簡述C51單片機(jī)并行口擴(kuò)展設(shè)計(jì)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(jī)的總稱，這一系列單片機(jī)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(jī)都是在8051的基礎(chǔ)上進(jìn)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(jī)，而8031是前些年在我國最流行的單片機(jī)，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(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(jì)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(jì)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(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)

　　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(jī)。 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(jī)。單片機(jī)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(zhǔn)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(jī)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(jī)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(jì)，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(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(diǎn)

　　并行口擴(kuò)展能力有限，(如使用74ls573(74ls373)且不進(jìn)行驅(qū)動處理，則最多可擴(kuò)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(kuò)展較多，選通信號占用并行口位數(shù)太多，例如欲擴(kuò)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(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p1 口進(jìn)行了一個8位并行口的擴(kuò)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(kuò)展電路

　　2.2 擬信號輸出的電路設(shè)計(jì)

　　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(yùn)算放大器、基準(zhǔn)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(jìn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸出通道，與執(zhí)行器相連，實(shí)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(jì)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(yùn)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(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(jì)

　　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(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，顯示亮度高，缺點(diǎn)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(jī)可用的I/O端口才32個呢：)，實(shí)際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進(jìn)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(diǎn)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(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，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(diǎn)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(yán)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(jì)

　　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(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。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(jì)

　　本電路的復(fù)位電路是用一個復(fù)位芯片max706p來設(shè)計(jì)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(jì)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(kuò)展，控制8個開關(guān)led指示燈，程序?qū)嶒?yàn)了對這8個指示燈的開關(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(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，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(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(shí)可行的，整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是本著單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡單化原則來設(shè)計(jì)，顯的簡煉有序，軟件編寫也非常簡單易懂。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較適合于在小型系統(tǒng)中應(yīng)用。