AT89S51單片機并行I/O端口的擴展

　1 引言

　　單片機面向工業控制領域，控制功能強，在工業測控系統、智能儀表、智能通信產品、智能家用電器和智能終端設備等領域得到廣泛應用。最常用的80C51系列單片機有4個并行端口(P0，P1，P2，P3端口)，但對稍復雜的應用系統，真正可供用戶使用的并行端口只有P1端口，且常因擴展I2C和SPI的器件需占用P1端口，迫使用戶不得不擴展并行端口以滿足實際需要。

　　這里研究80C51系列單片機中的AT89S51并行I／O端口的擴展，采用并行可編程接口器件Intel 8155擴展并行I／O端口，并在擴展的I／O端口上實現數碼管動態顯示。

　　2 系統設計

　　2．1 系統硬件設計

　　Intel 8155與AT89S51接口方法(圖1)：P0接8155的地址數據線AD0~AD7；單片機的ALE接8155的ALE；8155的CE與單片機的 P2．6相連接；8155的復位線RESET與單片機復位線RESET相連接；8155的RD和WR與AT89S51的RD和WR一一對應相連；IO／M 和P2．7相連。

　　為節省I／O端口線，常使用數碼管動態顯示方式。將所有數碼管的a，b，c，d，e，f，g，sp引線并聯在一起，由一個8位I／O端口控制，而公共端由另一個I／O端口控制。動態方式顯示時，各數碼管分時輪流選通，在某一時刻只選通一位數碼--管，并送出相應的段碼，在另一時刻選通另一位數碼管。并送出相應的段碼。依此規律循環，即可使各位數碼管顯示將要顯示的字符。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，只要每位顯示間隔足夠短就可給人以同時顯示的感覺。

　　Intel 8155的PB0～PB7接3個共陰極數碼管的a~dp引腳，PA0～PA2接3個共陰極數碼管的com端，B端口送段碼．A端口送位選通；共陰極數碼管的a~dp引腳分別接上拉電阻以提高數碼管顯示的亮度。系統硬件電路如圖1所示。

　　2．2 系統軟件設計

　　系統軟件采用匯編語言編寫，設計原理為LED數碼管動態掃描，8155初始化設置A端口，B端口為輸出端口，R5中查表項數為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數碼管位選通碼送至A端口，延時，在最左邊的數碼管上顯示0；查表項數加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，在中間的數碼管上顯示1，3個數碼管輪流顯示循環往復。圖2為軟件流程。

　　3 設計及調試

　　3．1 單片機最小系統

　　單片機最小系統是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統。對于80C51系列單片機，最小系統一般應包括：單片機、晶振電路、復位電路、顯示輸出等。

　　3．1．1 最小系統電路的組成

　　圖3為單片機最小系統電路圖，其組成有：

　　(1)單片機：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)復位電路：具有上電復位和手動復位功能的復位電路，由電容串聯電阻并在電容上并接復位按鍵構成，由圖3并結合“電容電壓不能突變”的性質，可知，當系統上電或復位鍵按下后，RST引腳均會出現高電平，高電平持續時間由電路的RC值決定。典型的51單片機當RST引腳的高電平持續2個機器周期以上將復位。所以，適當組合RC的取值就可保證可靠復位。設計中C1取10μF，R2取1 kΩ；(4)對于31引腳(EA／Vpp)，當接高電平時，單片機在復位后從內部ROM的0000H開始執行；當接低電平時，復位后直接從外部ROM的 0000H開始執行。此設計將程序燒寫到AT89S51內部ROM中，因此，31引腳(EA／Vpp)接高電平。(5)為在P1端口實現LED燈顯示， P1．7端口上外接發光二極管，發光二極管接3．6 kΩ的上拉電阻。

　　3．1．2 單片機最小系統的調試

　　對單片機最小系統進行測試：將P1．7引腳所接的LED二極管閃爍程序代碼燒寫到AT89S51單片機片內ROM中，在單片機最小系統電路板上插上單片機，接通電源，若發光二極管閃爍則說明最小系統電路工作正常，反之則需要檢查錯誤。

　　3．2 系統電路的調試

　　3．2．1 調試方法

　　在最小系統電路中按照圖1完成并行I/O端口擴展的系統硬件電路。編寫系統軟件程序并在Keil C軟件環境下編譯、連接、調試程序，修改錯誤。用ISP編程器將實驗程序代碼寫入AT89S51單片機片內ROM中。在單片機系統硬件電路板上插上單片機，開機運行，若3個數碼管依次顯示“0”、“1”、“2”，則說明系統工作正常。

　　3．2．2 調試中出現的問題及原因

　　在調試初期，由于未考慮8155復位比單片機復位慢，一開始未加100 ms延時程序，系統運行時出現3位數碼管顯示均為“8．”。為找出發生此現象的原因，將數碼管改由AT89S51單片機P1口送段碼，P2口送位選通，將動態顯示的程序做相應修改，調試通過后用ISP編程器將代碼寫入AT89S51單片機片內ROM中，開機運行，3個數碼管動態顯示“0”、“1”、 “2”。此實驗現象說明8155器件工作不正常。按照圖1連線，核實連線及端口地址無誤后，再次用ISP編程器將實驗程序代碼寫入AT89S51單片機片內ROM中，開機運行，3個數碼管顯示均為“8．”。此現象說明8155器件工作不正常的原因不是硬件電路的問題。研究8155的特性參數后發現8155 復位比單片機復位慢，在系統初始化時存在時差。在系統復位后應加100 ms的延時，以保證8155完成復位工作。在設計實驗程序開始加100 ms延時程序，將實驗程序代碼寫入AT89S51單片機片內ROM中，開機運行，3個數碼管動態顯示“0”、“1”、“2”，達到設計目標。

　　4 結論

　　通過AT89S51與Intel 8155器件接口實現了并行I/O端口的擴展，實現了3個數碼管動態顯示。由實驗可知，采用8155擴展并行I／O端口方便、實用、成本低、且擴展的FO 端口可編程。由于Intel 8155內部自帶256B的SRAM和一個14位的加1計數器，因此在單片機外擴展8155不僅增加了并行I/O端口，同時豐富了SRAM與計數器等資源。值得注意的是8155復位比單片機復位慢，在程序開始應加延時程序，調整系統初始化時，應調整Intel 8155和單片機的復位時差。