18、據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OU爪11腳（T1IN）、14腳（T1OUT為第一數(shù)據(jù)通道。8 腳（R2IN）、9 腳（R2OU）、10 腳（T2IN）、7 腳（T2OUT 為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMO數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成 RS-232數(shù)據(jù)從T1OUTT2OUT送至V電腦DB9 插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMO數(shù)據(jù)后從R1OUTR2OUT 輸出。第三部分是供電。15腳GND 16腳VCC（ +5v）。主要特點：1、符合所有的RS-232C技術標準2、只需要單一 +5V電源供電3、 片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能

19、夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓V+、V-4、功耗低，典型供電電流5mA5、部集成2個RS-232C驅(qū)動器6、部集成兩個RS-232C接收器MAX23芯片在串行接口電路中的到了應用。如圖8J2C9 1uFC8 1u FIC0 3MAX2 32 -CSE3TXD-2 32C1 0 1u F+If3742RXD-2 3256(61廠75912C1 -8V- T2OUTC2 +C2 -RXD-2 32TXD-2 32 C1 1 1 uF4RS23 2C1 +V+T2INR2 INR2 OUTVCCC722uF+VCCGND1C6 10411121 110 TXD9 RXD圖8串行接口電路1.4模數(shù)轉(zhuǎn)換器

20、TLC549是美國儀器公司生產(chǎn)的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片，可與通用微處理器、控制器通過CLK CS DATA OU三條口線進行串行接口。具有 4MHz片系統(tǒng)時鐘和軟、硬件 控制電路，轉(zhuǎn)換時間最長17卩s, TLC549為40 000次/s?？偸д{(diào)誤差最大為土 0.5LSB, 典型功耗值為6mW/采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準轉(zhuǎn)換圍，VREF接地，VREF4 VREFA 1V,可用于較小信號的采樣VCC圖9 A/D轉(zhuǎn)換電路芯片簡介：1、TLC549的部框圖和管腳名稱TLC549的部框圖和引腳名稱如圖1所示。2、極限參數(shù)TLC549的極限參數(shù)如下：電源電壓：6.5V;輸入電壓圍

21、：0.3VVCCb 0.3V;輸出電壓圍：0.3VVCCb 0.3V;峰值輸入電流（任一輸入端）：土 10mA總峰值輸入電流（所有輸入端）：土 30mA工作溫度：TLC549C: 0 C70 CTLC549I：- 40 T 85 CTLC549M 55 T 125 C2系統(tǒng)硬件調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決措施問題1：調(diào)試中出現(xiàn)不能下載程序的問題措施：檢查電板焊接部分是否焊接完整，檢查各個芯片是否正常工作。 問題2:通電后指示燈不亮措施：檢查電板電路焊接，單片機是否安裝正確，元件是否有損壞。 問題3:數(shù)碼管顯示不完整。措施：檢查不能顯示的電路上焊接是否有虛焊，元件損壞等問題。3系統(tǒng)軟件單片機語言編譯用著名的Keil C51編譯器。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā) 大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具會令 你事半功倍。3.1軟件設計軟件的設計是