IO口的扩展与应用课程设计说明书.docx

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IO口的扩展与应用课程设计说明书

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STC2C5A16S2。

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。

P10~P17用于控制8个发光二极管。

由于STC2C5A16S2使用片的8KB的Flash程序存储器，所以片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P10~P17。

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510Ω。

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，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

1.18051单片机原理简述

MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、8751。

8051部有4KBROM，8751部有4KBEPROM，8031部无ROM；除此之外，三者的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部组成及信号引脚进行说明。

㈠STC2C5A16S2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）部数据存储器（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00H～7FH）和高128单元（单元地址80H～FFH）。

部RAM的高128单元是供给专用寄存器使用的，其单元地址为80H～FFH。

因这些寄存器的功能已作专门规定，故称之为专用寄存器（SpecialFunctionRegister），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。

因此通常所说的部数据存储器就是指前128单元，简称部RAM。

片低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/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。

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6MHz和12MHz。

从上述容可以看出，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6STC2C5A16S2单片机芯片

㈡STC2C5A16S2单片机外部引脚，如图6

1）、主电源引脚

Vss、Vcc

2）、外接晶振引脚

XTAL1、XTAL2

3）、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1/6fosc振荡频率，输入编程脉冲EPROM

PSEN：

外部程序存的读选通信号端。

EA/VPP：

EA=1，访问部程序存

当PC值超过ROM围（0FFFH）时，自动转执行外部存的程序

EA=0，只访问外部程序存。

对8751机，可施加21V编程电源（Vpp）

4）、输入/输出引脚

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30pF左右，晶体的振荡频率围是1.2～12MHz。

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，使用振荡频率为6MHz或12MHz。

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S1～S6。

由于一个状态又包括两个节拍，因此，一个机器周期总共有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12MHz时，一个机器周期为1μs；当振荡脉冲频率为6MHz时，一个机器周期为2μs。

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

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5mA

5、部集成2个RS-232C驱动器

6、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、DATAOUT三条口线进行串行接口。

具有4MHz片系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17μs，TLC549为40000次/s。

总失调误差最大为±0.5LSB，典型功耗值为6mW。

采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换围，VREF-接地，VREF+－VREF-≥1V，可用于较小信号的采样。

图9A/D转换