單片機(jī)原理及應(yīng)用第6章

第6章MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展及接口技術(shù)

MCS-51系列單片機(jī)的片內(nèi)ROM、RAM的容量、并行I/O端口、定時器及中斷等內(nèi)部資源都還是有限的，在一些較大的應(yīng)用系統(tǒng)中，它畢竟是一塊集成電路，其內(nèi)部資源將顯得不足，這時就需要在片外擴(kuò)展存儲器芯片、I/O接口芯片及其它外圍功能芯片。

知識要點（1）MCS-51單片機(jī)總線的形成；（2）存儲器的擴(kuò)展技術(shù)；（3）并行、串行接口的擴(kuò)展技術(shù)；（4）鍵盤/顯示接口技術(shù)；（5）模擬量接口技術(shù)。6．1MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)總線的產(chǎn)生

6．1．1單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)

所謂小系統(tǒng)，是指一個真正可用的單片機(jī)最小配置系統(tǒng)。

＋5V8888P0P1P2P3XTAL1XTAL280518751RESET高8位地址線地址鎖存器74LS3738P2P0ALEGPSENOED7…D0A7…A0A15…A8CE2764EA80316．1．2單片機(jī)系統(tǒng)的三總線

地址鎖存器G低8位地址線高8位地址線PSEN(P3.6)WR(P3.7)RDALEP0口P2口EA接地或接＋5VMCS-51單片機(jī)A15～A8A7～A016位地址總線D7～D08位數(shù)據(jù)總線控制總線6．2MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)存儲器的擴(kuò)展

6．2．1存儲器擴(kuò)展概述

1.MCS-51單片機(jī)的擴(kuò)展能力MCS-51單片機(jī)的地址總線寬度為16位，在片外可擴(kuò)展的存儲器最大容量為64KB。由于MCS-51單片機(jī)對片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器允許兩者的地址空間重疊，所以片外可擴(kuò)展的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分別為64KB。需要擴(kuò)展的I/O口與片外數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址。因此，片外數(shù)據(jù)存儲器連同I/O口一起的擴(kuò)展容量是64KB。

2．存儲器擴(kuò)展的一般方法不論何種存儲器芯片，其引腳都呈現(xiàn)三總線結(jié)構(gòu)，與單片機(jī)連接都是三總線對接。存儲器芯片的控制線數(shù)據(jù)線地址線常用的譯碼方式有兩種：線譯碼方式和譯碼器方式。1234567891011121314151674LS138ABCG2AG2BG1Y7GNDY6Y5Y4Y3Y2Y1Y0Vcc圖6-474LS138引腳圖6．2．2程序存儲器的擴(kuò)展

MCS-51單片機(jī)擴(kuò)展常用的片外程序存儲器類型是EPROM芯片。

1.常用程序存儲器芯片12345678910111213142827262524232221201918171615VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0A8A9A11A10D0D1D2D3GNDD4D5D6D7CEOENCPGMVcc27642.程序存儲器的擴(kuò)展設(shè)計下面分三種情況：(1)不用片外譯碼器的程序存儲器的擴(kuò)展D0D1D2D3D4D5D6D7A7A6A5A4A3A2A1A01112131516171819D0D1D2D3D4D5D6D7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q72569121516193456789103478131417181011121314151617P3.0(RXD)P3.1(TXD)P3.2(INT0)P3.3(INT1)P3.4(T0)P3.5(T1)P3.6(WR)P3.7(RD)P2.7P0.0P0.7P2.0P1.7P1.018212040191831VccGNDXTAL1XTAL2EAPSENALE2930OEOEG11VccGNDVccVppCEGNDA12A11A10A9A8252421232P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1283932＋5V＋5V＋5V803174LS3732764(2)采用線譯碼法的多片程序存儲器的擴(kuò)展A0～A7A8～A12D0～D7CEOE2764(1)A0～A7A8～A12D0～D7CEOE2764(2)P2.7P2.6P2.5P2.4～P2.0ALEP0PSENEA8031GOE74LS373555888888(3)采用譯碼器芯片的多片程序存儲器的擴(kuò)展

A0～A7A8～A12D0～D7CEOE2764(1)A0～A7A8～A12D0～D7CEOE2764(2)P2.7P2.6P2.5P2.4～P2.0ALEP0PSENEA8031GOE74LS373555888888ABCG2AG2BG1Y0Y174LS138＋5V6．2．2數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展

1.常用的數(shù)據(jù)存儲器芯片1234567891011121314A7A6A5A4A3A2A1A0I/O0GND24232221201918171615A8A9WEA10CEOEVcc6116I/O1I/O2I/O3I/O4I/O5I/O6I/O7128A14Vcc234567891011121314A12A7A6A5A4A3A2A1A0GND27262524232221201918171615A8A9A11A10CEOEA13WE62256I/O3I/O4I/O5I/O6I/O2I/O1I/O0I/O7128NCVcc234567891011121314A12A7A6A5A4A3A2A1A0GND27262524232221201918171615A8A9A11A10CE1OECE2WE6264I/O3I/O4I/O5I/O6I/O2I/O1I/O0I/O72.數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展設(shè)計D0D1D2D3D4D5D6D7A7A6A5A4A3A2A1A011121315161718193456789101011121314151617P3.0(RXD)P3.1(TXD)P3.2(INT0)P3.3(INT1)P3.4(T0)P3.5(T1)P3.6(WR)P3.7(RD)P2.7P0.0P0.7P2.0P1.7P1.018212040191831VccGNDXTAL1XTAL2EAPSENALE2930OEOEG11VccCE1GNDA12A11A10A9A8252421232P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1283932＋5V＋5V＋5V8031D0D1D2D3D4D5D6D7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7256912151619347813141718VccGND74LS3736264WE＋5VCE22622276．2．4串行存儲器E2PROM的擴(kuò)展

串行E2PROM因其能夠在線進(jìn)行擦寫，且斷電后信息不會丟失，所以在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的擴(kuò)展中獲得廣泛的應(yīng)用。1.I2C總線的時序及器件地址I2C總線上所有的外圍器件都有規(guī)范的器件地址，器件地址由7位組成，它和1位方向位構(gòu)成了I2C總線器件的尋址字節(jié)。

2.AT24CXX系列串行E2PROM的操作時序12345678A0A1A2VSSSDASCLWPVCCAT24C系列SPSDA開始停止器件地址響應(yīng)響應(yīng)響應(yīng)字節(jié)地址數(shù)據(jù)SPSDA開始停止器件地址響應(yīng)響應(yīng)響應(yīng)字節(jié)地址數(shù)據(jù)3.串行E2PROM與8031單片機(jī)的接口實例12345678A1A0A2GNDSDASCLVCCWP10K×2P1.1P1.0VCCAT24C0280316．3I/O擴(kuò)展

MCS-51單片機(jī)共有4個并行I/O口，但這些I/O口并不能完全提供給用戶使用。因此，在大部分的MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中都不可避免地要進(jìn)行I/O的擴(kuò)展。6．3．1MCS-51單片機(jī)的口線直接作I/O口

P1.0P1.1P1.7P3.0P3.1P3.7MCS-51＋5V＋5VLED7LED1LED0K7K1K0┇┇6．3．2簡單I/O接口的擴(kuò)展

Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D0D1D2D3D4D5D6D774LS244D0D1D2D3D4D5D6D7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7P0.074LS273≥1≥1RDWRP2.7P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.78031CLKCLRG＋5VK0K1K2K3K4K5K6K7LED0LED1LED2LED3LED4LED5LED6LED76．3．3擴(kuò)展8155可編程并行接口芯片

1.8155的結(jié)構(gòu)及引腳140PC3Vcc234567891011121314PC4TIMERINRESETPC5TIMEROUTIO/RDWRGND39383736353433323130292827PC0PB7PB6PB4PB3PB5PC1PC28155PA6PA7PB0PB1AD1AD0ALEPB2151617181920212223242526AD2AD3AD4AD5AD6AD7PA0PA1PA2PA3PA4PA5CE256×8位靜態(tài)RAMABC定時器8口APA0～PA78口BPB0～PB76口CPC0～PC5IO/MAD0～AD7CEALERDWRRESETTIMERINTIMEROUTVCC（＋5V）GND2.8155的寄存器8155可編程接口芯片內(nèi)部共有7個寄存器

3.MCS-51單片機(jī)和8155的接口3938373635343332302821161792040RESETP0.0P0.7ALEP2.7P2.0WRRDGNDVCC1213141516171819118710942040AD0AD7ALECEIO/MWRRDGNDVCCTIMEROUTTIMERINPCPBPA6888155MCS-51RESET＋5VRESET6．3．4利用單片機(jī)的串行口擴(kuò)展并行I/O口

MCS-51單片機(jī)的串行口在方式0（移位寄存器方式）下，使用移位寄存器芯片可以擴(kuò)展一個或多個并行I/O口。1．利用串行口擴(kuò)展并行輸入口123456789101112131415164014PI8Q6Q8PI4PI3PI2PI1VssP/SCLKSIQ7PI5PI6PI7Vcc1234567891011121314151674LS165移位/置數(shù)CLKEFGH輸出QHGND輸出QH串行輸入ABCD時鐘禁止Vcc并行輸入并行輸入P3.0P3.1P1.08031Q8SIP/SCLK4014(1)P/SCLK4014(2)Q8SI2.利用串行口擴(kuò)展并行輸出口123456789101112131415164094STBDATACLKQ1Q2Q3Q4VssQsQsQ8Q7Q6Q5OEVcc123456789101112131474LS164串行A輸入BQAQBGNDCLRVcc并行輸出并行輸出QCQDQHQEQFQGCLKP3.0P3.1P1.08031DATAQ8STBCLK4094(1)STBCLKDATAQ84094(2)6．3．5利用I2C總線接口芯片擴(kuò)展I/O口

1.PCF8574的引腳功能2345678910111213141516PCF8574A0A1A2P0P1P2P3VssP4P5P6P7INTSCLSDAVcc1圖5-33PCF8574的引腳圖2.PCF8574的中斷及I/O口3.應(yīng)用舉例P1.0P1.1INT08031SDASCLINTA0A1A2P0P7PCF8574＋5V6MHz6．4按鍵、鍵盤及其接口

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中通常需要進(jìn)行人-機(jī)對話，包括人對應(yīng)用系統(tǒng)狀態(tài)的干預(yù)以及向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)等，所以通常應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有按鍵或鍵盤。6．4．1鍵輸入過程與軟件結(jié)構(gòu)

鍵掃描查鍵號有鍵按下？JMP@A＋DPTR0號按鍵處理程序1號按鍵處理程序N號按鍵處理程序NYA＝00HA＝01HA＝NH6．4．2鍵輸入和鍵編碼

1.鍵輸入過程P1.0＋5VK8031鍵按下閉合穩(wěn)定前沿抖動后沿抖動鍵釋放釋放穩(wěn)定2.鍵編碼及鍵值一組按鍵或鍵盤都要通過I/O口線查詢按鍵的開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)鍵盤結(jié)構(gòu)不同，采用不同的編碼方法。但無論有無編碼，以及采用什么編碼，最后都要轉(zhuǎn)換成與累加器中的數(shù)值相對應(yīng)的鍵值，以實現(xiàn)按鍵功能程序的散轉(zhuǎn)。

3.鍵盤的監(jiān)測方法對于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，鍵盤掃描只是CPU工作的一部分，鍵盤處理只是在有鍵按下時才有意義。對于是否有鍵按下的信息輸入方式，通常采用查詢工作方式、定時掃描工作方式及中斷工作方式三種。6．4．3獨立式按鍵

1.獨立式按鍵接口

獨立式按鍵是指直接用一根I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵單獨占有一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵的工作狀態(tài)不會影響其它I/O口線的工作狀態(tài)。

P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.78031K0K1K2K3K4K5K6K7＋5V&INT0P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.78031K0K1K2K3K4K5K6K7＋5V6．4．4行列式鍵盤

1.行列式鍵盤接口及工作原理D7D6D5D4D3D2D1D0I/O接口＋5V2.采用8155擴(kuò)展I/O口與鍵盤接口012345678910111213141516171819202122232425262728293031PA7PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0PC0PC1PC2PC3CEIO/MWRRDP0P2.7P2.0WRRDALEALEP0880318155＋5VRESET＋5V20μF1KΩ5.1KΩ×40123456701236．5LED顯示器及其接口技術(shù)

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，顯示器是最常用的輸出設(shè)備。特別是發(fā)光二極管顯示器（LED）和液晶顯示器（LCD），由于結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、接口容易，得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在單片機(jī)系統(tǒng)中大量使用。

6．5．1LED顯示器的結(jié)構(gòu)與原理

12345678910dpabcdefgbacdefgdpcomcomabcdefgdpabcdefgdp＋5V6．5．2LED顯示器的顯示方式

1.LED靜態(tài)顯示方式2.LED動態(tài)顯示方式D5D7D6D4D3D2D1D0I/O(2)I/O(1)6．5．3LED顯示器與單片機(jī)的接口及顯示子程序

1.擴(kuò)展8155I/O口的LED顯示器接口電路PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB61N2N3N4N5N6N7NGCO1O2O3O4O5O6O7OULN2003PA0PA1PA2PA3PA4PA5AD01N2N3N4N5N6N8031GCO1O2O3O4O5O6O8155ULN2003＋5V＋5V＋5VAD7P0ALEALEP2.7CEP2.0IO/MWRWRRDRDabcdefg5.1K×7200Ω×72．串行口控制的LED顯示器接口電路

Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q774LS164ABCPMR＋5VDPgfedcbaLED0COMQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q774LS164ABCPMR＋5VDPgfedcbaLED7COMQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q774LS164ABCPMR＋5VDPgfedcbaLED1COM＋5VRXDTXD80316．5．4PS7219顯示器接口芯片

PS7219是一種新型多功能8位LED顯示驅(qū)動芯片。接口采用同步串行外設(shè)接口（三線SPI接口），可與任何一種單片機(jī)方便接口。應(yīng)用時只需簡單修改內(nèi)部相關(guān)的控制寄存器或數(shù)據(jù)RAM，便可很容易地實現(xiàn)多位LED顯示控制。PS7219的引腳及性能與MAXIM公司的MAX7219完全兼容。1.PS7219的結(jié)構(gòu)與引腳串行輸入緩沖器控制器串行同步輸出控制RAM內(nèi)部時鐘LED譯碼顯示數(shù)據(jù)RAMDOUTLOADDINCLK1234567891011121314RSTLOADDINCLKDIG7DIG6DIG5DIG4DIG3GND24232221201918171615SASBSCSESFSDVccPS7219DIG2DIG1CONDIG8DOUTSDPSG2.

PS7219的功能說明3.PS7219與單片機(jī)的接口及編程SASBSCSDSESFSGDIG8DIG7DIG4DIG3DIG2DIG180317219RSTP1.0LOADP1.1DINP1.2CLKRSTSDPDIG6DIG5CON12345678abcdefgdp6．6HD7279鍵盤、顯示器接口芯片HD7279是一片具有串行接口的，可驅(qū)動8位共陰極LED顯示器(或64只獨立的LED)的顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣。

HD7279內(nèi)部設(shè)有譯碼器，可將BCD碼或二進(jìn)制碼直接譯成七段碼，并且芯片具有消隱、閃爍、左移、右移及段尋址等多種控制指令。

6．6．1HD7279的引腳功能及控制指令

1.HD7279的引腳2.HD7279的控制指令1234567891011121718VDDVDDNCGNDNCCSCLKDATAKEYSE28272625242322212019RCCLKODIG7DIG5DIG4DIG6RESETHD7279SGSFDPDIG0DIG1DIG2DIG313141615SDSCSBSA6．6．2HD7279的通訊時序

1.純指令T1T2T3CSCLKDATA2.帶數(shù)據(jù)指令

T48位指令(高位在前)8位數(shù)據(jù)(高位在前)CSCLKDATA3.讀鍵盤指令T5讀鍵盤指令(8位，高位在前)HD7279輸出的鍵盤代碼(8位，高位在前)CSCLKDATAT6T7T86．6．3HD7279與單片機(jī)的接口及編程

RESETRCCLKODIG7DIG6DIG5DIG4DIG3DIG2DIG1DIG0DPVDDGNDNCCLKSGP1.3P1.2P1.4P1.5SFDATA8031HD7279SD＋5V15P1.5KΩVDD10KΩ×86355473931231576254463830221466153453729211356052443628201245951433527191135850423426181025749413325179156484032241680100KΩ×8200Ω×88×8鍵盤＋5V＋5VNCCSKEYSESCSBSA12345678910111213141516171819202122232425262728123456786．7A/D轉(zhuǎn)換器接口

6．7．1A/D轉(zhuǎn)換器概述

1.逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器D/AVrefVin(模擬信號輸入)UoutD0D1D6D7輸出鎖存器移位寄存器時鐘邏輯控制器啟動轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換結(jié)束比較器數(shù)據(jù)輸出2.雙斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器標(biāo)準(zhǔn)電壓控制邏輯計數(shù)器時鐘數(shù)字量輸出積分器比較器Vin(模擬輸入)Vref開始固定積分時間T0斜率固定ABT1T2積分輸出t3.

V/F變換式A/D轉(zhuǎn)換器V/F頻率計數(shù)器定時器數(shù)據(jù)總線基準(zhǔn)頻率foutVccVIN4.

A/D器件的主要性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換時間分辨率是A/D器件主要的兩個性能指標(biāo)。

6．7．2A/D轉(zhuǎn)換器AD574與單片機(jī)的接口

1.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A1VL28STS23456789101112171812/8CSA0R/CCEVCCREFOUTAGNDBIPOFF272625242322212019DB11(MSB)DB10DB9DB7DB6DB8AD574AREFINVEEDB1DB2DB3DB4DB51314161510VIN20VINDGNDDB0(LSB)2.AD574A單極性和雙極性輸入特性

0～10V0～20V模擬輸入100Ω100KΩ100KΩ＋15V－15V100Ω20VIN10VINBIPREFOUTREFINAD574A－5V～＋5V－10V～＋10V模擬輸入100Ω100Ω20VIN10VINBIPREFOUTREFINAD574A3.AD574A與單片機(jī)的接口&P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EAQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0O7O6O5O4O3O2O1O0EGALEWRRDP1.08031CESTS12/8DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB8DB9DB10DB11R/CA0CSVCCVEEDGNDAGNDREFINREFOUTBIP10VIN20VIN±5V±10V100Ω100Ω增益補償模擬輸入AD574A74LS37374LS006．7．3串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC0831與單片機(jī)的接口

串行A/D轉(zhuǎn)換器由于采用串行方式與CPU連接，具有硬件簡單、體積小、占用I/O口線少的優(yōu)點，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中具有很大的優(yōu)勢。

CSIN＋I(xiàn)N－GNDREFDOUT