AT89S51單片機(jī)并行I／O端口的擴(kuò)展

1 引言
    單片機(jī)面向工業(yè)控制領(lǐng)域，控制功能強(qiáng)，在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)、智能儀表、智能通信產(chǎn)品、智能家用電器和智能終端設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。最常用的80C51系列單片機(jī)有4個(gè)并行端口(P0，P1，P2，P3端口)，但對(duì)稍復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，真正可供用戶(hù)使用的并行端口只有P1端口，且常因擴(kuò)展I2C和SPI的器件需占用P1端口，迫使用戶(hù)不得不擴(kuò)展并行端口以滿(mǎn)足實(shí)際需要。
    這里研究80C51系列單片機(jī)中的AT89S51并行I／O端口的擴(kuò)展，采用并行可編程接口器件Intel 8155擴(kuò)展并行I／O端口，并在擴(kuò)展的I／O端口上實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    Intel 8155與AT89S51接口方法(圖1)：P0接8155的地址數(shù)據(jù)線(xiàn)AD0~AD7；單片機(jī)的ALE接8155的ALE；8155的CE與單片機(jī)的 P2．6相連接；8155的復(fù)位線(xiàn)RESET與單片機(jī)復(fù)位線(xiàn)RESET相連接；8155的RD和WR與AT89S51的RD和WR一一對(duì)應(yīng)相連；IO／M 和P2．7相連。
    為節(jié)省I／O端口線(xiàn)，常使用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示方式。將所有數(shù)碼管的a，b，c，d，e，f，g，sp引線(xiàn)并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位I／O端口控制，而公共端由另一個(gè)I／O端口控制。動(dòng)態(tài)方式顯示時(shí)，各數(shù)碼管分時(shí)輪流選通，在某一時(shí)刻只選通一位數(shù)碼--管，并送出相應(yīng)的段碼，在另一時(shí)刻選通另一位數(shù)碼管。并送出相應(yīng)的段碼。依此規(guī)律循環(huán)，即可使各位數(shù)碼管顯示將要顯示的字符。雖然這些字符是在不同的時(shí)刻分別顯示，但由于人眼存在視覺(jué)暫留效應(yīng)，只要每位顯示間隔足夠短就可給人以同時(shí)顯示的感覺(jué)。
    Intel 8155的PB0～PB7接3個(gè)共陰極數(shù)碼管的a~dp引腳，PA0～PA2接3個(gè)共陰極數(shù)碼管的com端，B端口送段碼．A端口送位選通；共陰極數(shù)碼管的a~dp引腳分別接上拉電阻以提高數(shù)碼管顯示的亮度。系統(tǒng)硬件電路如圖1所示。

2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，設(shè)計(jì)原理為L(zhǎng)ED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描，8155初始化設(shè)置A端口，B端口為輸出端口，R5中查表項(xiàng)數(shù)為0,R3中為位選通碼，采用查表法查出段碼，送至8155的B端口，LED數(shù)碼管位選通碼送至A端口，延時(shí)，在最左邊的數(shù)碼管上顯示0；查表項(xiàng)數(shù)加1，位選通左移，查出段碼送至8155的B端口，位選通碼送至A端口，延時(shí)，在中間的數(shù)碼管上顯示1，3個(gè)數(shù)碼管輪流顯示循環(huán)往復(fù)。圖2為軟件流程。

3 設(shè)計(jì)及調(diào)試
3．1 單片機(jī)最小系統(tǒng)
    單片機(jī)最小系統(tǒng)是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對(duì)于80C51系列單片機(jī)，最小系統(tǒng)一般應(yīng)包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、晶振電路、復(fù)位電路、顯示輸出等。
3．1．1 最小系統(tǒng)電路的組成
    圖3為單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖，其組成有：
    (1)單片機(jī)：1片AT89S51；(2)晶振電路：典型的晶振取12 MHz，C2和C3選用30 μF的電容；(3)復(fù)位電路：具有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位功能的復(fù)位電路，由電容串聯(lián)電阻并在電容上并接復(fù)位按鍵構(gòu)成，由圖3并結(jié)合“電容電壓不能突變”的性質(zhì)，可知，當(dāng)系統(tǒng)上電或復(fù)位鍵按下后，RST引腳均會(huì)出現(xiàn)高電平，高電平持續(xù)時(shí)間由電路的RC值決定。典型的51單片機(jī)當(dāng)RST引腳的高電平持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上將復(fù)位。所以，適當(dāng)組合RC的取值就可保證可靠復(fù)位。設(shè)計(jì)中C1取10μF，R2取1 kΩ；(4)對(duì)于31引腳(EA／Vpp)，當(dāng)接高電平時(shí)，單片機(jī)在復(fù)位后從內(nèi)部ROM的0000H開(kāi)始執(zhí)行；當(dāng)接低電平時(shí)，復(fù)位后直接從外部ROM的 0000H開(kāi)始執(zhí)行。此設(shè)計(jì)將程序燒寫(xiě)到AT89S51內(nèi)部ROM中，因此，31引腳(EA／Vpp)接高電平。(5)為在P1端口實(shí)現(xiàn)LED燈顯示， P1．7端口上外接發(fā)光二極管，發(fā)光二極管接3．6 kΩ的上拉電阻。

3．1．2 單片機(jī)最小系統(tǒng)的調(diào)試
    對(duì)單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試：將P1．7引腳所接的LED二極管閃爍程序代碼燒寫(xiě)到AT89S51單片機(jī)片內(nèi)ROM中，在單片機(jī)最小系統(tǒng)電路板上插上單片機(jī)，接通電源，若發(fā)光二極管閃爍則說(shuō)明最小系統(tǒng)電路工作正常，反之則需要檢查錯(cuò)誤。
3．2 系統(tǒng)電路的調(diào)試
3．2．1 調(diào)試方法
    在最小系統(tǒng)電路中按照?qǐng)D1完成并行I/O端口擴(kuò)展的系統(tǒng)硬件電路。編寫(xiě)系統(tǒng)軟件程序并在Keil C軟件環(huán)境下編譯、連接、調(diào)試程序，修改錯(cuò)誤。用ISP編程器將實(shí)驗(yàn)程序代碼寫(xiě)入AT89S51單片機(jī)片內(nèi)ROM中。在單片機(jī)系統(tǒng)硬件電路板上插上單片機(jī)，開(kāi)機(jī)運(yùn)行，若3個(gè)數(shù)碼管依次顯示“0”、“1”、“2”，則說(shuō)明系統(tǒng)工作正常。
3．2．2 調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題及原因
    在調(diào)試初期，由于未考慮8155復(fù)位比單片機(jī)復(fù)位慢，一開(kāi)始未加100 ms延時(shí)程序，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)3位數(shù)碼管顯示均為“8．”。為找出發(fā)生此現(xiàn)象的原因，將數(shù)碼管改由AT89S51單片機(jī)P1口送段碼，P2口送位選通，將動(dòng)態(tài)顯示的程序做相應(yīng)修改，調(diào)試通過(guò)后用ISP編程器將代碼寫(xiě)入AT89S51單片機(jī)片內(nèi)ROM中，開(kāi)機(jī)運(yùn)行，3個(gè)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示“0”、“1”、 “2”。此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明8155器件工作不正常。按照?qǐng)D1連線(xiàn)，核實(shí)連線(xiàn)及端口地址無(wú)誤后，再次用ISP編程器將實(shí)驗(yàn)程序代碼寫(xiě)入AT89S51單片機(jī)片內(nèi)ROM中，開(kāi)機(jī)運(yùn)行，3個(gè)數(shù)碼管顯示均為“8．”。此現(xiàn)象說(shuō)明8155器件工作不正常的原因不是硬件電路的問(wèn)題。研究8155的特性參數(shù)后發(fā)現(xiàn)8155 復(fù)位比單片機(jī)復(fù)位慢，在系統(tǒng)初始化時(shí)存在時(shí)差。在系統(tǒng)復(fù)位后應(yīng)加100 ms的延時(shí)，以保證8155完成復(fù)位工作。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)程序開(kāi)始加100 ms延時(shí)程序，將實(shí)驗(yàn)程序代碼寫(xiě)入AT89S51單片機(jī)片內(nèi)ROM中，開(kāi)機(jī)運(yùn)行，3個(gè)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示“0”、“1”、“2”，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論
    通過(guò)AT89S51與Intel 8155器件接口實(shí)現(xiàn)了并行I/O端口的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了3個(gè)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。由實(shí)驗(yàn)可知，采用8155擴(kuò)展并行I／O端口方便、實(shí)用、成本低、且擴(kuò)展的FO 端口可編程。由于Intel 8155內(nèi)部自帶256B的SRAM和一個(gè)14位的加1計(jì)數(shù)器，因此在單片機(jī)外擴(kuò)展8155不僅增加了并行I/O端口，同時(shí)豐富了SRAM與計(jì)數(shù)器等資源。值得注意的是8155復(fù)位比單片機(jī)復(fù)位慢，在程序開(kāi)始應(yīng)加延時(shí)程序，調(diào)整系統(tǒng)初始化時(shí)，應(yīng)調(diào)整Intel 8155和單片機(jī)的復(fù)位時(shí)差。