i／o口的扩展与应用课程设计说明书

目录一理论部分................................................................................................................ 错误!未定义书签。

1课题要求与内容 .............................................................................. 错误!未定义书签。

2 系统方案设计 ................................................................................. 错误!未定义书签。

3 系统硬件的设计 ............................................................................. 错误!未定义书签。

4 系统软件设计 (4)二实践部分 (4)1 系统硬件原理简介 (4)2 系统硬件调试中出现的问题及解决措施 (10)3 系统软件 (10)软件设计 (10)软件调试中出现的问题及解决措施 (10)三附录 (11)一理论部分理论设计课题名称：I/O口的扩展与应用1课题要求与内容对基于单片机的I/O口的扩展与应用系统进行设计。

所设计的系统功能为：以MCS-51系列单片机作为控制核心，通过开关控制输出数据来驱动二极管显示出I/O口的扩展。

设计目的：学习单片机系统中扩展I/O口的方法；掌握I/O口的控制逻辑，学习数据输入输出的种类及程序的编辑方法。

设计要求：了解常用的I/O抠芯片，硬件扩展，读取开关状态，输出数据并且驱动发光二极管显示出来。

2 系统方案设计本设计采用单片机STC2C5A16S2和外围接口8155、发光二极管、晶振、复位、电源等电路以及必要的软件组成的以STC2C5A16S为核心，辅以简单的设备和必要的电路，设计了一款读取开关状态，输出数据并且驱动发光二极管显示出来，并编写简单的程序，使其能够工作。

3 系统硬件的设计采用发光二极管显示的I/O口的扩展与应用系统电路原理图如图1 所示，系统由控制模块、指示灯显示模块、电源模块三部分组成。

J2RS232图1 系统电路原理图控制模块控制模块电路如图2所示。

主控制器采用STC2C5A16S2。

STC2C5A16S2的晶振及复位电路按典型电路设计，元器件参数如图2中所示，晶振频率选为12MHz。

P10~P17用于控制8个发光二极管。

由于STC2C5A16S2使用片内的8KB的指示灯显示模块指示灯显示模块如图3所示。

指示灯指示采用红色发光二极管共8个。

红色发光二极管的共阴极通过电阻接地，阳极接P1 0~P17。

当发光电流为6mA时，限流电阻按公式R=（）/计算，取标称值为510Ω。

图3指示灯显示模块电源电路电源电路如图4所示。

整个系统采用的电源电压只需+5V电压，将交流电经变压器变换为15V交流电，再用整流桥得到左右的直流电，采用不可调的3端稳压器件LM7805图4电源电路4 系统软件设计I/O口的扩展与应用系统软件主要分为主程序、特种车中断服务子程序二部分。

. 主程序主程序主要负责总体程序管理功能，包括初始化部分与人机交互设定部分。

由于采用动态扫描方式显示通断，因此主程序大部分时间是调用扫描显示程序。

主程序流程图如图5所示。

图5主程序流程图初始化部分主要完成内存规划，定时器的工作模式、中断方式等的设定。

由于子程序调用较多，因此初始化时堆栈指针设于80H处。

特种车中断服务子程序将按钮S4按下，给引脚输入低电平信号来模拟特种车通过信号，此时外部中断1被触发。

二实践部分1 系统硬件原理简介8051单片机原理简述MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、8751。

8051内部有4 KB ROM，8751内部有4KB EPROM，8031内部无ROM；除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。

本设计使用的是STC2C5A16S2，相当于8031。

下面我们就对本系列单片机的内部组成及信号引脚进行说明。

㈠STC2C5A16S2单片机的基本组成：1) 中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能。

有运算电路和控制电路，其中控制电路是单片机的指挥控制部件，保证单片机各部分能自动而协调的工作。

例如定时控制电路和振荡电路均属于控制电路。

单片机执行程序就是在控制电路的控制下进行的。

首先从程序存储器读出指令，送指令寄存器保存；然后送指令译码器进行译码，译码结果送定时控制电路，有定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号；再送到系统的各个部件去控制相应的操作。

这就是执行一条指令的全过程，而执行程序就是不断地重复这一过程。

2) 内部数据存储器（内部RAM）STC2C5A16S2芯片中共有256个RAM单元，通常把这256个单元按其功能划分为两部分：低128单元（单元地址00H～7FH）和高128单元（单元地址80H～FFH）。

内部RAM的高128单元是供给专用寄存器使用的，其单元地址为80H～FFH。

因这些寄存器的功能已作专门规定，故称之为专用寄存器（Special Function Register），也可称为特殊功能寄存器SFR区。

但高128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是低128单元，用于存放可读写的数据。

因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。

片内低128字节RAM是用户真正可以存取随机数据的数据存储器，其地址为00H-7FH。

3) 定时/计数器STC2C5A16S2共有两个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。

4) 并行I/O口STC2C5A16S2共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入/输出。

每个口都包含一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。

实际上，它们已被归入专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。

在访问片外扩展存储器时，低8位地址和数据由P0口分时传送，高8位地址由P2口传送。

在无片外扩展存储器的系统中，这4个口的每一位均可作为双向的I/O端口使用。

5) 串行口STC2C5A16S2单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。

该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。

6) 中断控制系统STC2C5A16S2单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。

8051共有5个中断源，即外中断两个，定时/计数中断两个，串行中断一个。

全部中断分为高级和低级共两个优先级别。

7) 时钟电路STC2C5A16S2芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。

时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。

系统允许的晶振频率一般为6 MHz和12 MHz。

从上述内容可以看出，STC2C5A16S2虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包括，因此，实际上它已是一个简单的微型计算机系统了。

图6 STC2C5A16S2 单片机芯片㈡STC2C5A16S2单片机外部引脚，如图61)、主电源引脚Vss 、Vcc2)、外接晶振引脚XTAL1 、XTAL23)、控制或复位引脚RST / VPD 两个机器周期高电平，单片机复位。

P0 ~ P3 口：输出高电平SP ：07HSFR、PC：清0不影响内RAM状态，机器从0地址开始执行。

上电复位电路、电平方式开关复位电路如图2-4所示。

ALE / PROG ：地址锁存控制端提供1/6 fosc振荡频率，输入编程脉冲EPROMPSEN ：外部程序内存的读选通信号端。

EA / VPP ：EA = 1 ，访问内部程序内存当PC值超过内ROM范围（0FFFH）时，自动转执行外部内存的程序EA = 0 ，只访问外部程序内存。

对8751机，可施加21V编程电源（Vpp）4)、输入/输出引脚P0 ~ P3：四个I / O口，每口8线，共同32线。

晶体振荡电路1. 时钟信号的产生在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2 。

而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路，如图所示。

时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。

一般地，电容C1和C2取30 pF左右，晶体的振荡频率范围是～12 MHz。

晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。

MCS-51在通常应用情况下，使用振荡频率为6 MHz或12 MHz。

图7 晶体振荡电路2. 时序时序是用定时单位来说明的。

MCS-51的时序定时单位共有4个，从小到大依次是：节拍、状态、机器周期和指令周期。

下面分别加以说明。

1) 节拍与状态把振荡脉冲的周期定义为节拍（用P表示）。

振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号的周期，其定义为状态（用S表示）。

这样，一个状态就包含两个节拍，具前半周期对应的拍节叫节拍1（P1），后半周期对应的节拍叫节拍2(P2）。

2) 机器周期MCS-51采用定时控制方式, 因此它有固定的机器周期。

规定一个机器周期的宽度为6个状态，并依次表示为S1～S6。

由于一个状态又包括两个节拍，因此，一个机器周期总共有12个节拍，分别记作S1P1、S1P2、…、S6P2。

由于一个机器周期共有12个振荡脉冲周期, 因此机器周期就是振荡脉冲的十二分频。

当振荡脉冲频率为12 MHz时，一个机器周期为1μs；当振荡脉冲频率为6 MHz时，一个机器周期为2μs。

本设计采用的晶振频率为12MHz。

3) 指令周期指令周期是最大的时序定时单位, 执行一条指令所需要的时间称为指令周期。

它一般由若干个机器周期组成。

不同的指令，所需要的机器周期数也不相同。

通常，包含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令，等等指令的运算速度与指令所包含的机器周期有关，机器周期数越少的指令执行速度越快。

单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段。

ALE引脚上出现的信号是周期性的，在每个机器周期内出现两次高电平。

第一次出现在S1P2和S2P1期间，第二次出现在S4P2和S5P1期间。

ALE信号每出现一次，CPU就进行一次取指操作，但由于不同指令的字节数和机器周期数不同，因此取指令操作也随指令不同而有小的差异。

单电源电平转换芯片MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。

引脚介绍：第一部分是电荷泵电路。