IO口的扩展与应用课程设计说明书.docx
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IO口的扩展与应用课程设计说明书
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。
图1系统电路原理图
3.1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使用片的8KB的Flash程序存储器,所以片外程序存储器选择引脚/VPP接+5V电源。
图2控制模块原理图
3.2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P10~P17。
当发光电流为6mA时,限流电阻按公式R=(5-1.8)/0.006计算,取标称值为510Ω。
图3指示灯显示模块
3.3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13.5V左右的直流电,采用不可调的3端稳压器件LM7805将电源稳定在5V直流输出。
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。
.4.1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。
4.2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
1.18051单片机原理简述
MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、8751。
8051部有4KBROM,8751部有4KBEPROM,8031部无ROM;除此之外,三者的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)部数据存储器(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)。
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(SpecialFunctionRegister),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。
因此通常所说的部数据存储器就是指前128单元,简称部RAM。
片低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6MHz和12MHz。
从上述容可以看出,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6STC2C5A16S2单片机芯片
㈡STC2C5A16S2单片机外部引脚,如图6
1)、主电源引脚
Vss、Vcc
2)、外接晶振引脚
XTAL1、XTAL2
3)、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:
07H
SFR、PC:
清0
不影响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1/6fosc振荡频率,输入编程脉冲EPROM
PSEN:
外部程序存的读选通信号端。
EA/VPP:
EA=1,访问部程序存
当PC值超过ROM围(0FFFH)时,自动转执行外部存的程序
EA=0,只访问外部程序存。
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。
1.2晶体振荡电路
1.时钟信号的产生
在MCS-51芯片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2.1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30pF左右,晶体的振荡频率围是1.2~12MHz。
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6MHz或12MHz。
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12MHz时,一个机器周期为1μs;当振荡脉冲频率为6MHz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。
1.3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。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源,提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)为第一数据通道。
8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头;DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电。
15脚GND、16脚VCC(+5v)。
主要特点:
1、符合所有的RS-232C技术标准
2、只需要单一+5V电源供电
3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力,能够产生+10V和-10V电压V+、V- 4、功耗低,典型供电电流5mA
5、部集成2个RS-232C驱动器
6、部集成两个RS-232C接收器
MAX232芯片在串行接口电路中的到了应用。
如图8
图8串行接口电路
1.4模数转换器
TLC549是美国仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片,可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATAOUT三条口线进行串行接口。
具有4MHz片系统时钟和软、硬件控制电路,转换时间最长17μs,TLC549为40000次/s。
总失调误差最大为±0.5LSB,典型功耗值为6mW。
采用差分参考电压高阻输入,抗干扰,可按比例量程校准转换围,VREF-接地,VREF+-VREF-≥1V,可用于较小信号的采样。
图9A/D转换
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