I／O口的扩展与应用 课程设计说明书

1、目 录一 理论部分11课题要求与内容12 系统方案设计13 系统硬件的设计14 系统软件设计4二 实践部分41 系统硬件原理简介42 系统硬件调试中出现的问题及解决措施103 系统软件103.1 软件设计103.2软件调试中出现的问题及解决措施10三 附录11一 理论部分理论设计课题名称：I/O口的扩展与应用1课题要求与内容对基于单片机的I/O口的扩展与应用系统进行设计。所设计的系统功能为：以MCS-51系列单片机作为控制核心，通过开关控制输出数据来驱动二极管显示出I/O口的扩展。设计目的：学习单片机系统中扩展I/O口的方法；掌握I/O口的控制逻辑，学习数据输入输出的种类及程序的编辑方法。设计

2、要求：了解常用的I/O抠芯片，硬件扩展，读取开关状态，输出数据并且驱动发光二极管显示出来。2 系统方案设计本设计采用单片机STC2C5A16S2和外围接口8155、发光二极管、晶振、复位、电源等电路以及必要的软件组成的以STC2C5A16S为核心，辅以简单的设备和必要的电路，设计了一款读取开关状态，输出数据并且驱动发光二极管显示出来，并编写简单的程序，使其能够工作。3 系统硬件的设计采用发光二极管显示的I/O口的扩展与应用系统电路原理图如图1 所示，系统由控制模块、指示灯显示模块、电源模块三部分组成。图1 系统电路原理图3.1 控制模块 控制模块电路如图2所示。主控制器采用STC2C5A16S

3、2。STC2C5A16S2的晶振及复位电路按典型电路设计，元器件参数如图2中所示，晶振频率选为12MHz。P10P17用于控制8个发光二极管。由于STC2C5A16S2使用片内的8KB的Flash程序存储器，所以片内外程序存储器选择引脚 /VPP接5V电源。图2 控制模块原理图3.2 指示灯显示模块指示灯显示模块如图3所示。指示灯指示采用红色发光二极管共8个。红色发光二极管的共阴极通过电阻接地，阳极接P10P17。当发光电流为6mA时，限流电阻按公式R=（5-1.8）/0.006计算，取标称值为510。图3指示灯显示模块3.3 电源电路电源电路如图4所示。整个系统采用的电源电压只需+5V电压，

4、将交流电经变压器变换为15V交流电，再用整流桥得到13.5V左右的直流电，采用不可调的3端稳压器件LM7805将电源稳定在5V直流输出。图4电源电路4 系统软件设计I/O口的扩展与应用系统软件主要分为主程序、特种车中断服务子程序二部分。.4.1 主程序主程序主要负责总体程序管理功能，包括初始化部分与人机交互设定部分。由于采用动态扫描方式显示通断，因此主程序大部分时间是调用扫描显示程序。主程序流程图如图5所示。图5主程序流程图初始化部分主要完成内存规划，定时器的工作模式、中断方式等的设定。由于子程序调用较多，因此初始化时堆栈指针设于80H处。4.2特种车中断服务子程序将按钮S4按下，给 引脚输入

5、低电平信号来模拟特种车通过信号，此时外部中断1被触发。二 实践部分1 系统硬件原理简介1.1 8051单片机原理简述MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、8751。8051内部有4 KB ROM，8751内部有4KB EPROM，8031内部无ROM；除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。本设计使用的是STC2C5A16S2，相当于8031。下面我们就对本系列单片机的内部组成及信号引脚进行说明。STC2C5A16S2单片机的基本组成： 1) 中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能。有运算电路和控制电路，其中控制电路是单片机的指挥控制部件，保证单片机各部分

6、能自动而协调的工作。例如定时控制电路和振荡电路均属于控制电路。单片机执行程序就是在控制电路的控制下进行的。首先从程序存储器读出指令，送指令寄存器保存；然后送指令译码器进行译码，译码结果送定时控制电路，有定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号；再送到系统的各个部件去控制相应的操作。这就是执行一条指令的全过程，而执行程序就是不断地重复这一过程。2) 内部数据存储器（内部RAM）STC2C5A16S2芯片中共有256个RAM单元，通常把这256个单元按其功能划分为两部分：低128单元（单元地址00H7FH）和高128单元（单元地址80HFFH）。内部RAM的高128单元是供给专用寄存器使用的，其单元

7、地址为80HFFH。因这些寄存器的功能已作专门规定，故称之为专用寄存器（Special Function Register），也可称为特殊功能寄存器SFR区。但高128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是低128单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。片内低128字节RAM是用户真正可以存取随机数据的数据存储器，其地址为00H-7FH。 3) 定时/计数器 STC2C5A16S2共有两个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。 4) 并行I/O口 STC2C5A16S2共有4个8位的I/

8、O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入/输出。每个口都包含一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。实际上，它们已被归入专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。在访问片外扩展存储器时，低8位地址和数据由P0口分时传送，高8位地址由P2口传送。在无片外扩展存储器的系统中，这4个口的每一位均可作为双向的I/O端口使用。5) 串行口STC2C5A16S2单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。 6) 中断控制系统 STC2C5A16S2单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要

9、。8051共有5个中断源，即外中断两个，定时/计数中断两个，串行中断一个。全部中断分为高级和低级共两个优先级别。 7) 时钟电路 STC2C5A16S2芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率一般为6 MHz和12 MHz。从上述内容可以看出，STC2C5A16S2虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包括，因此，实际上它已是一个简单的微型计算机系统了。图6 STC2C5A16S2 单片机芯片STC2C5A16S2单片机外部引脚，如图61)、主电源引脚 Vss 、 Vcc2)、外接晶振引脚 XTAL1 、 XTAL

10、23)、控制或复位引脚 RST / VPD 两个机器周期高电平，单片机复位。 P0 P3 口：输出高电平 SP ： 07H SFR、PC： 清0 不影响内RAM状态，机器从0地址开始执行。 上电复位电路、电平方式开关复位电路如图2-4所示。 ALE / PROG ：地址锁存控制端 提供1/6 fosc振荡频率，输入编程脉冲EPROM PSEN ：外部程序内存的读选通信号端。 EA / VPP ：EA = 1 ，访问内部程序内存 当PC值超过内ROM范围（0FFFH）时，自动转执行外部内存的程序 EA = 0 ， 只访问外部程序内存。 对8751机，可施加21V编程电源（Vpp） 4)、输入/输

11、出引脚 P0 P3：四个I / O口，每口8线，共同32线。1.2 晶体振荡电路1. 时钟信号的产生在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2 。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路，如图2.1所示。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。一般地，电容C1和C2取30 pF左右，晶体的振荡频率范围是1.212 MHz。晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。MCS-51在通常应用情况下，使用振荡频率

12、为6 MHz或12 MHz。 图 7 晶体振荡电路2. 时序 时序是用定时单位来说明的。MCS-51的时序定时单位共有4个，从小到大依次是：节拍、状态、机器周期和指令周期。下面分别加以说明。1) 节拍与状态 把振荡脉冲的周期定义为节拍（用P表示）。振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号的周期，其定义为状态（用S表示）。 这样，一个状态就包含两个节拍，具前半周期对应的拍节叫节拍1（P1），后半周期对应的节拍叫节拍2(P2）。 2) 机器周期 MCS-51采用定时控制方式, 因此它有固定的机器周期。规定一个机器周期的宽度为6个状态，并依次表示为S1S6。由于一个状态又包括两个节拍，因此，一个机

13、器周期总共有12个节拍，分别记作S1P1、S1P2、S6P2。由于一个机器周期共有12个振荡脉冲周期, 因此机器周期就是振荡脉冲的十二分频。当振荡脉冲频率为12 MHz时，一个机器周期为1s；当振荡脉冲频率为6 MHz时，一个机器周期为2s。本设计采用的晶振频率为12MHz。3) 指令周期指令周期是最大的时序定时单位, 执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它一般由若干个机器周期组成。不同的指令，所需要的机器周期数也不相同。通常，包含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令，等等指令的运算速度与指令所包含的机器周期有关，机器周期数越少的指令执行速度越快。单片机执行

14、任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段。ALE引脚上出现的信号是周期性的，在每个机器周期内出现两次高电平。第一次出现在S1P2和S2P1期间，第二次出现在S4P2和S5P1期间。ALE信号每出现一次，CPU就进行一次取指操作，但由于不同指令的字节数和机器周期数不同，因此取指令操作也随指令不同而有小的差异。1.3单电源电平转换芯片MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。引脚介绍：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。 第二部

15、分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。 其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。主要特点：1、符合所有的RS-232C技术标准

16、2、只需要单一 +5V电源供电3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V- 4、功耗低，典型供电电流5mA5、内部集成2个RS-232C驱动器6、内部集成两个RS-232C接收器MAX232芯片在串行接口电路中的到了应用。如图 8图8 串行接口电路1.4模数转换器TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17s， TLC549为40 000次/s。总失调误差最大为0.5LSB，典型功耗值为6mW。采用差

17、分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于较小信号的采样。图9 A/D转换电路芯片简介：1、TLC549的内部框图和管脚名称TLC549的内部框图和引脚名称如图1所示。2、极限参数TLC549的极限参数如下： 电源电压：6.5V；输入电压范围：0.3VVCC0.3V；输出电压范围：0.3VVCC0.3V；峰值输入电流(任一输入端)：10mA；总峰值输入电流(所有输入端)：30mA；工作温度： TLC549C：070TLC549I：4085TLC549M：551252 系统硬件调试中出现的问题及解决措施问题1：调试中出现不能下载程序的问

18、题措施：检查电板焊接部分是否焊接完整，检查各个芯片是否正常工作。问题2：通电后指示灯不亮措施：检查电板电路焊接，单片机是否安装正确，元件是否有损坏。问题3：数码管显示不完整。措施：检查不能显示的电路上焊接是否有虚焊，元件损坏等问题。3 系统软件单片机语言编译用著名的Keil C51编译器。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具会令你事半功倍。3.1 软件设计软件的设计是一个将需求转变为软件陈述（表达）的过程。这种陈述给 一个对软件的全局观点。系统通过逐步求精使得设计陈述逐渐接近源代码。这里有两个基本步骤：第一步是初步设计 Preliminary design ，关注