51單片機外圍電路系統(tǒng)擴展與應用

1、MCS-51單片機的系統(tǒng)擴展及應用,通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展介紹外圍電路的擴展3.1：程序存儲器的擴展3.2：數(shù)據(jù)存儲器的擴展3.3：指示小燈 3.4：按鍵擴展3.5：數(shù)碼管應用3.6：A/D轉換器接口3.7：溫度傳感器接口3.8：IIC電路擴展 3.9：液晶電路,AD轉換,溫度傳感器,IIC總線,LCD液晶,,,,,,最小系統(tǒng)板

2、,外擴,3.1：程序存儲器ROM的擴展,1，在使用8031（無片內ROM）或大于4K程序存儲器時，必須通過外接ROM來構成、擴充系統(tǒng)的程序存儲區(qū)。2，當使用外部存儲器來擴展系統(tǒng)時，必須占用單片機的P0、P2口作為外部電路的數(shù)據(jù)、地址總線。此時，P0、P2口就不能作為通用的I/O端口。3，在系統(tǒng)擴展時，外部電路與單片機連接的依據(jù)是單片機訪問外部存儲器的時序，所以正確的理解時序是硬件電路設計的關鍵。,MCS-51與32K ROM的連

3、接,P2.7: : : P2.0P0.7: : : P0.0ALE/EA Psen,CEA14 : :A8A7 O7 : : : : : : A0 O0OE,D7 Q7 D0 Q0CP,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

4、,,,,,,,,,,,,,27256 32K ROM,MCS-51,,,,/CE = P2.7(A15),返回前一次,,完整的地址信號,,,,外部ROM的狀態(tài)與地址線A15的關系表,訪問外部程序存儲器ROM的時序:,,,,A15-A8(PC),,,,,A7-A0,OP,A7-A0,常數(shù),,,,,,,存儲器數(shù)據(jù)輸出控制 /Psen,地址總線（高八位）P2口,地址數(shù)據(jù)總線（低8位）P0 口,,,S1,S2,S6,S5,S4,S3,37

5、3地址鎖存信號 ALE,A15-A8 (DPTR+A),,,,MOVC A,@A+DPTR,,,A B,轉電路圖,返回前一次,（參考講義70頁）,片外存儲器訪問時序說明,P0、P2口作地址和數(shù)據(jù)總線。其中P0口作為地址和數(shù)據(jù)復用總線，前半部（A段）作地址總線，后半部（B段)作為數(shù)據(jù)總線。外部程序存儲器ROM的操作步驟如下： 1，單片機必須為其提供完整的（15位）地址信息； 2，ROM芯

6、片的/CE 端=0，選中該芯片； 3，在滿足上述條件的基礎上，當ROM的/OE=0時（B時間段），存儲器輸出數(shù)據(jù)的三態(tài)門打開，并將與輸入地址相對應的存儲單元中的指令（數(shù)據(jù)）向外輸出，單片機通過P0口將指令送至CPU 內部。74LS373鎖存器:將A時間段P0口輸出的低位地址進行保存，使ROM在B時間段仍然可以得到完整的地址信號。,轉電路圖,轉時序圖,轉電路圖,外部ROM的容量擴展原理(一),如何使用兩片32K的ROM芯片擴展為6

7、4K的存儲陣列。,A15P2口MCS - 51 P0口ALE/EA Psen,,/CE2A14A8A7A0/OE2O0～O7,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,/CE1A14A8A7A0/OE1O0～O7,74LS373,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,由兩片3

8、2K的ROM構成64K存儲陣列與A15的關系表,外部ROM的容量擴展原理(二),若需要對2片以上的芯片擴展，可以通過譯碼電路實現(xiàn)。,P2.7P2.6P2.5P2.4P2.0P0口ALEPsen,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,/CE0A12A8A7 8K×8A0/OE1O0～O7,74LS373,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

9、,,,,,,,,,,,,,C y7BA 0 y,/CE1A12A8A78K×8A0/OE1O0～O7,/CE7A12A8A78K×8A0/OE1O0～O7,,,,,,,,,MCS–51,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,74LS138,,,,,,,,,采用LS138譯碼器實現(xiàn)ROM擴展示意表,小結：,1，單片機的P0、P2口

10、作為地址數(shù)據(jù)總線；2，P0口為數(shù)據(jù)、地址復用總線，所以必須加入八位鎖存器74LS373來鎖存P0口的低八位地址。3，外接ROM是靠MOVC指令產(chǎn)生的Psen信號來打開數(shù)據(jù)三態(tài)門，使ROM中的指令通過P0口送入單片機內部。4，存儲器的容量M與其地址線條數(shù)n的關系：M=2↑n5，當使用兩片ROM擴展時，可以使用一個反向器實現(xiàn)容量的擴展，通過ROM芯片的/CE端實現(xiàn)。6，當使用2片以上的ROM芯片擴展時，就要使用譯碼器實現(xiàn)存儲容量的

11、擴展，譯碼器的輸入與高位地址相連接，輸出端分別與各ROM芯片的/CE連接（如圖所示）。7，當外接ROM的高八位地址線與P2口高八位線沒有完全用足時，要注意外存儲的地址重疊問題。,返回,AD轉換,溫度傳感器,IIC總線,LCD液晶,,,,,,最小系統(tǒng)板,指示燈電路（一）,一、電源指示燈通常的指示燈電路是使用發(fā)光二極管，接法如下：當電源正常工作時發(fā)光二極管就正常顯示,1.6.5 并行端口在使用時應注意的幾個問題,“拉電流”還

12、是“灌電流”----與大電流負載的連接 (我們以美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT8951為例) 1, 使用灌電流的方式與電流較大的負載直接連接時, 端口可以吸收約20mA的電流而保證端口電平不高于0.45V（見右上圖）。 2,采用拉電流方式連接負載時，AT89C51所能提供“拉電流”僅僅為80μA，否則輸出的高電平會急劇下降.如果我們采用右下圖的方式，向端口輸出一個高電平去點亮LED，

13、會發(fā)現(xiàn)，端口輸出的電平不是“1”而是“0”！ 當然，不是所有的單片機都是這樣，PIC單片機就可以提供30mA的拉電流和灌電流。單對于大多數(shù)IC電路，最好還是使用“灌電流”去推動負載。,Px.y,,,,,,,,,Vdd,,,,Px.y,,,,,,,,,Vdd,,,,,,,Vdd,灌電流方式輸出”0”點亮LED,拉電流方式輸出高電平點亮LED,,返回,指示燈電路(二),二、端口指示燈

14、可以將某一I/O口的輸出端接在三極管的基極，如下圖的接法（當LED0端的輸入為高電平時，三極管飽和導通，此時三極管消耗功率最小，LED亮）實現(xiàn)指示燈電路。,按鍵接口設計（一）,按鍵是人機會話的一個重要的輸入工具。常用按鍵舉例復位按鍵功能轉換按鍵數(shù)據(jù)輸入鍵盤 復位按鍵：對于MCS—51系列單片機的復位引腳RST上只要出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機就會實現(xiàn)復位。,按鍵接口設計（二）,以下是一個典型的復位電路設

15、計圖：,按鍵接口設計（三）,復位電路的設計：單片機的復位分為上電復位和按鈕復位。上電復位是指單片機在加電瞬間，要在RST引腳上出現(xiàn)大于10ms的正脈沖，使單片機進入復位狀態(tài)。按鈕復位是指用戶按下“復位”按鈕，使單片機進入復位狀態(tài)。,按鍵接口設計（四）,功能轉換按鍵：此類按鍵主要是當I/O口用作多種用途時，可以使用此類按鍵可以實現(xiàn)同一I/O口的復用。 如圖所示：SW DIP-8的引腳1－8可以接某一I/O口，當按

16、鍵開關在不同的位置可以控制不同的外部接口,按鍵接口設計（五）,數(shù)據(jù)輸入鍵盤,按鍵接口設計（六）,數(shù)據(jù)輸入鍵是最常用的一種鍵盤：上圖所示的按鍵主要是實現(xiàn)了按鍵按下之后，對應S0,S1,S2,S3分別由按下之前的高電平變?yōu)榈碗娖?，從而實現(xiàn)了輸入由1到0的變化。此類按鍵一般需要對其進行編碼和確定鍵值。當然還有其他種類的鍵盤，這里就不再一一列舉，希望我們用的時候自己總結。,,數(shù)碼管（一）,在單片機系統(tǒng)中，通常用LED 數(shù)碼顯示器來顯示各種

17、數(shù)字或符號。 八段LED 顯示器由8 個發(fā)光二極管組成。 LED 顯示器有兩種不同的連接形式：一種是8 個發(fā)光二極管的正極連在一起，稱之為共陽極LED 顯示器；另一種是8 個發(fā)光二極管的負極連在一起，稱之為共陰極LED 顯示器。,數(shù)碼管（二）,共陰與共陽的內部電路如下圖所示：,數(shù)碼管（三）,由圖可以看出，共陽和共陰結構的LED 顯示器各筆劃段名的安排位置是相同的，當二極管導通時，相應的筆劃段就發(fā)亮，由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示出各種字符

18、(a～g是7個筆段電極，DP為小數(shù)點)需要注意的是：對于同一個字符的編碼，共陰和共陽接法對應的編碼是不一樣的，兩者互為反碼。,數(shù)碼管（四）,數(shù)碼管顯示器的顯示常采用兩種方法：1.靜態(tài)顯示2.動態(tài)掃描顯示靜態(tài)顯示：就是把多個LED 顯示器的每一段與一個獨立的并行口連接起來，而公共端則根據(jù)數(shù)碼管的種類連接到“VCC”或“GND”端。這種方法當顯示位數(shù)較多時單片機中I/O 口的開銷很大，需要提供的I/O 接口電路也較復雜，但

19、它具有編程簡單，顯示穩(wěn)定，CPU的效率較高的優(yōu)點。,靜態(tài)LED數(shù)碼顯示電路（共陽極）,,,,,,,,,,七段譯碼器,,,,,,,,,,,,,,,,,七段譯碼器,,,,,,,,,,,,,,,,,七段譯碼器,,,,,,,,,,,,,,,,,七段譯碼器,,,,,,,,,,,,,,,,,七段譯碼器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Vcc,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

20、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,BCD碼 0000 0001 0010 0011 0100,返回,數(shù)碼管（五）,由于靜態(tài)顯示占用的I/O 口線較多，CPU 的開銷很大，所以為了節(jié)省單片機的I/O 口線，常采用動態(tài)掃描方式來作為LED 數(shù)碼管的接口電路。 動態(tài)顯示的接口電路是把所有LED的8 個筆劃段a~g，dp

21、同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM 端與各自獨立的I/O 口連接。當CPU 向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個顯示器亮，則取決于COM 端，而這一端是由I/O 口控制的，所以我們就可以自行決定何時顯示哪一位了。,數(shù)碼管（六）,當用電平依次選通DS1,DS2,DS3,DS4時，同時輸入相應位的碼段數(shù)據(jù)，這樣就是動態(tài)掃描的顯示過程，只要掃描的頻率不小于25Hz，由于人眼的視覺停留特性，就不會感覺閃

22、爍，看起來是4位數(shù)碼管同時發(fā)光的效果。,,AD轉換,溫度傳感器,IIC總線,LCD液晶,,,,,,最小系統(tǒng)板,串行傳輸口設計（一）,串口是計算機上一種非常通用設備通信協(xié)議。串口通信的概念簡單，串口按位發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)傳送的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。串口的通信要遵循固定的協(xié)議，比如通信兩設備間要有相同的波特率，要設定所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位個數(shù)，還有是否要用奇偶位、校驗位及停止位。,串行傳輸口

23、設計（二）,串口用于ASCII碼字符的傳輸，通信使用3根線完成：（１）地線，（２）發(fā)送，（３）接收。對于５１單片機，它本身就有一個串口通信的接口，RXD與TXD，分別對應P3.0與P3.1引腳。要實現(xiàn)串口的通信，并不是直接將P3.0與P3.1的線接出來，而是需要有一個器件 MAX232。,串行傳輸口設計（三）,由于５１單片機接口輸出的是TTL電平，而串口通信需要RS232電平，所以要用MAX232來實現(xiàn)TTL電平與RS232電

24、平的轉換。如下圖所示：,,串行傳輸口設計（四）,串口通信的驗證方法：　　　在程序中發(fā)送一個字符，然后通過計算機上的串口調試助手顯示出來，如果顯示的與發(fā)送的一致，則串口就調試成功。,AD轉換,溫度傳感器,IIC總線,LCD液晶,,,,,,最小系統(tǒng)板,簡單的AD轉換電路設計（一）,AD轉換就是要將模擬信號量，轉換為數(shù)字信號量?？梢杂肨LC0832來實現(xiàn)AD轉換。TLC0832是一種最簡單的A/D轉換器件，有2路模擬量輸入通道。芯片引腳

25、如右圖所示： DI為控制信息的輸入端。DO為數(shù)據(jù)輸出端。CH0,CH1為模擬量輸入通道。CLK為時鐘端。CS為選通信號端（低有效）。,簡單的AD轉換電路設計（二）,TLC0832是一個８位精度的AD轉換器件，由5V電壓供電，輸入的范圍必須是０～５V?？梢酝ㄟ^寫DI輸入中的SGL和ODD進行單通道或者差分輸入通道的選擇。其邏輯如下：,電源和地（一）,對于一個既有數(shù)字信號又有模擬信號的系統(tǒng)，我們要注意的一個問題是模擬電源和數(shù)字

26、電源，模擬地與數(shù)字地的隔離。模擬電路涉及弱小信號，數(shù)字電路門限電平較高，對電源的要求就比模擬電路低些。在既有數(shù)字電路又有模擬電路的系統(tǒng)中，數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲會影響模擬電路，使模擬電路的小信號指標變差，克服的辦法是分開模擬地和數(shù)字地，這種隔離主要用于AD轉換。,電源和地（二）,因此為了提高整個電路的抗干擾性能，通常把數(shù)字電路的地線和模擬電路的地線隔離，或是通過電感連接。注意：在畫PCB時連接盡量短寬 。（下圖是一種接法，其中左側表示模擬

27、電源和地，右側是數(shù)字電源和地）。,簡單的AD轉換電路設計（三）,引腳接法說明： DI可以接51單片機的某一輸出端口，接收51控制信息的輸入。 DO可以接51單片機的某一輸入端口，將 A/D轉換后的數(shù)字信號量輸出到51單片機。 CLK可以接51單片機的某一輸出端口，進行時鐘控制信號的輸入。 CS（低有效）可以接單片機的某一輸出端口，進行選通控制。,,簡單的AD轉換電路設計（四）,TLC0832的工作時序如下圖

28、所示：,簡單的AD轉換電路設計（五）,時序分析： AD轉換時序的開始要先將CS置為低（CS必須在整個轉換過程中被置為低），通過時鐘的上升沿將DI的控制信息發(fā)送給TLC0832，來選擇通道，然后，再通過時鐘的下降沿將DO的數(shù)據(jù)發(fā)送回51。當CS為高后，轉換結束。 在每一個輸入時鐘上升沿，DI上的每位數(shù)據(jù)就會被傳輸?shù)狡骷?832。DI有三個位，第一個輸入位是起始位，它為高電平。然后，就是兩個選擇通道的位，即SG

29、L與ODD。,簡單的AD轉換電路設計（六）,TLC0832輸出的數(shù)字信號量先是以MSB為首的數(shù)據(jù)流，接著就是以LSB為首的數(shù)據(jù)流，這兩個數(shù)據(jù)流完全一樣，只是數(shù)據(jù)流的讀取方式不一樣。MSB為首的８位數(shù)據(jù)流是先將轉換后的８位數(shù)據(jù)的高位發(fā)給５１芯片，而LSB為首的８位數(shù)據(jù)流是先將低位發(fā)給５１芯片。將MSB為首的８位數(shù)據(jù)讀完后，對于LSB那些數(shù)據(jù)可以不保存，但是要用時鐘將它們一一讀完。這些數(shù)據(jù)流都是在輸入時鐘的下降沿開始讀的，每個下降沿就會將一

30、個數(shù)據(jù)位輸入到５１中。,簡單的AD轉換電路設計（七）,對于DI控制信息的時序實現(xiàn)如下： CS=0; //選通 CLK=0; DI=1;　　//發(fā)送起始位 CLK=1; CLK=0; DI=1; //置SGL為高 CLK=1; CLK=0; DI=0; //置ODD為低，選擇的

31、是CH0通道。（SGL已經(jīng)置高。） CLK=1; 讀數(shù)字輸出量的時序與此類似，不過注意的是，讀是由下降沿觸發(fā)。,簡單的AD轉換電路設計（八）,AD轉換的驗證方法：　　　將從TLC0832中讀出的二進制數(shù)通過程序轉化為模擬量，然后顯示在數(shù)碼管或LCD等顯示設備上。注意：在編寫讀寫程序時，一定要嚴格按照資料中給出的時序。,溫度傳感器的設計（一）,用DS18B20器件可以對溫度進行測量。它將測量的溫度自動轉

32、換為數(shù)字信號，通過一根線傳輸?shù)?1芯片中,可以通過簡單的編程實現(xiàn)9位的溫度讀書。,溫度傳感器的設計（二）,溫度傳感器的溫度顯示：將讀到的二進制數(shù)據(jù)轉換成十進制，然后顯示在數(shù)碼管或LCD等顯示設備上。具體的編程應用，可以看所給的關于DS18B20的資料。注意： DS18B20結構簡單，只有三個引腳（VCC，GND和一根數(shù)據(jù)傳輸線），但是編程時一定要控制好時序和設計好延時。,,IIC電路的設計（一）,IIC（Inter-Intergrat

33、ed Circuit Bus）總線是Philips公司推出的一種二線制總線，它現(xiàn)在已經(jīng)變作為一種標準的總線系統(tǒng)廣泛應用于電子行業(yè)中。它只需要通過一個簡單雙向的由兩根線組成的總線就可以完成電路的直接通信。,IIC信號線是：SCL（serial clock line）與SDA（serial data line）。SCL被用來同步設備之間的數(shù)據(jù)傳送，也就是時鐘，它控制著SDA的傳輸；SDA主要用來傳送由總線控制器（５１芯片）發(fā)送給從設備的控制

34、字、地址和主設備與從設備間傳送的數(shù)據(jù)。此外WP用于寫保護。,IIC電路的設計（二）,用24LC01來設計IIC電路，注意的是要在它的SCL與SDA分別加上一個上拉電阻。具體的編程應用，可以看所給的關于24LC09TISN的資料。IIC電路的驗證方法： 先用程序將數(shù)據(jù)寫到EEPROM中，再將數(shù)據(jù)讀出來，然后，可以用數(shù)碼管或LCD等顯示設備將數(shù)據(jù)顯示出來。,1602字符型液晶,1602字符型液晶是一種5*7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示

35、器，根據(jù)顯示的內容，1602屬于2行16個字的液晶。以下為TC1602的實物圖片。,第1腳：VSS為電源地，接GND。第2腳：VDD接5V電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，此引腳可接一個10位的電位器調整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或顯示地址，

36、當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。,第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第7—14腳：DO~D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：BLA背光電源正極輸入引腳。第16腳：BLK背光電源負極，接GND.,TC1602液晶模塊內部帶有標準字庫，內部有字符存儲器，存有192個5*7點陣字符，32個5*10點陣字符。每個字符有個固定的代碼，如“A”的代碼為0100