80c51单片机并行io口的扩展毕业设计

摘要近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断的走向深入。但是在由单片机构成的实际测控系统中，最小应用系统往往不能满足要求，因此在系统设计时首先要解决系统扩展问题。单片机扩展通常是借助外部器件对系统进行扩展。本文主要研究了采用可编程多功能扩展芯片INTEL8155扩展单片机I/O口。把单片机作为一个核心部件，设计单片机与8155的接口，并实现数码管三位数字的显示。本文的主要内容有单片机的概述，设计的意义，核心器件INTEL8155芯片、80C51单片机、数码管的介绍，单元电路模块，设计原理图及流程图，软件编程设计以及最后的结果和个人在整个设计前后的心得体会。关键词单片机，8155，数码管，动态显示。ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFCOMPUTERPENETRATIONINTHESOCIALFIELDANDLSIINRECENTYEARS,THEAPPLICATIONOFMCUISCONSTANTLYDEEPENINGBUTINTHEACTUALMEASUREMENTANDCONTROLSYSTEMCONSTITUTEDBYTHEMICROCONTROLLER,THESMALLESTAPPLICATIONSSYSTEMOFTENCANNOTMEETTHEREQUIREMENTS,SOWEHAVETOSOLVETHESYSTEMEXPANSIONTHEMICROPROCESSORUSUALLYUSEANEXTERNALDEVICETORELIZETHEEXPANSIONOFTHESYSTEMADOPTINGINTEL8155WHICHISAKINDOFPROGRAMMABLEMULTIFUNCTIONEXPANSIONCHIP,THISPAPERSTUDIESTHEEXPANSIONOFMCUPARALLELI/OPORTMCUACTASACORECOMPONENT,WEHAVEDESIGNEDTHE8155CHIPINTERFACETORELIZETHREEDIGITALDISPLAYONLEDNUMERICALCODETUBETHEMAINCONTENTOFTHISPAPERAREMICROCONTROLLEROVERVIEWOFTHESIGNIFICANCEOFTHEDESIGN,THECOREOFTHEDEVICEINTEL815580C51MICROCONTROLLER,THEINTRODUCTIONOFLEDNUMERICALCODETUBE,THEUNITCIRCUITMODULE,DESIGNSCHEMATICSANDFLOWCHARTS,SOFTWAREPROGRAMMINGDESIGN,THEFINALRESULTSANDINDIVIDUALFEELINGSANDEXPERIENCESTHROUGHOUTTHEDESIGNKEYWORDSMCU,8155,LEDNUMERICALCODETUBE,DYNAMICDISPLAY目录1绪论111单片机概述112课题研究背景及意义213设计任务32核心器件基本结构与工作原理42180C51单片机422带RAM和计数器的可编程并行I/O扩展接口81556221结构和引脚62228155命令和状态字82238155定时器/计数器12224MCS51和8155的接口方法1323LED显示器接口14231LED显示器的工作原理15232LED显示器的显示方式163硬件设计1931元器件列表1932单元电路模块设计21321单片机21322晶振电路22323复位电路22324INTEL8155与AT89S51接口电路23325LED数码管显示电路2333总设计原理图244软件设计255成果展示26总结27致谢28参考文献1附录280C51单片机并行I/O口的扩展1绪论11单片机概述单片机是在一片芯片上集成了中央处理器CPU、随机储存器RAM、程序储存器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器以及串行和并行I/O口等功能器件的微型计算机。单片机的特点一是体积小、成本低、运用灵活、易于产品化。它能方便的组成各种智能化的控制设备和仪器；二是面向控制，能针对性的解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比；三是抗干扰能力强，使用温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠的工作，这是其它类计算机无法比拟的；四是可以方便地实现多机和分布式，使整个控制系统的效率和可靠性大大提高。单片机技术的发展速度十分惊人。时至今日，单片机技术已经发展地相当完善，它已成为计算机技术的一个独特而又重要的分支。单片机的应用领域也日益广泛，特别是在电信、家用电器、商用产品、工业控制、仪器仪表、汽车电子、计算机网络与通信产品、航空航天电子等领域的智能化方面，扮演着极其重要的角色。例如1在2000年，一般美国家用系统中应用单片机的数量就增加到了226个；自动化办公室内有42个；典型的汽车电子系统中装有35个，使用的单片机主要的是8位单片机。目前，单片机的产量正以每年27的速度递增；2据2001年的资料公布，世界单片机产量已经高达70亿片；中国大陆的单片机年需求量约为6亿片；3一台微机系统中约嵌入了10片单片机；4一辆BMW7系列宝马轿车中嵌入了63片单片机。现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机应用系统（简称嵌入式系统，EMBEDDEDSYSTEM），而单片机就是最典型、最广泛、最普及的嵌入式计算机应用系统。12课题研究背景及意义在当今的单片机应用领域中，单片机的种类层出不穷，功能也越来越强。在单片机家族的众多成员中，MCS51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术、高可靠性和高性价比，占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，并成为国内单片机应用领域中的主流机型。80C51系列单片机是MCS51单片机中一组高性能兼容性单片机，其功耗低，种类繁多，已占主流地位。在MCS51单片机属于一种“通用”的单片机，片内各种资源都是折衷配置的，如片内程序存储器、数据存储器的容量都不大，并行I/O端口的数量也不多，此外，在有些应用中，片内定时器、中断、串行口等也显得不够用，一些功能基本型MCS51没有，比如A/D转换，D/A转换等。而在设计单片机应用系统时，如果单片机内部资源不够使用，就需要对单片机进行扩展，以满足实际需要。MCS51系列单片机有四个8位并行I/O口（即P0，P1,P2,P3）,通常情况下这四个口均可用作通用I/O口。但在实际应用中，单片机往往通过P0和P2构成扩展总线，扩展EPRAM、RAM或其它功能芯片，此时P0口和P2口就不能作为一般的I/O使用，P3口是双功能口，某些位又经常作为第二功能使用，MCS51单片机可提供给用户使用的I/O口只有P1口和部分未作第二功能使用的P3口I/O口线。因此，大部分的MCS51单片机应用系统设计中都需要进行I/O口的扩展。13设计任务1用带RAM和计数器的并行可编程接口芯片8155与80C51单片机接口扩展并行I/O口。2在扩展的I/O口上实现数码管动态显示1、2、3。2核心器件基本结构与工作原理2180C51单片机80C51系列中，用CHMOS工艺制造的单片机都采用双列直插式（DIP）40脚封装，引脚信号完全相同。图2180C51系列单片机引脚图图21为引脚图，这40根引脚大致可分为电源（VCC、VSS、VPP、VPD）、时钟（XTAL1、XTAL2）、I/O口（P0P3）、地址总线（P0口、P2口）和控制总线（ALE、RST、）等几部分。它们的功能简述如下1电源VCC（引脚号40），芯片电源，接5V；VSS（引脚号20），电源接地端。2时钟XTAL1（引脚号19）内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶振的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。XTAL2（引脚号18）内部振荡器的反相放大器输出端，是外接晶振的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。3控制总线（1）ALE/（引脚号30）正常操作时为ALE功能（允许地址锁存），用来把地址的低字节锁存到外部锁存器。ALE引脚以不变的频率（振荡器频率的1/6）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟信号或用于定时。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LSTTL电路。在8751单片机EPROM编程期间，此引脚接编程脉冲（功能）。（2）（引脚号29）外部程序存储器读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或数据）期间，在每个机器周期内两次有效。可以驱动8个LSTTL电路。（3）RST/VPD（引脚号9）复位信号输入端。振荡器工作时，该引脚上持续2个机器周期的高电平可实现复位操作。此引脚还可接上备用电源。在VCC掉电期间，由向内部RAM提供电源，以保持内部RAM中的数据。（4）/VPP（引脚号31）为内部程序存储器和外部程序存储器的选择端。当为高电平时，访问内部程序存储器（PC值小于4K）；当为低电平时，访问外部程序存储器。对于87C51单片机，在EPROM编程期间，此端为21V编程电源输入端。4I/O线（1）P0口（引脚号3239）单片机的双向数据总线和低8位地址总线。在访问外部存储器时实现分时操作，先用作地址总线，在ALE信号的下降沿，地址被锁存；然后用作为数据总线。它也可以用作双向输入/输出口。P0口能驱动8个LSTTL负载。（2）P1口（引脚号18）准双向输入/输出口，它能驱动4个LSTTL负载。（3）P2口（引脚号2128）准双向输入/输出口。在访问外部存储器时，用作高8位地址总线。P2口能驱动4个LSTTL负载。（4）P3口（引脚号1017）准双向输入/输出口，它能驱动4个LSTTL负载。P3口的第二功能P30RXD串行口输入端；P31TXD串行口输出端；P32外部中断0中断请求输入端；P33外部中断1中断请求输入端；P34T0定时器/计数器0外部输入端；P35T1定时器/计数器1外部输入端；P36外部数据存储器写选通信号；P37外部数据存储器读选通信号。22带RAM和计数器的可编程并行I/O扩展接口81558155芯片内具有256RAM、2个8位和1个6位的可编程I/O口、1个14为减法计数器，与MCS51单片机接口简单，广泛应用于单片机应用系统。221结构和引脚8155有40个引脚，采用双列直插封装，图22给出了8155的引脚分布和内部逻辑结构框图。图228155的引脚分布和内部逻辑结构框图1地址/数据线（8条）AD0AD7三态地址/数据总线，是低8位地址线和数据线的共用输入总线，常和51单片机的P0口相连，分时传送单片机和8155直接的地址、数据、命令、状态信息。当ALE1时，传送的是地址。2I/O口总线（22条）PA0PA7A口的I/O线用于和外设之间传递数据,I/O方向由命令字编程设定；PB0PB7B口的I/O线用于和外设之间传递数据,I/O方向由命令字编程设定；PC0PC5C口的I/O线用于和外设之间传递数据或A口和B口的状态控制信号线，I/O方向由命令字编程设定；3控制总线（8条）ALE地址锁存允许信号输入端，是低8位地址线和数据线的共用输入总线（三态地址/数据总线），高电平有效,常和单片机的ALE端相连，用于分时传送地址数据信息，当ALE1时，传送的是地址。由ALE下降沿将AD0AD7上的地址、/CE及IO/M状态锁存到片内锁存器。因此，单片机的P0口和8155连接时，无需外接锁存器。RAM/IO口选择0，单片机选择8155中的RAM读/写，MIO/MIO/AD0AD7上地址为RAM单元地址；1，选择8155的寄存器或端口，地址分配见表21。表21地址分配/CEI/A7A6A5A4A3A2A1A0所选端口01XXXXX000命令/状态寄存器01XXXXX001A口01XXXXX010B口01XXXXX011C口01XXXXX100计数器低8位01XXXXX101计数器高8位00XXXXXXXXRAM单元片选信号，低电平有效。CE读信号，控制8155的读操作。RD写信号，控制8155的写操作。WRESET输入一个大于600MS正脉冲，8155总清零，各I/O口定义为输入方式。T1、T014位计数器输入输出。VCC、VSS5V电源和接地。2228155命令和状态字8155提供的PA口、PB口、PC口以及定时器/计数器都是可编程的。CPU通过写命令字来对它们的操作，通过读状态字来判别它们的状态。命令字和状态字寄存器共用一个口地址，命令字寄存器只能写不能读。状态字寄存器只能读不能写。18155命令字格式18155命令字格式如下图23图238155命令字格式其中方式1ALT1方式2ALT2为基本I/O方式，A、B、C各口分别用作无条件输入或输出。可以直接和外设相连，采用“MOVX”类的指令进行输入/输出操作。方式3ALT3方式4ALT4为选通I/O方式，A、B口分别用作选通输入或输出，C口各线规定为A、B口的联络线。图24给出了8155I/O口的逻辑组态。81558155PC2PC110PC2PC100PC2PC111PC2PC101PAPBPCPAPBPCPAPC0PC1PC2PBPC3PC5PAPC0PC1PC2PBPC3PC4PC5ABCDAALT1BALT2CALT3DALT4INTRABFA/STBAINTRABFA/STBAINTRBBFB/STBB图248155I/O口的逻辑组态2选通I/O的组态对8155命令字的PC2PC1位编程，使A或B口工作在选通方式时，C口的PC0PC5就被定义为A或B口选通I/O方式的应答和控制线。表22C口的控制分配表工作方式PC5PC4PC3PC2PC1PC0ALT1输入ALT2输出ALT3输出/STBABFAINTRAALT4/STBBBFBINTRB/STBABFAINTRA赵德安，单片机原理与应用，机械工业出版社，2010年1月，163页38155状态字格式8155状态字格式如下图258155状态字格式INTRA/INTEB中断请求标志。BFA/BFB口缓冲器空/满标志。BFA/BFB1，表示口缓冲器已装满数据，可由外设或单片机取走；BFA/BFB0，表示口缓冲器为空，可以接受外设或单片机发送数据。INTEA/INTEB口中断允许/禁止标志。TIMER计数器计满标志。TIMER1，表示计数器的原计数初值已计满回零；TIMER0，表示计数器尚未计满。状态寄存器和命令寄存器是同一地址，状态寄存器只能读出不能写入，也就是说，状态字只能通过指令MOVXA，DPTR或MOVXA，RI来读出，以此来了解8155的工作状态。D7D6D5D4D3D2D1D0XTIMERINTEBBFBINTRBINTEABFAINTRAA口中断请求0无中断1有中断A口缓冲器0空1满允许A口中断0禁止1允许B口中断请求0无中断1有中断B口缓冲器0空1满允许B口中断0禁止1允许定时器中断0读状态字后或硬件复位后1有定时器溢出中断2238155定时器/计数器8155定时器/计数器是一个14位的减法计数器。他的技术初值可设在0002H3FFFH之间。其技术速率取决于输入T1的脉冲频率。最高可达4MHZ。8155内有两个寄存器存放操作方式码和计数初值。图268155定时器/计数器存放格式最高位存放的方式码决定定时器/计数器的4种操作方式，操作方式选择及相应的输出波形如表23所示。表23操作方式选择及相应的输出波形M1M2方式T0脚输出波形说明00单负方波宽为N/2个N1/2个（N奇）T1时钟周期01连续方波低电平宽N/2个N偶或N1/2个N奇T1时钟周期；高电平宽N/2个N偶或N1/2个N奇T1时钟周期，自动恢复初值10单负脉冲计数溢出一个宽为T1时钟周期的负脉冲11连续脉冲每次计数溢出时输出一个宽为T1时钟D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0M2M1T13T12T11T10T9T8T7T6T5T4T3T2T1T0高字节寄存器低字节寄存器方式码计数初值N（00023FFFH）周期的负脉冲并自动恢复初值使用8155的定时器/计数器时，应先对它的高低字节寄存器编程，设置操作方式和计数初值N。然后对命令寄存器编程（命令字最高两位为1），启动定时器/计数器。通过将命令寄存器的最高两位编程位01或10，可使定时器/计数器停止计数或到定时器计数器溢出时停止计数。224MCS51和8155的接口方法因8155的AD0AD7为三态双向的地址/数据总线口，内部有8位地址锁存器，故8155能直接和MCS51的P0口（D0D7）相连。图224即是8155和MCS51的一种接口逻辑。图278155和MCS51接口电路黄遵熹，单片机原理接口与应用，西北工业大学出版社，2002年5月，137页RAM地址为0000H00FFH。命令/状态寄存器为0400H。PA口为0401H，PB口为0402H，PC口为0403H。计数器低8位为0404H。计数器高8位为0405H。如果使PA口和PB口为基本输入口，PC为基本输出口，8155的定时器/计数器作为方波发生器，T0输出方波频率是T1输出时钟的二十分频，则初始化子程序如下IN8155MOVDPTR,0404HMOVA,20MOVXDPTR,AINCDPTRMOVA,40HMOVXDPTR,AMOVDPTR,0400HPA口、PB口输入，PC口输出MOVA,0CCHMOVXDPTR,ARET23LED显示器接口LED显示器是由发光二级管构成的字段组成的显示器，有8段（含小数点段）和16段（“米”字）管两大类，这种显示器有共阴极和共阳极之分，如图，共阴极LED显示器发光二级管的阴极连接在一起，既可以接地，也可以逐位扫描控制，当一个或几个发光二级管的阳极为高电平时相应的段被点亮即可以显示。同样的，共阳极LED显示器的阳极连接在一起，阴极为高电平时被点亮显示。图28A）八段数码管B）共阴极数码管C共阳极数码管231LED显示器的工作原理要使数码管显示指定的字符，对共阴极接法的电路1、共阴极端接低电平。2、要发光的二极管段加高电平。如图29所示要显示数字5时的原理图5V“1”“0”图29显示数字5要使数码管显示出相应的数字或字符，必须使段数据口输出相应的字型编码。对照图上图，字型码各位定义如下表24字型码数据线D7D6D5D4D3D2D1D0I/口线P07P06P05P04P03P02P01P00LED段DPGFEDCBA232LED显示器的显示方式LED显示器有静态显示与动态显示两种形式静态显示就是当显示某个字符时，相应的发光二极管恒定导通或截止。每一个显示器都需要一个带有锁存功能的I/O口控制字形码。单片机把要显示的字符的的字形码送到接口电路使得显示器显示相应字符，直到要显示新的数据时，再发送新的字形。动态显示就是一位一位地轮流点亮每个显示器（动态扫描），每一位显示器每隔一段时间点亮一次，但由于人视觉的滞留效应，看到的是每个显示器都在显示各自的字符。1静态显示方式静态显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）或接正电源（共阳极）。每个数码管的8个字段分别与一个8位I/O口地址相连，I/O口只要有段码输出，相应字符即显示出来，并保持不变，直到I/O口输出新的段码。采用静态显示方式，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止，较小的电流即可获得较高的亮度，且占用CPU时间少，编程简单，显示便于监测和控制，但其占用的口线多，硬件电路复杂，成本高，只适合于显示位数较少的场合。图210静态显示方式如图211为MC14495芯片作为LED的静态显示器接口的静态显示接口电路。图211MC14495芯片静态显示2动态显示方式为了克服静态显示方式的缺点，节省I/O口线，人们常常使用动态显示方式。它将所有数码管的A、B、C、D、E、F、G、SP引线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而公共端由另一个I/O口控制。动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示，必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码。依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符。虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感觉。采用动态显示方式比较节省I/O口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，CPU要依次扫描，占用CPU较多的时间。图212动态显示方式常用可编程并行接口芯片8155作为LED动态显示器的接口。下图即为8155芯片作为LED的动态显示器接口的动态显示接口电路。实验设备中8051通过8155接六只共阴极LED显示器的接口电路。图中8155的B口经8路反相驱动器74LS240与LED的A、B、C、D、E、F、G、DP相连，A口经六路反相驱动器和各LED控制端G相连，故B口为段选口（字形码口），A口为位选口（字位码口），CPU可以通过A口控制各LED是否点亮。图2138155芯片动态显示接口电路3硬件设计31元器件列表序号元件名称规格数量用途厂家价格151单片机AT89S511个控制核心北京瑞美泰电子科技有限公司11元2晶振12MHZ立式1个晶振电路广东省虹星星有限公司2元38155H1个I/O扩展深圳市天泽恒电子有限公司25元4按键1个按键电路东莞市信诺电子05元5电解电容22UF/10V1个复位电路东莞市荣誉电子1元6瓷片电容30UF瓷片电容2个晶振电路东莞市朗汛电子002元7电阻1K2个复位电路深圳市诺亚森精密电子1元8共阴极数码管1位LED数码管3个数码管显示电路深圳市誉创辉科技1元9电源5V/05A1个提供5V中夏科技有限公司8元10排阻36K2个数码管显示电路深圳市诺亚森精密电子3元表31元器件列表1AT89S5128155H312MHZ晶振4瓷片电容5开关6电解电容7共阴极数码管32单元电路模块设计321单片机单片机选用一片AT89S51。AT89S51片内有4KB的FLASHROM，可实现在系统可编程。AT89S51控制引脚EA/VPP的处理对于31脚EA/VPP，当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行；当接低电平时，复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。本设计将程序烧写到AT89S51内部ROM中，因此31脚EA/VPP接高电平。322晶振电路180C51单片机内部有一个振荡器，其XTALI端和XTAL2端必须外接石英晶体和微调电容，其中电容C1、C2对振荡频率有稳定作用；2振荡器的频率选择范围为1212MHZ。3单片机也可以使用外部时钟。VCCVCCC110UFR21K80C51VSSRST/VPDVCCEAR1C2C3P17XTAL1XTAL2图31晶振/复位电路323复位电路采用具有上电复位和手动复位功能的复位电路，其由电容串联电阻并在电容上并接复位按键构成，由图并结合“电容电压不能突变“的性质可以知道当系统一上电或是在复位按键按下后，RST脚均会出现高电平，并且，高电平持续的时间由电路的RC值来决定典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。本设计中C1取10UF，R2取1K。324INTEL8155与AT89S51接口电路1P0接8155的地址数据线AD0AD7；2单片机ALE接8155的ALE；38155的与单片机P27相连接；CE48155的复位线RESET与单片机复位线RESET相连接；58155的和与8051的和一一对应相连；RDWRD6和P26相连。MIO/此时，8155各端口的地址为命令/状态口7F00HA口7F01HB口7F02HC口7F03H定时器低字节7F04H定时器高字节7F05H325LED数码管显示电路8155的PB0PB7接三个共阴极数码管的ADP脚，PA0PA2接三个共阴极数码管的COM端，B口送段码，A口送位选通；共阴极数码管的ADP管脚分别接上拉电阻提高数码管显示的亮度。33总设计原理图图32总设计接线图4软件设计系统软件采用汇编语言编写，设计原理为LED数码管动态扫描，8155初始化时A口B口设置为输出口，R5中装查表项数0，R3中为位选通码,采用查表法查出段码，送8155的B口，A口送LED数码管位选通码，延时，在最左边的数码管上显示0；查表项数加1，位选通左移，查出段码送8155的B口，位选通码送A口，延时，在中间的数码管上显示1，三个数码管轮流显示一遍后，再从头开始，循环往复。5成果展示总结本毕业设计从选题，撰写开题报告，基础理论知识的学习，软硬件设计，到实物制作和毕业论文的书写都遇到了种种问题，但通过老师的指导和自己上网查询资料，问题都得到了解决。所以