I／O口的擴展與應(yīng)用 課程設(shè)計說明書

1、鹽城工學(xué)院課程設(shè)計說明書（2009） 目目 錄錄 一 理論部分.1 1 課題要求與內(nèi)容 .1 2 系統(tǒng)方案設(shè)計 .1 3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計 .1 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 .4 二 實踐部分.4 1 系統(tǒng)硬件原理簡介 .4 2 系統(tǒng)硬件調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決措施 .10 3 系統(tǒng)軟件 .10 3.1 軟件設(shè)計 .10 3.2 軟件調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決措施.10 三 附錄.11 . . 一一 理論部分理論部分 理論設(shè)計課題名稱：理論設(shè)計課題名稱：I/OI/O口的擴展與應(yīng)用口的擴展與應(yīng)用 1 課題要求與內(nèi)容課題要求與內(nèi)容 對基于單片機的 I/O 口的擴展與應(yīng)用系統(tǒng)進行設(shè)計。所設(shè)計的系統(tǒng)功能為：以 MCS-

2、51 系列單片機作為控制核心，通過開關(guān)控制輸出數(shù)據(jù)來驅(qū)動二極管顯示出 I/O 口 的擴展。 設(shè)計目的：學(xué)習(xí)單片機系統(tǒng)中擴展 I/O 口的方法；掌握 I/O 口的控制邏輯，學(xué)習(xí)數(shù) 據(jù)輸入輸出的種類及程序的編輯方法。 設(shè)計要求：了解常用的 I/O 摳芯片，硬件擴展，讀取開關(guān)狀態(tài)，輸出數(shù)據(jù)并且驅(qū)動 發(fā)光二極管顯示出來。 2 系統(tǒng)方案設(shè)計系統(tǒng)方案設(shè)計 本設(shè)計采用單片機 STC2C5A16S2 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 STC2C5A16S 為核心，輔以簡單的設(shè)備和必要的電路， 設(shè)計了一款讀取開關(guān)狀態(tài)，輸出數(shù)據(jù)并且驅(qū)動發(fā)光二極管顯示出來，并編寫簡單

3、的程 序，使其能夠工作。 3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計系統(tǒng)硬件的設(shè)計 采用發(fā)光二極管顯示的 I/O 口的擴展與應(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。 鹽城工學(xué)院課程設(shè)計說明書（2010-12-28） 2 C17 104 C12 C13 C6 L9 V CC 16 V + 2 13 C1- 314 GND 15 C1+ 1 C2+ 4 V - 6 T 2O UT 7 R2IN 8 C2- 5 11 T 2IN 10 R2OUT 9 12 IC03 MAX 232-CSE V CC 8 AN0 2 REF- 3 CS 5 SO 6 CCLK 7 GND 4

4、REF+ 1 IC05 T LC549 1 6 2 7 3 8 4 9 5 J2 RS232 T X D-232 RX D-232 T X D RX D V CC + C8 + C11 + C9 + C10 +C7 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 P1-I/O SW-DIP8 P10P100 P110P11 P120 P130 P140 P150 P12 P160 P170 P13 P14 P15 P16 P17 P10 P11 P12 P13 P14 P20 P21 P15 P22 P23 P16 P24 P25 P17 P26 P27 P30

5、P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 CY1 11.0592MHz X 01 X 02 X 01 X 02 RESET V CC R1 680 W1 2K V CC P350 P360 P370 RESET V CC R4 10K P170 P150 1 2 JP2 1 2 JP1 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 L3 L2 L1 L5 L4 L8 L7 L6 P100 P110 P120 P140 P150 P160 R20-R27 680 P130 P170 1 2 3 J3 C16 CAP EA/V P 31 X 1 19 X 2 18

6、RESET 9 RD 17 WR 16 INT 0 12 INT 1 13 T 0 14 T 1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 T X D 11 RX D 10 VCC 40 GND 20 U? STC2C5A16S2 C5 +C15 V CC V CC 8 E1 2

7、E2 3 SDA 5 SCL 6 WC 7 V SS 4 E0 1 IC? 24C02 1 2 JP3 R9 10K R10 10K R11 10K V CC R9 680 C18 4.7UFP160 reset 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 STC2C5A16S2。 STC2C5A16S2 的晶振及復(fù)位電路按典型電路設(shè)計，元器件參數(shù)如圖 2 中所示，晶振頻率 選為 12MHz。P10P17 用于控制 8 個發(fā)光二極管。由于 STC2C5A16S2 使用片內(nèi)的 8KB 的 Flash 程序存儲器，所以片內(nèi)外程序存儲器選擇引腳 /VP

8、P 接5V 電源。 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE /P 30 TXD 11 RXD 10 IC1 AT89 S 52 C6 30pF Y1 12 M

9、 HZ S4 S1C7 30pF R30 10K P3.2 P3.0 P3.1 C5 20uF +5V S2 +5V R31-R33 510*3 VCC GND +5V 20 40 P3.3 P3.7 P3.6 S3 P3.5 P3.4 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。紅色發(fā)光 二極管的共陰極通過電阻接地，陽極接 P10P17。當發(fā)光電流為 6mA 時，限流電阻 按公式 R=（5-1.8）/0.006 計算，取標稱值為 510。 圖 3 指示燈顯示模塊 3.3 電源電路 電源電路如圖 4 所示。整個系統(tǒng)采用的

10、電源電壓只需+5V 電壓，將交流電經(jīng)變壓 鹽城工學(xué)院課程設(shè)計說明書（2010-12-28） 4 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。 Vin 1 GND 2 +5V 3 IC01 MC7805T C4 220UF C3 104 C1 104 D1-D4 IN4007VCC +C2 470UF 1 2 J1 圖 4 電源電路 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計 I/O 口的擴展與應(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 主程序主要負責(zé)總體程序管理功能，包括初始化

11、部分與人機交互設(shè)定部分。由于 采用動態(tài)掃描方式顯示通斷，因此主程序大部分時間是調(diào)用掃描顯示程序。主程序流 程圖如圖 5 所示。 。 開始 初始化 顯示程序 0?P3.7 手動控制程序 Y N 圖 5 主程序流程圖 初始化部分主要完成內(nèi)存規(guī)劃，定時器的工作模式、中斷方式等的設(shè)定。由于子程 序調(diào)用較多，因此初始化時堆棧指針設(shè)于 80H 處。 4.2 特種車中斷服務(wù)子程序 將按鈕 S4 按下，給 引腳輸入低電平信號來模擬特種車通過信號，此時外部中斷 1 被觸發(fā)。 二二 實踐部分實踐部分 1 系統(tǒng)硬件原理簡介系統(tǒng)硬件原理簡介 1.1 8051 單片機原理簡述 MCS-51 單片機的典型芯片是 8031

12、、8051、8751。8051 內(nèi)部有 4 KB ROM，8751 內(nèi)部有 4KB EPROM，8031 內(nèi)部無 ROM；除此之外，三者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳完全相同。 本設(shè)計使用的是 STC2C5A16S2，相當于 8031。下面我們就對本系列單片機的內(nèi)部組成 . . 及信號引腳進行說明。 STC2C5A16S2 單片機的基本組成： 1) 中央處理器（CPU） 中央處理器是單片機的核心，完成運算和控制功能。有運算電路和控制電路，其中 控制電路是單片機的指揮控制部件，保證單片機各部分能自動而協(xié)調(diào)的工作。例如定 時控制電路和振蕩電路均屬于控制電路。單片機執(zhí)行程序就是在控制電路的控制下進 行的。首先從程

13、序存儲器讀出指令，送指令寄存器保存；然后送指令譯碼器進行譯碼， 譯碼結(jié)果送定時控制電路，有定時控制邏輯產(chǎn)生各種定時信號和控制信號；再送到系 統(tǒng)的各個部件去控制相應(yīng)的操作。這就是執(zhí)行一條指令的全過程，而執(zhí)行程序就是不 斷地重復(fù)這一過程。 2) 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（內(nèi)部 RAM） STC2C5A16S2 芯片中共有 256 個 RAM 單元，通常把這 256 個單元按其功能劃分為 兩部分：低 128 單元（單元地址 00H7FH）和高 128 單元（單元地址 80HFFH） 。 內(nèi)部 RAM 的高 128 單元是供給專用寄存器使用的，其單元地址為 80HFFH。因這些 寄存器的功能已作專門規(guī)定，故稱之

14、為專用寄存器（Special Function 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，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。因此通常所說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就 是指前 128 單元，簡稱內(nèi)部 RAM。片內(nèi)低 128 字節(jié) RAM 是用戶真正可以存取隨機數(shù) 據(jù)的數(shù)據(jù)存儲器，其地址為 00H-7FH。 3) 定時/計數(shù)器 STC2C5A16S2 共有兩個 16 位的定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，并以其定時 或計數(shù)結(jié)果對計算機進行控制。 4) 并行 I/O 口 STC2C5A16S2 共有 4 個 8 位的

15、I/O 口（P0、P1、P2、P3） ，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入/ 輸出。每個口都包含一個鎖存器、一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。實際上，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。在訪問片外擴展存儲器時， 低 8 位地址和數(shù)據(jù)由 P0 口分時傳送，高 8 位地址由 P2 口傳送。在無片外擴展存儲器 的系統(tǒng)中，這 4 個口的每一位均可作為雙向的 I/O 端口使用。 5) 串行口 STC2C5A16S2 單片機有一個全雙工的串行口，以實現(xiàn)單片機和其它設(shè)備之間的串行 數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能較強，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) STC2C5A

16、16S2 單片機的中斷功能較強，以滿足控制應(yīng)用的需要。8051 共有 5 個中 斷源，即外中斷兩個，定時/計數(shù)中斷兩個，串行中斷一個。全部中斷分為高級和低級 共兩個優(yōu)先級別。 鹽城工學(xué)院課程設(shè)計說明書（2010-12-28） 6 7) 時鐘電路 STC2C5A16S2 芯片的內(nèi)部有時鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時鐘電路 為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列。系統(tǒng)允許的晶振頻率一般為 6 MHz 和 12 MHz。 從上述內(nèi)容可以看出，STC2C5A16S2 雖然是一個單片機芯片，但作為計算機應(yīng)該具 有的基本部件它都包括，因此，實際上它已是一個簡單的微型計算機系統(tǒng)了。 圖 6 STC2C5A16S2

17、 單片機芯片 STC2C5A16S2 單片機外部引腳，如圖 6 1)、主電源引腳 Vss 、 Vcc 2)、外接晶振引腳 XTAL1 、 XTAL2 3)、控制或復(fù)位引腳 RST / VPD 兩個機器周期高電平，單片機復(fù)位。 P0 P3 口：輸出高電平 SP ： 07H SFR、PC： 清 0 不影響內(nèi) RAM 狀態(tài)，機器從 0 地址開始執(zhí)行。 上電復(fù)位電路、電平方式開關(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 EPROM PSEN ：外部程序內(nèi)存的讀選通信號端。 EA / VPP ：EA = 1 ，訪問內(nèi)部程序內(nèi)存

18、當 PC 值超過內(nèi) ROM 范圍（0FFFH）時，自動轉(zhuǎn)執(zhí)行外部內(nèi)存的 程序 EA = 0 ， 只訪問外部程序內(nèi)存。 . . 對 8751 機，可施加 21V 編程電源（Vpp） 4)、輸入/輸出引腳 P0 P3：四個 I / O 口，每口 8 線，共同 32 線。 1.2 晶體振蕩電路 1. 時鐘信號的產(chǎn)生 在 MCS-51 芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，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)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機的時鐘電路，如圖 2.1 所示。 時鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖

19、經(jīng)過觸發(fā)器進行二分頻之后，才成為單片機的時鐘脈沖信號。 一般地，電容 C1 和 C2 取 30 pF 左右，晶體的振蕩頻率范圍是 1.212 MHz。晶體振 蕩頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也高，單片機運行速度也就快。MCS-51 在通常應(yīng)用情況 下，使用振蕩頻率為 6 MHz 或 12 MHz。 1 XTAL1 XTAL2 C1 C2 晶振 8051 至內(nèi)部時鐘電路 圖 7 晶體振蕩電路 2. 時序 時序是用定時單位來說明的。MCS-51 的時序定時單位共有 4 個，從小到大依次是： 節(jié)拍、狀態(tài)、機器周期和指令周期。下面分別加以說明。 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）

20、。振蕩脈沖經(jīng)過二分頻后，就是單片機 的時鐘信號的周期，其定義為狀態(tài)（用 S 表示） 。 這樣，一個狀態(tài)就包含兩個節(jié)拍，具前半周期對應(yīng)的拍節(jié)叫節(jié)拍 1（P1） ，后半周 期對應(yīng)的節(jié)拍叫節(jié)拍 2(P2） 。 2) 機器周期 MCS-51 采用定時控制方式, 因此它有固定的機器周期。規(guī)定一個機器周期的寬度為 6 個狀態(tài)，并依次表示為 S1S6。由于一個狀態(tài)又包括兩個節(jié)拍，因此，一個機器周 期總共有 12 個節(jié)拍，分別記作 S1P1、S1P2、S6P2。由于一個機器周期共有 12 個 振蕩脈沖周期, 因此機器周期就是振蕩脈沖的十二分頻。 鹽城工學(xué)院課程設(shè)計說明書（2010-12-28） 8 當振蕩脈沖

21、頻率為 12 MHz 時，一個機器周期為 1s；當振蕩脈沖頻率為 6 MHz 時， 一個機器周期為 2s。本設(shè)計采用的晶振頻率為 12MHz。 3) 指令周期 指令周期是最大的時序定時單位, 執(zhí)行一條指令所需要的時間稱為指令周期。它一 般由若干個機器周期組成。不同的指令，所需要的機器周期數(shù)也不相同。通常，包含 一個機器周期的指令稱為單周期指令，包含兩個機器周期的指令稱為雙周期指令，等 等指令的運算速度與指令所包含的機器周期有關(guān)，機器周期數(shù)越少的指令執(zhí)行速度越 快。 單片機執(zhí)行任何一條指令時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) 的信號是周期性的，在每個機器周期內(nèi)出現(xiàn)兩次高電平。

22、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 信號每出現(xiàn)一次，CPU 就進行一次取指 操作，但由于不同指令的字節(jié)數(shù)和機器周期數(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為電腦的 RS-232 標準串口設(shè)計的單電源電平轉(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、1

23、3、14 腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通 道。 其中 13 腳（R1IN） 、12 腳（R1OUT） 、11 腳（T1IN） 、14 腳（T1OUT）為 第一數(shù)據(jù)通道。8 腳（R2IN） 、9 腳（R2OUT） 、10 腳（T2IN） 、7 腳（T2OUT）為第二 數(shù)據(jù)通道。 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)從 T1IN、T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 RS-232 數(shù)據(jù)從 T1OUT、T2OUT 送到 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/CMOS 數(shù)據(jù) 后從 R1OUT、R2OUT 輸出。 第三部分是供電。15 腳 GND、16 腳 VCC（+5v） 。 主要特點

24、： 1、符合所有的 RS-232C 技術(shù)標準 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，能夠產(chǎn)生+10V 和-10V 電壓 V+、V- 4、功耗低，典型供電電流 5mA 5、內(nèi)部集成 2 個 RS-232C 驅(qū)動器 6、內(nèi)部集成兩個 RS-232C 接收器 MAX232 芯片在串行接口電路中的到了應(yīng)用。如圖 8 . . C6 104 VCC 16 V+ 2 13 C1- 314 GND 15 C1+ 1 C2+ 4 V- 6 T2OUT 7 R2IN 8 C2- 5 11 T2IN 10 R2OU T 9 12 IC03 MAX232-CSE 1 6 2 7

25、3 8 4 9 5 J2 RS232 TXD-232 RXD-232 TXD-232 RXD-232 TXD RXD VCC + C8 1uF + C11 1uF + C9 1uF + C10 1uF + C7 22uF C? 104C? 22UF + - D1 D2 USBM USB 1 2 JP5 VCC 圖 8 串行接口電路 1.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 TLC549 是美國德州儀器公司生產(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 CLK、CS、DATA OUT 三條口線進行串行接口。具有 4MHz 片內(nèi)系統(tǒng)時 鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時間最長 17s， TLC549

26、為 40 000 次/s。總失調(diào)誤差最 大為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 量程校準轉(zhuǎn)換范圍，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于較小信號的采樣。 C17 104 VCC 8 AN0 2 REF- 3 CS 5 SO 6 CCLK 7 GND 4 REF+ 1 IC05 TL C549 W1 2K VCC P350 P360 P370 VCC RESET VCC R4 10K P170 P150 1 2 JP2 1 2 JP1 1 2 3 J3 C16 CAP VCC 8 E1 2 E2 3 SDA 5 SCL 6 WC 7 VSS

27、4 E0 1 IC? 24C02 1 2 JP3 R9 10K R10 10K R11 10K VCC R9 680 C18 4.7UFP160 圖 9 A/D 轉(zhuǎn)換電路 芯片簡介： 1、TLC549 的內(nèi)部框圖和管腳名稱 TLC549 的內(nèi)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； 輸入電壓范圍：0.3VVCC0.3V； 鹽城工學(xué)院課程設(shè)計說明書（2010-12-28） 10 輸出電壓范圍：0.3VVCC0.3V； 峰值輸入電流(任一輸入端)：10mA； 總峰值輸入電流(所有輸入端)：30mA； 工作溫度： TLC549C：070 TLC549I：4085 TLC549M：55125 2 系統(tǒng)硬件調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決措施系統(tǒng)硬件調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決措施 問題 1：調(diào)試中出現(xiàn)不能下載程序的問題 措施：檢查電板焊接部分是否焊接完整，檢查各個芯片是否正常工作。 問題 2：通電后指示燈不亮 措施：檢查電板電路焊接，單片機是否安裝正確，元件是否有損壞。 問題 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，元件損壞等問題。 3 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 單片機語言編譯用著名的 Keil C51 編譯器。Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成 開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。另外重