I／O口的擴(kuò)展與應(yīng)用

1、目錄一 理論部分 . 11 課題要求與容 12 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 13 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 14 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4二 實(shí)踐部分 41 系統(tǒng)硬件原理簡(jiǎn)介 42 系統(tǒng)硬件調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決措施 . 103 系統(tǒng)軟件 103.1 軟件設(shè)計(jì) 103.2 軟件調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決措施 . 10三 附錄 11理論部分理論設(shè)計(jì)課題名稱：I/O 口的擴(kuò)展與應(yīng)用1課題要求與容對(duì)基于單片機(jī)的I/O 口的擴(kuò)展與應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能為：以MCS-51 系列單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制輸出數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)二極管顯示出I/O 口的擴(kuò)展。設(shè)計(jì)目的：學(xué)習(xí)單片機(jī)系統(tǒng)中擴(kuò)展I/O 口的方法；掌握I/O 口的控制邏輯，學(xué)

2、習(xí)數(shù) 據(jù)輸入輸出的種類及程序的編輯方法。設(shè)計(jì)要求：了解常用的I/O摳芯片，硬件擴(kuò)展，讀取開(kāi)關(guān)狀態(tài)，輸出數(shù)據(jù)并且驅(qū)動(dòng) 發(fā)光二極管顯示出來(lái)。2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)STC2C5A16S和外圍接口 8155、發(fā)光二極管、晶振、復(fù)位、電源 等電路以及必要的軟件組成的以 STC2C5A16為核心，輔以簡(jiǎn)單的設(shè)備和必要的電路， 設(shè)計(jì)了一款讀取開(kāi)關(guān)狀態(tài)，輸出數(shù)據(jù)并且驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管顯示出來(lái)，并編寫(xiě)簡(jiǎn)單的程序， 使其能夠工作。3系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)采用發(fā)光二極管顯示的I/O 口的擴(kuò)展與應(yīng)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(fù)位電路按典型電路設(shè)計(jì)，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(gè)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(gè)。紅色發(fā)光二 極管的共陰極通過(guò)電阻接地，陽(yáng)極接 P1 0

6、P17。當(dāng)發(fā)光電流為6mA寸，限流電阻按公式 R= (5-1.8 ) /0.006計(jì)算，取標(biāo)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(gè)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(shè)計(jì)I/O 口的擴(kuò)展與應(yīng)用系統(tǒng)軟件主要分為主程序、特種車中斷服務(wù)子程序二部分。.4.1主程序主程序主要負(fù)責(zé)總體程序管理功能，包括初始化部分與人機(jī)交互設(shè)定部分。由于采 用動(dòng)態(tài)

7、掃描方式顯示通斷，因此主程序大部分時(shí)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(shí)器的工作模式、中斷方式等的設(shè)定。由于子程序 調(diào)用較多，因此初始化時(shí)堆棧指針設(shè)于 80H處。4.2特種車中斷服務(wù)子程序?qū)粹oS4按下，給 引腳輸入低電平信號(hào)來(lái)模擬特種車通過(guò)信號(hào)，此時(shí)外部中斷1被觸發(fā)。二實(shí)踐部分1系統(tǒng)硬件原理簡(jiǎn)介1.1 8051單片機(jī)原理簡(jiǎn)述MCS-51單片機(jī)的典型芯片是 8031、8051、8751。8051部有4 KBROM 8751部有4KB EPROM8031部無(wú)ROM除此之外，三者的部結(jié)構(gòu)及引腳完全相同。本設(shè)計(jì)使用的是 STC2C5A16S2

8、相當(dāng)于8031。下面我們就對(duì)本系列單片機(jī)的部組成及信號(hào)引腳進(jìn)行說(shuō)明。STC2C5A16S單片機(jī)的基本組成：1）中央處理器（CPU中央處理器是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。有運(yùn)算電路和控制電路，其中 控制電路是單片機(jī)的指揮控制部件，保證單片機(jī)各部分能自動(dòng)而協(xié)調(diào)的工作。例如定時(shí) 控制電路和振蕩電路均屬于控制電路。單片機(jī)執(zhí)行程序就是在控制電路的控制下進(jìn)行 的。首先從程序存儲(chǔ)器讀出指令，送指令寄存器保存；然后送指令譯碼器進(jìn)行譯碼，譯 碼結(jié)果送定時(shí)控制電路，有定時(shí)控制邏輯產(chǎn)生各種定時(shí)信號(hào)和控制信號(hào)；再送到系統(tǒng)的 各個(gè)部件去控制相應(yīng)的操作。這就是執(zhí)行一條指令的全過(guò)程，而執(zhí)行程序就是不斷地重 復(fù)這一過(guò)程

9、。2）部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（部RAMSTC2C5A16S芯片中共有256個(gè)RAM單元，通常把這256個(gè)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(mén)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(xiě)的數(shù)據(jù)。因此通常所說(shuō)的部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就是指前128單元，簡(jiǎn)稱部RAM片低128字節(jié)RAM!用戶真

10、正可以存取隨機(jī)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其地址為 00H-7FH3）定時(shí)/計(jì)數(shù)器STC2C5A16S共有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能，并以其定時(shí) 或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。4）并行I/O 口STC2C5A16S共有4個(gè)8位的I/O 口（ P0 P1、P2、P3）,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入/ 輸出。每個(gè)口都包含一個(gè)鎖存器、一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。實(shí)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(wèn)片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，低8位地址和數(shù)據(jù)由P0 口分時(shí)傳送，高8位地址由P2 口傳送。在無(wú)片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng) 中，這4個(gè)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(jī)有一個(gè)全雙工的串行口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其它設(shè)備之間的串行 數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能較強(qiáng)，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(jī)的中斷功能較強(qiáng)，以滿足控制應(yīng)用的需要。8051共有5個(gè)中斷 源，即外中斷兩個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷兩個(gè)，串行中斷一個(gè)。全部中斷分為高級(jí)和低級(jí)共 兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別。7）時(shí)鐘電路STC2C5A16S2芯片的部有時(shí)鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時(shí)鐘電路為單 片機(jī)產(chǎn)生時(shí)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(gè)單片機(jī)芯片，但作為計(jì)算

12、機(jī)應(yīng)該具有 的基本部件它都包括，因此，實(shí)際上它已是一個(gè)簡(jiǎn)單的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)了。JU pi a Fl lFJ.lF l-Ipi 5PJ?,&Tlm rrTiflitt.?* t對(duì)5TT初1圖6 STC2C5A16S2單片機(jī)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(jī)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(fù)位引腳RST

13、 / VPD兩個(gè)機(jī)器周期高電平，單片機(jī)復(fù)位P0 P3 口：輸出高電平SP :07HSFR PC 清 0不影響RAM犬態(tài)，機(jī)器從0地址開(kāi)始執(zhí)行。上電復(fù)位電路、電平方式開(kāi)關(guān)復(fù)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(hào)端。EA / VPP : EA = 1，訪問(wèn)部程序存當(dāng)PC值超過(guò)ROMB（ 0FFFH時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)執(zhí)行外部存的程序 EA = 0，只訪問(wèn)外部程序存。對(duì)8751機(jī)，可施加21V編程電源（Vpp）4）、輸入/輸出引腳P0 P3 :四個(gè)I / O 口，每口 8線，共同32線。1.2 晶體振蕩

14、電路1. 時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生在MCS-51芯片部有一個(gè)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(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機(jī)的時(shí)鐘電路，如圖2.1所示。時(shí)鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過(guò)觸發(fā)器進(jìn)行二分頻之后，才成為單片機(jī)的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。 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(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快。MCS-51在通常應(yīng)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(shí)序時(shí)序是用定時(shí)單位來(lái)說(shuō)明

15、的。MCS-51的時(shí)序定時(shí)單位共有4個(gè)，從小到大依次是： 節(jié)拍、狀態(tài)、機(jī)器周期和指令周期。下面分別加以說(shuō)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(guò)二分頻后，就是單片機(jī)的 時(shí)鐘信號(hào)的周期，其定義為狀態(tài)（用 S表示）。這樣，一個(gè)狀態(tài)就包含兩個(gè)節(jié)拍，具前半周期對(duì)應(yīng)的拍節(jié)叫節(jié)拍1 （ P1），后半周期對(duì)應(yīng)的節(jié)拍叫節(jié)拍2（P2 ）。2）機(jī)器周期MCS-51采用定時(shí)控制方式，因此它有固定的機(jī)器周期。規(guī)定一個(gè)機(jī)器周期的寬度為6個(gè)狀態(tài)，并依次表示為S1S6o由于一個(gè)狀態(tài)又包括兩個(gè)節(jié)拍，因此，一個(gè)機(jī)器周期總 共有12個(gè)節(jié)拍，分別記作S1P1 S1P2、S6P2由于一個(gè)機(jī)器周期共有12

16、個(gè)振蕩脈 沖周期，因此機(jī)器周期就是振蕩脈沖的十二分頻。當(dāng)振蕩脈沖頻率為12 MHz時(shí)，一個(gè)機(jī)器周期為1卩s;當(dāng)振蕩脈沖頻率為6 MHz時(shí)，一 個(gè)機(jī)器周期為2卩s。本設(shè)計(jì)采用的晶振頻率為12MHz3）指令周期指令周期是最大的時(shí)序定時(shí)單位，執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間稱為指令周期。它一 般由若干個(gè)機(jī)器周期組成。不同的指令，所需要的機(jī)器周期數(shù)也不相同。通常，包含一 個(gè)機(jī)器周期的指令稱為單周期指令，包含兩個(gè)機(jī)器周期的指令稱為雙周期指令，等等指 令的運(yùn)算速度與指令所包含的機(jī)器周期有關(guān)，機(jī)器周期數(shù)越少的指令執(zhí)行速度越快。 單片機(jī)執(zhí)行任何一條指令時(shí)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(hào)是周期

17、性的，在每個(gè)機(jī)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(hào)每出現(xiàn)一次，CPU就進(jìn)行一次取指操作，但 由于不同指令的字節(jié)數(shù)和機(jī)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(mén)為電腦的 RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)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(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v 和-12v兩個(gè)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(gòu)成兩個(gè)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(diǎn)：1、符合所有的RS-232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)RS-232C驅(qū)動(dòng)器6、部集成兩個(gè)RS-232C接收器MAX23芯片在串行接口電路中的到了應(yīng)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(guó)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(guò)CLK CS DATA OU三條口線進(jìn)行串行接口。具有 4MHz片系統(tǒng)時(shí)鐘和軟、硬件 控制電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)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(zhǔn)轉(zhuǎn)換圍，VREF接地，VREF4 VREFA 1V,可用于較小信號(hào)的采樣VCC圖9 A/D轉(zhuǎn)換電路芯片簡(jiǎn)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(wèn)題及解決措施問(wèn)題1：調(diào)試中出現(xiàn)不能下載程序的問(wèn)題措施：檢查電板焊接部分是否焊接完整，檢查各個(gè)芯片是否正常工作。 問(wèn)題2:通電后指示燈不亮措施：檢查電板電路焊接，單片機(jī)是否安裝正確，元件是否有損壞。 問(wèn)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(wèn)題。3系統(tǒng)軟件單片機(jī)語(yǔ)言編譯用著名的Keil C51編譯器。Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā) 大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具會(huì)令 你事半功倍。3.1軟件設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)是