簡述C51單片機并行口擴展設(shè)計及應(yīng)用

　　1 引言

　　MCS51是指由美國INTEL公司(對了，就是大名鼎鼎的INTEL)生產(chǎn)的一系列單片機的總稱，這一系列單片機包括了好些品種，如8031,8051,8751,8032,8052,8752等，其中8051是最早最典型的產(chǎn)品，該系列其它單片機都是在8051的基礎(chǔ)上進行功能的增、減、改變而來的，所以人們習(xí)慣于用8051來稱呼MCS51系列單片機，而8031是前些年在我國最流行的單片機，所以很多場合會看到8031的名稱。但如是對一般的系統(tǒng)而言，這些功能往往閑置不用。那么就可以選用一些本來閑置不用的口線作為選通信號來進行并行口的擴展，這樣就能充分利用單片機有限的i/o資源，在本設(shè)計中是將p1口擴展成一個或幾個8位并行口，在每一個八位口上接入8個發(fā)光二極管做為輸出，二極 管是做開關(guān)量來使用的，在這里設(shè)計了跑馬燈和流水燈程序，做到對開關(guān)量的開斷控制;配合開關(guān)量的控制筆者設(shè)計了一個共陽led數(shù)碼管，用來顯示當(dāng)前發(fā)光二極管發(fā)亮的序號，做到更加直觀的雙重控制效果，然后再將p0口通過d/a轉(zhuǎn)換器和一放大器輸出一個模擬信號，其結(jié)果可以通過示波器看出。這樣整個系統(tǒng)即有 了數(shù)字信號輸出和模擬信號輸出，也有數(shù)碼管顯示功能，實用性能大提高了。

　　2 基于89c51的系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 并行口的擴展的電路設(shè)計

　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器(FPEROM- FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。 AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度 非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的 AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。

　　眾所周知，c51系列的單片機都有四個i/o口(p0、p1、p2、p3)，那么at89c51也不例外，但我們通常僅僅使用p1口作為并行 口，而令其余口(p2、p3)處于閑置狀態(tài)，所以這次設(shè)計，我們就是使用閑置不用的p3口做為選能信號線來將p1口進行并行口擴展。

　　(1) 種方式的并行口擴展優(yōu)點

　　連線簡單;

　　不占用存儲器空間;

　　(2) 編程也方便靈活。但也有很大的缺點

　　并行口擴展能力有限，(如使用74ls573(74ls373)且不進行驅(qū)動處理，則最多可擴展4個同樣類型的并行輸出端口，當(dāng)然還需要與之對應(yīng)的四個選通信號。)

　　如擴展較多，選通信號占用并行口位數(shù)太多，例如欲擴展8個并行輸出端口，則需要8個選能信號，此時，僅選能信號就占用了一個8位并行口，這對在 i/o端口線有限的單片機系統(tǒng)中，如此浪費資源的現(xiàn)象是不能容忍的。在本次的設(shè)計中，采用芯片74hc573(帶三態(tài)輸出的八進制透明d型鎖存器)對p1 口進行了一個8位并行口的擴展，選通信號選用p3口的p3.3引腳。原理圖如圖1所示：

　　圖1 pi口擴展電路

　　2.2 擬信號輸出的電路設(shè)計

　　數(shù)模轉(zhuǎn)換器，又稱D/A轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC,它是把數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬的器件。D/A轉(zhuǎn)換器基本上由4個部分組成，即權(quán)電阻網(wǎng) 絡(luò)、運算放大器、基準電源和模擬開關(guān)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器中一般都要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC,它是把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù) 字信號的器件。最常見的數(shù)模轉(zhuǎn)換器是將并行二進制的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為直流電壓或直流電流，它常用作過程控制計算機系統(tǒng)的輸出通道，與執(zhí)行器相連，實現(xiàn)對生產(chǎn)過 程的自動控制。數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路還用在利用反饋技術(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計中。

　　模擬信號的輸出需要用到d/a轉(zhuǎn)換器，這里我使用最常用的8位的d/a轉(zhuǎn)換器dac0832來轉(zhuǎn)換數(shù)字電壓信號。因dac0832是并行d/a轉(zhuǎn)換集成電路， 其輸出為電流型，在使用時，必須額外增加一個運算放大器，才能得到電壓信號，在本次電路中使用了1個lm741放大器來放大信號輸出，lm741是一個普通的單操作的放大器，具有輸入電壓范圍大，短路電壓保護，高增益和不需頻率補償?shù)葍?yōu)點。dac0832的片選端口與單片機的p2.2相連，xfer和 wr2接地，使之一直處于使能狀態(tài)，即輸入數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)字信號可直接轉(zhuǎn)換為模擬信號。d/a轉(zhuǎn)換電路的輸出是一個周期的正弦波，通過外接示波器可以清淅的看到。另外模擬信號的輸出引在一個外接端子上，可以與其它系統(tǒng)相連接，做到通用性的效果。d/a轉(zhuǎn)換原理圖如圖2所示：

　　圖2 d/a轉(zhuǎn)換

　　2.3 靜態(tài)數(shù)碼管顯示的電路設(shè)計

　　靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，如驅(qū)動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5×8=40根I/O端口來驅(qū)動，要知道一個 89S51單片機可用的I/O端口才32個呢：)，實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性。

　　數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元(多一個小數(shù)點顯示);按能顯示多少個"8"可分為1 位、2位、4位等等數(shù)碼管; 數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。這里 我們所設(shè)計的電路顯示是屬于靜態(tài)顯示那種，是兩位靜態(tài)數(shù)碼管顯示，其主要的功能是顯示當(dāng)前發(fā)光led的序號，比如如果當(dāng)前是l1燈在亮的話，數(shù)碼管將顯示 11,是l2燈亮，數(shù)碼管顯示22字樣等。電路的設(shè)計使用2個8位的移位寄存器(74hc164)，和兩個八段的led數(shù)碼管(共陽的)加上2個 8×330ω的排阻構(gòu)成。靜態(tài)數(shù)碼管顯示的優(yōu)點在于，編寫程序相對比較簡單，一旦將欲顯示的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，只要當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)沒有變化，就無須理睬它。不足之處在于，如果顯示的位數(shù)太多，硬件的開銷和電源的功耗問題將會很嚴重(比如這里，只需顯示兩位，就需要用到兩塊74hc164和2個排阻)。電路原理圖如圖3所示：

　　圖3 顯示電路

　　2.4 電源部分電路的設(shè)計

　　整個電路系統(tǒng)使用9v~12v的直流電源供電，故使用一個拔碼開關(guān)和一個二極管，以起保護作用，這里拔碼開關(guān)只起到電源開關(guān)的作用。由于cpu電源為5v,所以使用l7805三端穩(wěn)壓來供cpu電源，電源指示燈一個。電源部分電路圖如圖4所示：

　　圖4 電源電路

　　2.5 復(fù)位部分電路設(shè)計

　　本電路的復(fù)位電路是用一個復(fù)位芯片max706p來設(shè)計的，并帶有復(fù)位按鈕一個。這里復(fù)位是低電平有效的，有手動復(fù)位按鈕，當(dāng)程序跑飛或無響應(yīng)時可以選用手動復(fù)位。復(fù)位信號來自于cpu的p22口。復(fù)位電路原理圖如圖5所示。

　　圖5 復(fù)位電路

　　3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計與應(yīng)用

　　程序已經(jīng)調(diào)試通過，整個程序?qū)崿F(xiàn)的功能如下：

　　p1口的八位擴展，控制8個開關(guān)led指示燈，程序?qū)嶒灹藢@8個指示燈的開關(guān)跑馬控制，實驗程序可以編寫從l1至l8的循環(huán)發(fā)亮，在每個發(fā)光 二極管發(fā)光的同時，數(shù)碼管顯示當(dāng)前發(fā)亮led的序號，比如11、22、33等等。也可讓每個二極管閃爍，可以規(guī)定閃爍時間為半秒鐘或更長，然后再在每一個 led指示燈閃爍的同時，讓led數(shù)碼管顯示當(dāng)前閃爍的指示燈的序號，比如，l1燈閃爍時，數(shù)碼管顯示11字樣，l2燈閃爍時，數(shù)碼管顯示22字樣等等。 在數(shù)模轉(zhuǎn)換這一子函數(shù)的編寫上，是使用指針數(shù)組來寫的，dac0832實現(xiàn)da的轉(zhuǎn)換的芯片，實現(xiàn)的功能是輸出一正弦波模擬信號，當(dāng)在端子口接一示波器時，示波器將輸出一正弦波圖形。主程序流程圖如(圖6)所示。以上所述是整個系統(tǒng)的功能，所有的程序都已經(jīng)通過調(diào)試試驗，實驗證明是可行的。

　　4 結(jié)束語

　　整個系統(tǒng)的軟件已經(jīng)完全通過調(diào)試，證明是切實可行的，整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計是本著單片機系統(tǒng)設(shè)計的簡單化原則來設(shè)計，顯的簡煉有序，軟件編寫也非常簡單易懂。本系統(tǒng)設(shè)計比較適合于在小型系統(tǒng)中應(yīng)用。