1、目 錄一 理論部分11課題要求與內容12 系統方案設計13 系統硬件的設計14 系統軟件設計4二 實踐部分41 系統硬件原理簡介42 系統硬件調試中出現的問題及解決措施103 系統軟件103.1 軟件設計103.2軟件調試中出現的問題及解決措施10三 附錄11一 理論部分理論設計課題名稱：I/O口的擴展與應用1課題要求與內容對基于單片機的I/O口的擴展與應用系統進行設計。所設計的系統功能為：以MCS-51系列單片機作為控制核心，通過開關控制輸出數據來驅動二極管顯示出I/O口的擴展。設計目的：學習單片機系統中擴展I/O口的方法；掌握I/O口的控制邏輯，學習數據輸入輸出的種類及程序的編輯方法。設計

2、要求：了解常用的I/O摳芯片，硬件擴展，讀取開關狀態，輸出數據并且驅動發光二極管顯示出來。2 系統方案設計本設計采用單片機STC2C5A16S2和外圍接口8155、發光二極管、晶振、復位、電源等電路以及必要的軟件組成的以STC2C5A16S為核心，輔以簡單的設備和必要的電路，設計了一款讀取開關狀態，輸出數據并且驅動發光二極管顯示出來，并編寫簡單的程序，使其能夠工作。3 系統硬件的設計采用發光二極管顯示的I/O口的擴展與應用系統電路原理圖如圖1 所示，系統由控制模塊、指示燈顯示模塊、電源模塊三部分組成。圖1 系統電路原理圖3.1 控制模塊 控制模塊電路如圖2所示。主控制器采用STC2C5A16S

3、2。STC2C5A16S2的晶振及復位電路按典型電路設計，元器件參數如圖2中所示，晶振頻率選為12MHz。P10P17用于控制8個發光二極管。由于STC2C5A16S2使用片內的8KB的Flash程序存儲器，所以片內外程序存儲器選擇引腳 /VPP接5V電源。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光二極管共8個。紅色發光二極管的共陰極通過電阻接地，陽極接P10P17。當發光電流為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。整個系統采用的電源電壓只需+5V電壓，

4、將交流電經變壓器變換為15V交流電，再用整流橋得到13.5V左右的直流電，采用不可調的3端穩壓器件LM7805將電源穩定在5V直流輸出。圖4電源電路4 系統軟件設計I/O口的擴展與應用系統軟件主要分為主程序、特種車中斷服務子程序二部分。.4.1 主程序主程序主要負責總體程序管理功能，包括初始化部分與人機交互設定部分。由于采用動態掃描方式顯示通斷，因此主程序大部分時間是調用掃描顯示程序。主程序流程圖如圖5所示。圖5主程序流程圖初始化部分主要完成內存規劃，定時器的工作模式、中斷方式等的設定。由于子程序調用較多，因此初始化時堆棧指針設于80H處。4.2特種車中斷服務子程序將按鈕S4按下，給 引腳輸入

5、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。二 實踐部分1 系統硬件原理簡介1.1 8051單片機原理簡述MCS-51單片機的典型芯片是8031、8051、8751。8051內部有4 KB ROM，8751內部有4KB EPROM，8031內部無ROM；除此之外，三者的內部結構及引腳完全相同。本設計使用的是STC2C5A16S2，相當于8031。下面我們就對本系列單片機的內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

6、能自動而協調的工作。例如定時控制電路和振蕩電路均屬于控制電路。單片機執行程序就是在控制電路的控制下進行的。首先從程序存儲器讀出指令，送指令寄存器保存；然后送指令譯碼器進行譯碼，譯碼結果送定時控制電路，有定時控制邏輯產生各種定時信號和控制信號；再送到系統的各個部件去控制相應的操作。這就是執行一條指令的全過程，而執行程序就是不斷地重復這一過程。2) 內部數據存儲器（內部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）。內部RAM的高128單元是供給專用寄存器使用的，其單元

7、地址為80HFFH。因這些寄存器的功能已作專門規定，故稱之為專用寄存器（Special Function Register），也可稱為特殊功能寄存器SFR區。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據。因此通常所說的內部數據存儲器就是指前128單元，簡稱內部RAM。片內低128字節RAM是用戶真正可以存取隨機數據的數據存儲器，其地址為00H-7FH。 3) 定時/計數器 STC2C5A16S2共有兩個16位的定時/計數器，以實現定時或計數功能，并以其定時或計數結果對計算機進行控制。 4) 并行I/O口 STC2C5A16S2共有4個8位的I/

8、O口（P0、P1、P2、P3），以實現數據的并行輸入/輸出。每個口都包含一個鎖存器、一個輸出驅動器和輸入緩沖器。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位地址和數據由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，以實現單片機和其它設備之間的串行數據傳送。該串行口功能較強，既可作為全雙工異步通信收發器使用，也可作為同步移位器使用。 6) 中斷控制系統 STC2C5A16S2單片機的中斷功能較強，以滿足控制應用的需要

9、。8051共有5個中斷源，即外中斷兩個，定時/計數中斷兩個，串行中斷一個。全部中斷分為高級和低級共兩個優先級別。 7) 時鐘電路 STC2C5A16S2芯片的內部有時鐘電路，但石英晶體和微調電容需外接。時鐘電路為單片機產生時鐘脈沖序列。系統允許的晶振頻率一般為6 MHz和12 MHz。從上述內容可以看出，STC2C5A16S2雖然是一個單片機芯片，但作為計算機應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了。圖6 STC2C5A16S2 單片機芯片STC2C5A16S2單片機外部引腳，如圖61)、主電源引腳 Vss 、 Vcc2)、外接晶振引腳 XTAL1 、 XTAL

10、23)、控制或復位引腳 RST / VPD 兩個機器周期高電平，單片機復位。 P0 P3 口：輸出高電平 SP ： 07H SFR、PC： 清0 不影響內RAM狀態，機器從0地址開始執行。 上電復位電路、電平方式開關復位電路如圖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 ：外部程序內存的讀選通信號端。 EA / VPP ：EA = 1 ，訪問內部程序內存 當PC值超過內ROM范圍（0FFFH）時，自動轉執行外部內存的程序 EA = 0 ， 只訪問外部程序內存。 對8751機，可施加21V編程電源（Vpp） 4)、輸入/輸

11、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. 時鐘信號的產生在MCS-51芯片內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電容，從而構成一個穩定的自激振蕩器，這就是單片機的時鐘電路，如圖2.1所示。時鐘電路產生的振蕩脈沖經過觸發器進行二分頻之后，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，則系統的時鐘頻率也高，單片機運行速度也就快。MCS-51在通常應用情況下，使用振蕩頻率

12、為6 MHz或12 MHz。 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：節拍、狀態、機器周期和指令周期。下面分別加以說明。1) 節拍與狀態 把振蕩脈沖的周期定義為節拍（用P表示）。振蕩脈沖經過二分頻后，就是單片機的時鐘信號的周期，其定義為狀態（用S表示）。 這樣，一個狀態就包含兩個節拍，具前半周期對應的拍節叫節拍1（P1），后半周期對應的節拍叫節拍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。規定一個機器周期的寬度為6個狀態，并依次表示為S1S6。由于一個狀態又包括兩個節拍，因此，一個機

13、器周期總共有12個節拍，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。當振蕩脈沖頻率為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，機器周期數越少的指令執行速度越快。單片機執行

14、任何一條指令時都可以分為取指令階段和執行指令階段。ALE引腳上出現的信號是周期性的，在每個機器周期內出現兩次高電平。第一次出現在S1P2和S2P1期間，第二次出現在S4P2和S5P1期間。ALE信號每出現一次，CPU就進行一次取指操作，但由于不同指令的字節數和機器周期數不同，因此取指令操作也隨指令不同而有小的差異。1.3單電源電平轉換芯片MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片,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只電容構成。功能是產生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。 第二部

15、分是數據轉換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數據通道。 其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數據通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數據通道。 TTL/CMOS數據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232數據從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）。主要特點：1、符合所有的RS-232C技術標準

16、2、只需要單一 +5V電源供電3、片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉能力，能夠產生+10V和-10V電壓V+、V- 4、功耗低，典型供電電流5mA5、內部集成2個RS-232C驅動器6、內部集成兩個RS-232C接收器MAX232芯片在串行接口電路中的到了應用。如圖 8圖8 串行接口電路1.4模數轉換器TLC549是美國德州儀器公司生產的8位串行A/D轉換器芯片，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片內系統時鐘和軟、硬件控制電路，轉換時間最長17s， TLC549為40 000次/s。總失調誤差最大為0.5LSB，典型功耗值為6mW。采用差

17、分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準轉換范圍，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于較小信號的采樣。圖9 A/D轉換電路芯片簡介：1、TLC549的內部框圖和管腳名稱TLC549的內部框圖和引腳名稱如圖1所示。2、極限參數TLC549的極限參數如下： 電源電壓：6.5V；輸入電壓范圍：0.3VVCC0.3V；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：070TLC549I：4085TLC549M：551252 系統硬件調試中出現的問題及解決措施問題1：調試中出現不能下載程序的問

18、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和功能強大的集成開發調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢，其方便易用的集成環境、強大的軟件仿真調試工具會令你事半功倍。3.1 軟件設計軟件的設計是一個將需求轉變為軟件陳述（表達）的過程。這種陳述給 一個對軟件的全局觀點。系統通過逐步求精使得設計陳述逐漸接近源代碼。這里有兩個基本步驟：第一步是初步設計 Preliminary design ，關注