第五章MCS-51系統(tǒng)擴展技術

★單片機的用法★存儲器的擴展★I/O的擴展第五章MCS-51系統(tǒng)擴展技術★單片機的用法1§5-1單片機的用法（重點）一、單片用法（最小應用系統(tǒng)）

MCS-51單片機內部帶有程序存儲器時,就是一個最簡單的最小應用系統(tǒng),許多實際應用系統(tǒng)就是用這種成本低和體積小的單片結構實現(xiàn)了高性能的控制。該系統(tǒng)的特點如下:

(1)單片機提供了P0、P1、P2、P3四個I/O口，32根I/O線。

(2)內部存儲器的容量有限(有限的內部RAM和程序存儲器）。

§5-1單片機的用法（重點）一、單片用法（最小應用系統(tǒng)）2MCS-51系列單片機典型的單片用法外設MCS-51系列單片機典型的單片用法外設3例:太陽能電池、蓄電池路燈控制系統(tǒng)（第九章1節(jié)）RSTEAP2.7P2.6P2.5P2.4U1

89C55WDP1.3P1.2P2.0P2.1P2.2P2.3P1.4P1.1P1.5P1.0Q1K8U2AXT112MHzU2BU2CU2DK7K6K5K4K3K2K1C2C1C3R15R14VCCR8R10R3R1R2EcEcR4R11VCCR5VCCR12VCCR13VCCR6EcR7R9RSD1X2X1VCCQ2D2VCCS2S1L蓄電池7805VCCEc(12V)+-+-+-+-光電池ABCDE4路電壓比較信號輸入2路開關輸出8路開關輸入例:太陽能電池、蓄電池路燈控制系統(tǒng)（第九章1節(jié)）RSTE4例、<智能儀表>為單片用法（第7章）P2P3P1P0例、<智能儀表>為單片用法（第7章）P2P3P1P05二、單片機的系統(tǒng)用法（三總線結構）當單片機最小系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)功能的要求時,就需要進行擴展。為了使單片機能方便地與各種擴展芯片連接,常將單片機的外部連線變?yōu)橐话愕奈⑿陀嬎銠C三總線結構形式。二、單片機的系統(tǒng)用法（三總線結構）當單片機最6三、單片機系統(tǒng)擴展的內容與方法

1、內容：①外部程序存儲器的擴展②外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展③輸入/輸出接口的擴展④管理功能器件的擴展

(如定時器/計數(shù)器、鍵盤/顯示器、中斷優(yōu)先級編碼器等)。2、基本方法①使用TTL中小規(guī)模集成電路進行擴展。②采用其它一些通用標準芯片來擴展。三、單片機系統(tǒng)擴展的內容與方法1、內容：2、7§5-2存儲器的擴展存儲器擴展的核心問題是存儲器的編址問題。擴展注意的問題：讀寫控制片選控制地址的分配：地址是一個范圍空間§5-2存儲器的擴展存儲器擴展的核心問題是存儲器的編址問題。8單片機擴展存儲器實用電路DBAB程序存儲器8K3數(shù)據(jù)存儲器8K3CB單片機擴展存儲器實用電路DBAB程序數(shù)據(jù)CB9§5-3I/O的擴展

I/O口擴展方法

根據(jù)擴展并行I/O口時數(shù)據(jù)線的連接方式，I/O口擴展可分為：

(1)總線擴展方法擴展的并行I/O芯片掛接到總線上。

(2)串行口擴展方法

MCS-51單片機串行口在方式0（移位寄存器工作方式）工作狀態(tài)下所提供的I/O口擴展功能。§5-3I/O的擴展I/O口擴展方法10一、簡單I/O接口的擴展

對于始終就緒的外設，按照“輸入三態(tài),輸出鎖存”與總線相連的原則,選擇74LS系列的TTL或MOS電路即能組成簡單的I/O擴展接口。DBABCB一、簡單I/O接口的擴展對于始終就緒的外設，按照“11二、串行I/O口的擴展

MCS-51單片機有一個串行口,若在串行口外接1個或多個移位寄存器,則可以擴展多個I/O口。串入并出并入串出多級串入并出二、串行I/O口的擴展MCS-51單片機有一個串12三、利用通用接口芯片的擴展

由于MCS-51單片機具有MCS-80/85CPU的總線標準,因此可以很方便地使用MCS-80/85系列接口芯片如8255A、8155、8253、8279等,其連接方法非常簡單方便。1、擴展8255A三、利用通用接口芯片的擴展由于MCS-51單片機132、DAC0832與MCS-51單片機接口2、DAC0832與MCS-51單片機接口14例：D/A轉換程序，用DAC0832輸出0～5V、脈沖周期為100ms的鋸齒波，電路為單緩方式。DACS：MOV DPTR，#7FFFH ；0832I/O地址 MOV A，#0 ；開始輸出0VDACL：MOVX @DPTR，A ；輸出模擬量 INC A ；升壓 ACALL DELAY ；延時100ms/256 AJMP DACL ；連續(xù)輸出DELAY：… ；延時子程序100ms例：D/A轉換程序，用DAC0832輸出0～5V、脈沖周期153、MCS-51單片機與ADC0809的接口3、MCS-51單片機與ADC0809的接口16四、單片機系統(tǒng)擴展實例（第九章2節(jié)）1、CPU部分四、單片機系統(tǒng)擴展實例（第九章2節(jié)）1、CPU部分172、按鍵部分2、按鍵部分183、流水燈部分3、流水燈部分19單片機應用系統(tǒng)組成第六章單片機應用系統(tǒng)設計單片機應用系統(tǒng)組成第六章單片機應用系統(tǒng)設計20§6.1

MCS-51應用系統(tǒng)組成

前向通道后向通道后向通道人機通道§6.1MCS-51應用系統(tǒng)組成前向通道后向通道后向通道21§6.2

前向通道的組成及其特點前向通道是單片機與測控對象相連的部分，是應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的輸入通道。來自被控對象的現(xiàn)場信息有多種多樣。按物理量的特征可分為模擬量和數(shù)字（或開關量）兩種。§6.2前向通道的組成及其特點前向通22

(1)與現(xiàn)場采集對象相連，是現(xiàn)場干擾進入的主要通道，是整個系統(tǒng)抗干擾設計的重點部位。

(2)輸入信號來自現(xiàn)場，許多信號不能滿足單片機輸入的要求，所以要有形式多樣的信號變換調節(jié)電路。（如測量放大器、I/F變換、A/D轉換、放大、整形電路等）

(3)前向通道是一個模擬、數(shù)字混合電路系統(tǒng)，其電路功耗小，一般沒有功率驅動要求。特點：(1)與現(xiàn)場采集對象相連，是現(xiàn)場干擾進入的主要通道，是23§6.2后向通道的特點

(1)后向通道是應用系統(tǒng)的輸出通道，大多數(shù)需要功率驅動。

(2)靠近伺服驅動現(xiàn)場，故后向通道的隔離對系統(tǒng)的可靠性影響很大。

(3)根據(jù)輸出控制的不同要求，后向通道電路有多種多樣。（如模擬電路、數(shù)字電路、開關電路等，輸出信號形式有電流輸出、電壓輸出、開關量輸出及數(shù)字量輸出等）§6.2后向通道的特點(1)后向通道是應用24§6.3

人機通道的特點人機通道接口一般都是數(shù)字電路，電路結構簡單，可靠性高。通常單片機應用系統(tǒng)中，人機對話通道都是小規(guī)模的。（如微型打印機、功能鍵、LED/LCD顯示器等）§6.3人機通道的特點人機通道接口一般都是25一、

MCS-51單片機與鍵盤的接口P1.0P1.1P1.7+5v

獨立式鍵盤電路

0

1+5v

C0C1R0R1鍵盤I/O接口

矩陣式鍵盤單片機系統(tǒng)中普遍使用非編碼式鍵盤,這類鍵盤主要解決以下幾個問題：①鍵的識別;②如何消除鍵的抖動;③鍵的保護。一、MCS-51單片機與鍵盤的接口P1.0+5v獨立式鍵26①行掃描法行掃描法,就是通過行線發(fā)出低電平信號,如果該行線所連接的鍵沒有按下的話,則列線所連接的輸出端口得到的是全“1”信號;如果有鍵按下的話,則得到的是非全“1”信號。②線反轉法線反轉法也是識別閉合鍵的一種常用方法。該方法比行掃描法速度要快,但在硬件電路上要求行線與列線均需有上拉電阻,故比行掃描法稍復雜些。1、非編碼式鍵盤識別按鍵的方法①行掃描法1、非編碼式鍵盤識別按鍵的方法272、非編碼式鍵盤鍵抖動的消除方法＆I/O接口＆+5v+5v消除抖動電路開關計算機①硬件方法＆I/O接口＆+5v+5v消除抖動電路開關計算機2、非編碼式鍵盤鍵抖動的消除方法＆＆+5v+5v消除抖動電路28②軟件方法鍵穩(wěn)定鍵按下前沿抖動前沿抖動鍵合斷時的電壓抖動延時等待10ms仍有按鍵信號？Y有按鍵信號？NYN鍵盤處理

按鍵釋放？NY軟件消除抖動方法②軟件方法鍵穩(wěn)定鍵按下前沿抖動前沿抖動鍵合斷時的電壓抖動延時29軟件上采取的措施：

在檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一個10ms左右（具體時間應視所使用的按鍵進行調整）的延時程序后，再確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，若仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認該鍵處于閉合狀態(tài)。同理，在檢測到該鍵釋放后，也應采用相同的步驟進行確認，從而可消除抖動的影響。軟件上采取的措施：在檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行30二、MCS-51單片機與LED顯示器1、LED顯示器結構與原理二、MCS-51單片機與LED顯示器1、LED顯示器結構31各段碼位的對應關系如下:

七段顯示代碼

各段碼位的對應關系如下:七段顯示代碼322、靜態(tài)顯示器接口電路

abhCOMafbge

cd

dp

abhCOM

abhCOM驅動器1驅動器2驅動器nI/O接口優(yōu)點：軟件簡單，占用CPU時間少。缺點：硬件復雜，占用端口地址多（一位LED顯示器占一個地址）。2、靜態(tài)顯示器接口電路abhCOMa33需要6個鎖存器，6個端口地址，但是軟件簡單。例:需要6個鎖存器，6個端口地址，但是軟件簡單。例:需要6個鎖存器，6個端口地址，但是軟件簡單。例:343、動態(tài)顯示器接口電路①動態(tài)顯示概念

動態(tài)顯示是一位一位地輪流點亮各位數(shù)碼管，這種逐位點亮顯示器的方式稱為位掃描。動態(tài)方式顯示時，雖然這些字符是在不同的時刻分別顯示，但由于人眼存在視覺暫留效應，只要每位顯示間隔合適就可以給人以同時顯示的感覺。

3、動態(tài)顯示器接口電路①動態(tài)顯示概念35②動態(tài)顯示電路的連接各位數(shù)碼管的段選線相應并聯(lián)在一起，由一個8位的I/O口控制；各位的位選線（公共陰極或陽極）由另外的I/O口線控制。②動態(tài)顯示電路的連接各位數(shù)碼管的段選線相應36例：六位數(shù)碼管動態(tài)顯示電路字型口字位口例：六位數(shù)碼管動態(tài)顯示電路字字37COMhCOMhbbhCOMafbge

cdhaaba反相驅動器反相驅動器8255A口8255B口88單片機字型口字位口③動態(tài)顯示軟件設計COMhCOMhbbhCOMaaaba反反82558255838(A)動態(tài)掃描方式的確定◆CPU工作不多、不忙時，可采用采用軟件延時的方法。◆CPU工作較多、較忙時，可采用定時器中斷方式實現(xiàn)。每隔20ms掃描一次，每位數(shù)碼管點亮的時間為1-2ms，即采用中斷一次每位數(shù)碼管點亮一次的方式，程序較簡單。◆CPU工作很多、很忙時，可采用定時器中斷方式實現(xiàn)。每隔2-4ms掃描一位數(shù)碼管，即采用中斷一次點亮一位數(shù)碼管的方式，程序較復雜。(A)動態(tài)掃描方式的確定◆CPU工作不多、不忙時，可采用采用39(B)

動態(tài)顯示程序設計(6位LED為例)

建立顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，存放待顯示數(shù)據(jù)和字符。（如內部RAM的X1H～X6H）顯示緩沖區(qū)X1X2X3X4X5X6

顯示譯碼：程序存儲器中建立字形碼常數(shù)表（七段碼表），查表得出對應數(shù)據(jù)和字符的字形碼。

輸出顯示：輸出字形碼到顯示端口。(B)動態(tài)顯示程序設計(6位LED為例)

建立顯示數(shù)據(jù)緩沖40開始指向顯示緩沖區(qū)確定首次顯示位取出顯示數(shù)查出七段碼送出字型碼送出字位碼延時1MS6位顯示完？結束NY例:程序流程圖(CPU工作不多、不忙時，可采用采用軟件延時的方法)開始指向顯示緩沖區(qū)取出顯示數(shù)查出七段碼送出字型碼送出字位碼延41思考題1、單片用法的優(yōu)點、缺點是什么？2、單片機系統(tǒng)用法的優(yōu)點、缺點是什么？3、擴展存儲器的核心問題是什么？4、如何克服鍵抖動問題？5、什么是LED動態(tài)掃描電路？其顯示原理是什么？6、什么叫視覺暫留效應？思考題1、單片用法的優(yōu)點、缺點是什么？42第五章MCS-51系統(tǒng)擴展技術

★單片機的用法★存儲器的擴展★I/O的擴展第五章MCS-51系統(tǒng)擴展技術★單片機的用法43§5-1單片機的用法（重點）一、單片用法（最小應用系統(tǒng)）

MCS-51單片機內部帶有程序存儲器時,就是一個最簡單的最小應用系統(tǒng),許多實際應用系統(tǒng)就是用這種成本低和體積小的單片結構實現(xiàn)了高性能的控制。該系統(tǒng)的特點如下:

(1)單片機提供了P0、P1、P2、P3四個I/O口，32根I/O線。

(2)內部存儲器的容量有限(有限的內部RAM和程序存儲器）。

§5-1單片機的用法（重點）一、單片用法（最小應用系統(tǒng)）44MCS-51系列單片機典型的單片用法外設MCS-51系列單片機典型的單片用法外設45例:太陽能電池、蓄電池路燈控制系統(tǒng)（第九章1節(jié)）RSTEAP2.7P2.6P2.5P2.4U1

89C55WDP1.3P1.2P2.0P2.1P2.2P2.3P1.4P1.1P1.5P1.0Q1K8U2AXT112MHzU2BU2CU2DK7K6K5K4K3K2K1C2C1C3R15R14VCCR8R10R3R1R2EcEcR4R11VCCR5VCCR12VCCR13VCCR6EcR7R9RSD1X2X1VCCQ2D2VCCS2S1L蓄電池7805VCCEc(12V)+-+-+-+-光電池ABCDE4路電壓比較信號輸入2路開關輸出8路開關輸入例:太陽能電池、蓄電池路燈控制系統(tǒng)（第九章1節(jié)）RSTE46例、<智能儀表>為單片用法（第7章）P2P3P1P0例、<智能儀表>為單片用法（第7章）P2P3P1P047二、單片機的系統(tǒng)用法（三總線結構）當單片機最小系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)功能的要求時,就需要進行擴展。為了使單片機能方便地與各種擴展芯片連接,常將單片機的外部連線變?yōu)橐话愕奈⑿陀嬎銠C三總線結構形式。二、單片機的系統(tǒng)用法（三總線結構）當單片機最48三、單片機系統(tǒng)擴展的內容與方法

1、內容：①外部程序存儲器的擴展②外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展③輸入/輸出接口的擴展④管理功能器件的擴展

(如定時器/計數(shù)器、鍵盤/顯示器、中斷優(yōu)先級編碼器等)。2、基本方法①使用TTL中小規(guī)模集成電路進行擴展。②采用其它一些通用標準芯片來擴展。三、單片機系統(tǒng)擴展的內容與方法1、內容：2、49§5-2存儲器的擴展存儲器擴展的核心問題是存儲器的編址問題。擴展注意的問題：讀寫控制片選控制地址的分配：地址是一個范圍空間§5-2存儲器的擴展存儲器擴展的核心問題是存儲器的編址問題。50單片機擴展存儲器實用電路DBAB程序存儲器8K3數(shù)據(jù)存儲器8K3CB單片機擴展存儲器實用電路DBAB程序數(shù)據(jù)CB51§5-3I/O的擴展

I/O口擴展方法

根據(jù)擴展并行I/O口時數(shù)據(jù)線的連接方式，I/O口擴展可分為：

(1)總線擴展方法擴展的并行I/O芯片掛接到總線上。

(2)串行口擴展方法

MCS-51單片機串行口在方式0（移位寄存器工作方式）工作狀態(tài)下所提供的I/O口擴展功能。§5-3I/O的擴展I/O口擴展方法52一、簡單I/O接口的擴展

對于始終就緒的外設，按照“輸入三態(tài),輸出鎖存”與總線相連的原則,選擇74LS系列的TTL或MOS電路即能組成簡單的I/O擴展接口。DBABCB一、簡單I/O接口的擴展對于始終就緒的外設，按照“53二、串行I/O口的擴展

MCS-51單片機有一個串行口,若在串行口外接1個或多個移位寄存器,則可以擴展多個I/O口。串入并出并入串出多級串入并出二、串行I/O口的擴展MCS-51單片機有一個串54三、利用通用接口芯片的擴展

由于MCS-51單片機具有MCS-80/85CPU的總線標準,因此可以很方便地使用MCS-80/85系列接口芯片如8255A、8155、8253、8279等,其連接方法非常簡單方便。1、擴展8255A三、利用通用接口芯片的擴展由于MCS-51單片機552、DAC0832與MCS-51單片機接口2、DAC0832與MCS-51單片機接口56例：D/A轉換程序，用DAC0832輸出0～5V、脈沖周期為100ms的鋸齒波，電路為單緩方式。DACS：MOV DPTR，#7FFFH ；0832I/O地址 MOV A，#0 ；開始輸出0VDACL：MOVX @DPTR，A ；輸出模擬量 INC A ；升壓 ACALL DELAY ；延時100ms/256 AJMP DACL ；連續(xù)輸出DELAY：… ；延時子程序100ms例：D/A轉換程序，用DAC0832輸出0～5V、脈沖周期573、MCS-51單片機與ADC0809的接口3、MCS-51單片機與ADC0809的接口58四、單片機系統(tǒng)擴展實例（第九章2節(jié)）1、CPU部分四、單片機系統(tǒng)擴展實例（第九章2節(jié)）1、CPU部分592、按鍵部分2、按鍵部分603、流水燈部分3、流水燈部分61單片機應用系統(tǒng)組成第六章單片機應用系統(tǒng)設計單片機應用系統(tǒng)組成第六章單片機應用系統(tǒng)設計62§6.1

MCS-51應用系統(tǒng)組成

前向通道后向通道后向通道人機通道§6.1MCS-51應用系統(tǒng)組成前向通道后向通道后向通道63§6.2

前向通道的組成及其特點前向通道是單片機與測控對象相連的部分，是應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的輸入通道。來自被控對象的現(xiàn)場信息有多種多樣。按物理量的特征可分為模擬量和數(shù)字（或開關量）兩種。§6.2前向通道的組成及其特點前向通64

(1)與現(xiàn)場采集對象相連，是現(xiàn)場干擾進入的主要通道，是整個系統(tǒng)抗干擾設計的重點部位。

(2)輸入信號來自現(xiàn)場，許多信號不能滿足單片機輸入的要求，所以要有形式多樣的信號變換調節(jié)電路。（如測量放大器、I/F變換、A/D轉換、放大、整形電路等）

(3)前向通道是一個模擬、數(shù)字混合電路系統(tǒng)，其電路功耗小，一般沒有功率驅動要求。特點：(1)與現(xiàn)場采集對象相連，是現(xiàn)場干擾進入的主要通道，是65§6.2后向通道的特點

(1)后向通道是應用系統(tǒng)的輸出通道，大多數(shù)需要功率驅動。

(2)靠近伺服驅動現(xiàn)場，故后向通道的隔離對系統(tǒng)的可靠性影響很大。

(3)根據(jù)輸出控制的不同要求，后向通道電路有多種多樣。（如模擬電路、數(shù)字電路、開關電路等，輸出信號形式有電流輸出、電壓輸出、開關量輸出及數(shù)字量輸出等）§6.2后向通道的特點(1)后向通道是應用66§6.3

人機通道的特點人機通道接口一般都是數(shù)字電路，電路結構簡單，可靠性高。通常單片機應用系統(tǒng)中，人機對話通道都是小規(guī)模的。（如微型打印機、功能鍵、LED/LCD顯示器等）§6.3人機通道的特點人機通道接口一般都是67一、

MCS-51單片機與鍵盤的接口P1.0P1.1P1.7+5v

獨立式鍵盤電路

0

1+5v

C0C1R0R1鍵盤I/O接口

矩陣式鍵盤單片機系統(tǒng)中普遍使用非編碼式鍵盤,這類鍵盤主要解決以下幾個問題：①鍵的識別;②如何消除鍵的抖動;③鍵的保護。一、MCS-51單片機與鍵盤的接口P1.0+5v獨立式鍵68①行掃描法行掃描法,就是通過行線發(fā)出低電平信號,如果該行線所連接的鍵沒有按下的話,則列線所連接的輸出端口得到的是全“1”信號;如果有鍵按下的話,則得到的是非全“1”信號。②線反轉法線反轉法也是識別閉合鍵的一種常用方法。該方法比行掃描法速度要快,但在硬件電路上要求行線與列線均需有上拉電阻,故比行掃描法稍復雜些。1、非編碼式鍵盤識別按鍵的方法①行掃描法1、非編碼式鍵盤識別按鍵的方法692、非編碼式鍵盤鍵抖動的消除方法＆I/O接口＆+5v+5v消除抖動電路開關計算機①硬件方法＆I/O接口＆+5v+5v消除抖動電路開關計算機2、非編碼式鍵盤鍵抖動的消除方法＆＆+5v+5v消除抖動電路70②軟件方法鍵穩(wěn)定鍵按下前沿抖動前沿抖動鍵合斷時的電壓抖動延時等待10ms仍有按鍵信號？Y有按鍵信號？NYN鍵盤處理

按鍵釋放？NY軟件消除抖動方法②軟件方法鍵穩(wěn)定鍵按下前沿抖動前沿抖動鍵合斷時的電壓抖動延時71軟件上采取的措施：

在檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一個10ms左右（具體時間應視所使用的按鍵進行調整）的延時程序后，再確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，若仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認該鍵處于閉合狀態(tài)。同理，在檢測到該鍵釋放后，也應采用相同的步驟進行確認，從而可消除抖動的影響。軟件上采取的措施：在檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行72二、MCS-51單片機與LED顯示器1、LED顯示器結構與原理二、MCS-51單片機與LED顯示器1、LED顯示器結構73各段碼位的對應關系如下:

七段顯示代碼

各段碼位的對應關系如下:七段顯示代碼742、靜態(tài)顯示器接口電路

abhCOMafbge

cd

dp

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abhCOM驅動器1驅動器2驅動器nI/O接口優(yōu)點：軟件簡單，占用CPU時間少。缺點：硬件復雜，占用端口地址多（一位LED顯示器占一個地址）。2、靜態(tài)顯示器接口電路abhCOMa75需要6個鎖存器，6個端口地址，但是軟件簡單。例:需要6個鎖存器，6個端口地址，但是軟件簡單。例:需要6個鎖存器，6個端口地址，但是軟件簡單。例:763、動態(tài)顯示器接口電路