一種C51單片機(jī)并行口擴(kuò)展設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1  引言

C51單片機(jī)是我們生活中最常用的系列，MCS-51系列單片機(jī)有4個(gè)并行口(P0，P1，P2，P3口)，但對(duì)一個(gè)稍微復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)來說，真正可供用戶使用的并行口，只有P1口可用，況且常常因擴(kuò)展I2C和SPI的器件需占用某些P1口，迫使用戶不得不擴(kuò)展并行口以滿足實(shí)際的需要。習(xí)慣上，常用的并行口接口芯片有8255、8155，這兩種芯片功能比較齊全，可以使用在相對(duì)比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，但如是對(duì)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(hào)來進(jìn)行并行口的擴(kuò)展，這樣就能充分利用單片機(jī)有限的I/O資源，在本設(shè)計(jì)中是將P1口擴(kuò)展成一個(gè)或幾個(gè)8位并行口，在每一個(gè)八位口上接入8個(gè)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(jì)了跑馬燈和流水燈程序，做到對(duì)開關(guān)量的開斷控制;配合開關(guān)量的控制筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)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(hào)，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(gè)模擬信號(hào)，其結(jié)果可以通過示波器看出。這樣整個(gè)系統(tǒng)即有了數(shù)字信號(hào)輸出和模擬信號(hào)輸出，也有數(shù)碼管顯示功能，實(shí)用性能大提高了。

2  基于89C51的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1  并行口的擴(kuò)展的電路設(shè)計(jì)

眾所周知，C51系列的單片機(jī)都有四個(gè)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(jì)，我們就是使用閑置不用的P3口做為選能信號(hào)線來將P1口進(jìn)行并行口擴(kuò)展。

(1) 種方式的并行口擴(kuò)展優(yōu)點(diǎn)

連線簡(jiǎn)單;

不占用存儲(chǔ)器空間;

(2) 編程也方便靈活。但也有很大的缺點(diǎn)

并行口擴(kuò)展能力有限，(如使用74LS573(74LS373)且不進(jìn)行驅(qū)動(dòng)處理，則最多可擴(kuò)展4個(gè)同樣類型的并行輸出端口，當(dāng)然還需要與之對(duì)應(yīng)的四個(gè)選通信號(hào)。)

如擴(kuò)展較多，選通信號(hào)占用并行口位數(shù)太多，例如欲擴(kuò)展8個(gè)并行輸出端口，則需要8個(gè)選能信號(hào)，此時(shí)，僅選能信號(hào)就占用了一個(gè)8位并行口，這對(duì)在I/O端口線有限的單片機(jī)系統(tǒng)中，如此浪費(fèi)資源的現(xiàn)象是不能容忍的。在本次的設(shè)計(jì)中，采用芯片74HC573(帶三態(tài)輸出的八進(jìn)制透明D型鎖存器)對(duì)P1口進(jìn)行了一個(gè)8位并行口的擴(kuò)展，選通信號(hào)選用P3口的P3.3引腳。原理圖如圖1所示:

2.2  擬信號(hào)輸出的電路設(shè)計(jì)

模擬信號(hào)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(hào)。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(shí)，必須額外增加一個(gè)運(yùn)算放大器，才能得到電壓信號(hào)，在本次電路中使用了1個(gè)LM741放大器來放大信號(hào)輸出，LM741是一個(gè)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(hù)，高增益和不需頻率補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。DAC0832的片選端口與單片機(jī)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(hào)可直接轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出是一個(gè)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(hào)的輸出引在一個(gè)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:

2.3  靜態(tài)數(shù)碼管顯示的電路設(shè)計(jì)

數(shù)碼管顯示器是各種儀器設(shè)備所不可缺少的重要組成部分，是儀器設(shè)備與人對(duì)話的一種重要形式，它告訴人們機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)處理結(jié)果、提示操作人員下一步要進(jìn)行的操作等。按照顯示方法的不同，可分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種，這里我們所設(shè)計(jì)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(hào)，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(jì)使用2個(gè)8位的移位寄存器 (74HC164)，和兩個(gè)八段的LED數(shù)碼管(共陽的)加上2個(gè)8×330Ω的排阻構(gòu)成。靜態(tài)數(shù)碼管顯示的優(yōu)點(diǎn)在于，編寫程序相對(duì)比較簡(jiǎn)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(huì)很嚴(yán)重(比如這里，只需顯示兩位，就需要用到兩塊74HC164和2個(gè)排阻)。電路原理圖如圖3所示:

2.4  電源部分電路的設(shè)計(jì)

整個(gè)電路系統(tǒng)使用9V～12V的直流電源供電，故使用一個(gè)拔碼開關(guān)和一個(gè)二極管，以起保護(hù)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(gè)。電源部分電路圖如圖4所示:

2.5  復(fù)位部分電路設(shè)計(jì)

本電路的復(fù)位電路是用一個(gè)復(fù)位芯片MAX706P來設(shè)計(jì)的，并帶有復(fù)位按鈕一個(gè)。這里復(fù)位是低電平有效的，有手動(dòng)復(fù)位按鈕，當(dāng)程序跑飛或無響應(yīng)時(shí)可以選用手動(dòng)復(fù)位。復(fù)位信號(hào)來自于CPU的P22口。復(fù)位電路原理圖如圖5所示。

3  系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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

P1口的八位擴(kuò)展，控制8個(gè)開關(guān)LED指示燈，程序?qū)嶒?yàn)了對(duì)這8個(gè)指示燈的開關(guān)跑馬控制，實(shí)驗(yàn)程序可以編寫從L1至L8的循環(huán)發(fā)亮，在每個(gè)發(fā)光二極管發(fā)光的同時(shí)，數(shù)碼管顯示當(dāng)前發(fā)亮LED的序號(hào)，比如11、22、33等等。也可讓每個(gè)二極管閃爍，可以規(guī)定閃爍時(shí)間為半秒鐘或更長(zhǎng)，然后再在每一個(gè)LED指示燈閃爍的同時(shí)，讓LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前閃爍的指示燈的序號(hào)，比如，L1燈閃爍時(shí)，數(shù)碼管顯示11字樣，L2燈閃爍時(shí)，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(shí)現(xiàn)DA的轉(zhuǎn)換的芯片，實(shí)現(xiàn)的功能是輸出一正弦波模擬信號(hào)，當(dāng)在端子口接一示波器時(shí)，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(gè)系統(tǒng)的功能，所有的程序都已經(jīng)通過調(diào)試試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明是可行的。

4  結(jié)束語

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