一種51單片機(jī)分時(shí)控制片外設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方法

苑香平 唐得志 楊英南

摘 要：從硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)2個(gè)方面論述了51單片機(jī)在外部設(shè)備多樣化且開(kāi)發(fā)板空間有限的情況下，利用I/O控制口，通過(guò)譯碼器芯片進(jìn)行擴(kuò)展，同時(shí)改變編程方式，進(jìn)一步簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的分時(shí)控制。借助該方法可使用較少的I/O口，分時(shí)控制較多的外部設(shè)備，進(jìn)而優(yōu)化開(kāi)發(fā)板的資源布局，提高其空間利用率。

關(guān)鍵詞：51單片機(jī)；多樣化 ；I/O控制 ；譯碼擴(kuò)展 ；分時(shí)控制 ；空間利用率

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-7394（2018）02-0069-04

單片機(jī)是一種把中央處理器（CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及I/O接口電路等集成在一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)有很多種。[1-3]基于51內(nèi)核的單片機(jī)，簡(jiǎn)稱51單片機(jī)。做過(guò)51單片機(jī)相關(guān)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)工作的電子愛(ài)好者都知道，很多情況下需要利用I/O口即通常所說(shuō)的引腳來(lái)產(chǎn)生各種控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備工作。例如，8位LED燈、數(shù)碼管、LCD1602和LCD12864等外部設(shè)備都需要P0口發(fā)送或接收8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息，如果開(kāi)發(fā)板上所有使用8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息的外部設(shè)備都與P0口相連接，那么此時(shí)將無(wú)法確定這些數(shù)據(jù)信息該驅(qū)動(dòng)哪個(gè)外部設(shè)備，若將外部設(shè)備和51單片機(jī)配置在一塊空間有限的開(kāi)發(fā)板上時(shí)，也很難利用較少的I/O口控制多個(gè)外部設(shè)備，這樣就不能有效地提高I/O口的利用率。

給出了一種51單片機(jī)分時(shí)控制外部設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)譯碼器芯片對(duì)I/O口進(jìn)行擴(kuò)展，利用所產(chǎn)生的有效電平信號(hào)使能外部設(shè)備的前置鎖存器片選端，從而確定數(shù)據(jù)信息的流向，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的分時(shí)控制，同時(shí)提高I/O口的利用率，優(yōu)化開(kāi)發(fā)板的資源布局。該方法已通過(guò)實(shí)際應(yīng)用于開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)當(dāng)中，并驗(yàn)證其穩(wěn)定性。

1 I/O控制

51單片機(jī)有4個(gè)8位并行I/O接口，即P0口、P1口、P2口和P3口。P0口為三態(tài)雙向口，每個(gè)口可獨(dú)立控制，內(nèi)部無(wú)上拉電阻，呈高阻態(tài)，不能正常地輸出高/低電平信號(hào)，因此該組I/O口在使用時(shí)務(wù)必要外接上拉電阻，一般接入阻值為10KΩ的排阻即可，同時(shí)該口既可作輸入/輸出口使用，又可作數(shù)據(jù)/地址總線使用，這里將P0口用作數(shù)據(jù)總線口，與外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換。P1口、P2口和P3口相似，以P2口為例介紹。P2口為準(zhǔn)雙向I/O口，每個(gè)口也可以獨(dú)立控制，與P0口不同的是內(nèi)接有上拉電阻，可以正常地輸出高/低電平信號(hào)，同時(shí)該口既可作地址總線口使用，又可作輸入/輸出口使用，這里將P2口用作輸出控制口，向外部設(shè)備發(fā)送控制信號(hào)。

2 外部設(shè)備的多樣化

目前市場(chǎng)上所售的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，種類豐富，板載資源較多，有獨(dú)立按鍵、矩陣鍵盤(pán)、8位LED燈、數(shù)碼管、超聲波測(cè)距、紅外探測(cè)、AD/DA轉(zhuǎn)換、蜂鳴器和繼電器等模塊。[4-6]這些模塊性質(zhì)復(fù)雜，數(shù)量較多，但具有良好的應(yīng)用系統(tǒng)模擬功能，正因?yàn)檫@一點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多樣化外部設(shè)備的分時(shí)控制，合適的開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)方案變得越來(lái)越重要。

3 譯碼器

3.1 譯碼器工作原理

如圖1所示，74138譯碼器芯片為二進(jìn)制譯碼器芯片，即3線—8線譯碼器，該芯片有3個(gè)輸入端A、B、C，3個(gè)附加端G1、G2AN、G2BN和8個(gè)輸出端Y0N—Y7N。由表1可知，當(dāng)G1=1、G2AN+G2BN=0時(shí)，譯碼器處于正常工作狀態(tài)，否則譯碼器被禁止，所有的輸出端均被封鎖在高電平。例如，當(dāng)譯碼器正常工作時(shí)，如果CBA=101，那么此時(shí)Y5N輸出端將輸出有效的低電平信號(hào)，其他情況類推，這樣在每個(gè)輸出端就可得到不同的低電平有效信號(hào)。[7-8]

3.2 譯碼器擴(kuò)展

如圖2所示，第一片74138的G2AN、G2BN附加端和第二片74138的G1附加端相連作為第一個(gè)地址輸入端，同時(shí)令第二片74138的G2AN=G2BN=0，這樣4個(gè)地址輸入端可分別與P2口高四位相連。同理，當(dāng)P2^7～P2^4= 0000～1111時(shí)，S0～S15這16個(gè)輸出端將分別輸出有效的低電平信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)4線—16線擴(kuò)展。

4 外部設(shè)備分時(shí)控制的實(shí)現(xiàn)

如圖3所示，該電路為8位LED燈顯示驅(qū)動(dòng)電路，74573鎖存器作為L(zhǎng)ED燈顯示的驅(qū)動(dòng)芯片，具體連接方式為74573鎖存器芯片的D1～D8輸入端與51單片機(jī)的P0^0～P0^7相連，輸出端直接與LED顯示電路連接，VCC和GND默認(rèn)。上文提到單個(gè)74138譯碼器芯片或者多個(gè)74138譯碼器芯片經(jīng)過(guò)擴(kuò)展均可產(chǎn)生外部設(shè)備所需的控制信號(hào)，這些控制信號(hào)的目的地就是74573鎖存器芯片的LE片選端，例如當(dāng)P2^7～P2^4=1 101時(shí)，第二片74138的Y5N輸出端就會(huì)產(chǎn)生有效的低電平信號(hào)，該控制信號(hào)即圖.3中的S13經(jīng)反相器取反后將作為74573芯片工作的片選信號(hào)。這樣設(shè)計(jì)電路的好處在于只需利用所產(chǎn)生的控制信號(hào)讓某個(gè)外部設(shè)備的鎖存器驅(qū)動(dòng)芯片LE端使能，打開(kāi)鎖存器的大門，P0口數(shù)據(jù)隨之就會(huì)通過(guò)74573鎖存器芯片進(jìn)入外部設(shè)備，該外部設(shè)備就能夠正常工作。

在這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，與該例子相似，其他的外部設(shè)備也需要前置74573鎖存器驅(qū)動(dòng)芯片，這樣譯碼器芯片所產(chǎn)生的有效控制信號(hào)就可作為打開(kāi)某個(gè)外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)大門的鑰匙，之后P0口發(fā)送的8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息就能有方向、有目的地通過(guò)鎖存器芯片進(jìn)入某個(gè)外部設(shè)備，從而使該外部設(shè)備正常工作，繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)眾多外部設(shè)備的分時(shí)控制。當(dāng)然，此時(shí)外部設(shè)備之間就不會(huì)產(chǎn)生8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息究竟該流向誰(shuí)的沖突。

5 開(kāi)發(fā)板空間利用率的提高

隨著信息電子技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)開(kāi)發(fā)板資源布局方案的好壞直接影響著電子生產(chǎn)廠家的經(jīng)濟(jì)效益，所以開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)是否合適的問(wèn)題受到越來(lái)越多生產(chǎn)廠家的重視。這一設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)﹂_(kāi)發(fā)板上的設(shè)備進(jìn)行合理布局，有效地利用開(kāi)發(fā)板的空間，從而提高開(kāi)發(fā)板的空間利用率，使得板載資源更加豐富成為一種可能。更重要的是，與之前老套的設(shè)計(jì)方案相比，這樣設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)板能夠大大降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，助力開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。

下面運(yùn)用硬件設(shè)計(jì)方案，從軟件程序設(shè)計(jì)的角度，給出51單片機(jī)分時(shí)控制外部設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方法（以8位LED燈和8位數(shù)碼管顯示為例）。

“

#define uchar unsigned char //數(shù)據(jù)類型宏定義

#define uint unsigned int

/******************************延時(shí)模塊******************************/

void delayxms（uint time）

{

uint i，j；

for（i=time；i>0；i--）

for（j=0；j<110；j++）；

}

/********************************************************************/

/************************共陽(yáng)極LED燈閃爍模塊************************/

void led（void）

{

P2 = （（P2&0x0f）|0xd0）； //LED驅(qū)動(dòng)芯片使能

P0 = 0xff； //熄滅全部的LED燈

P2 &= 0x0f； //關(guān)閉LED驅(qū)動(dòng)芯片

delayxms（1000）； //延時(shí)1s

P2 = （（P2&0x0f）|0xd0）； //LED驅(qū)動(dòng)芯片使能

P0 = 0x00； //打開(kāi)全部的LED燈

P2 &= 0x0f； //關(guān)閉LED驅(qū)動(dòng)芯片

delayxms（1000）； //延時(shí)1s

}

/********************************************************************/

/*********************共陽(yáng)極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示模塊*******************/

uchar smg[]={0xc0，0xf9，0xa4，0xb0，0x99，0x92，0x82，0xf8}；//斷碼0—7

void smgx（void）

{

uint i；

for（i=0；i<8；i++）

{

P2 = （（P2&0x0f）|0x70）； //數(shù)碼管位選驅(qū)動(dòng)芯片使能

P0 = （1<

P2 &= 0x0f； //關(guān)閉斷數(shù)碼管位選驅(qū)動(dòng)芯片

P2 = （（P2&0x0f）|0xb0）； //數(shù)碼管段選驅(qū)動(dòng)芯片使能

P0 = smg[i]； //數(shù)碼管動(dòng)態(tài)斷碼顯示

P2 &= 0x0f； //關(guān)閉數(shù)碼管斷選驅(qū)動(dòng)芯片

delayxms（10）； //數(shù)碼管顯示穩(wěn)定

}

}

/********************************************************************/

”

6 結(jié)語(yǔ)

利用51單片機(jī)的I/O擴(kuò)展電路，通過(guò)對(duì)P2口高四位進(jìn)行編程處理，輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)外部設(shè)備的分時(shí)控制，不僅優(yōu)化了板載資源的布局，也進(jìn)一步提高了I/O口的利用率。此方法已實(shí)際應(yīng)用于2017年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽安徽工業(yè)大學(xué)省級(jí)選拔賽的電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，經(jīng)驗(yàn)證其工作穩(wěn)定，這里特別感謝為該設(shè)計(jì)方案做出突出貢獻(xiàn)的競(jìng)賽組成員。相信隨著信息電子技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，這種性能可靠的開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)方案會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2005：174-178.

[2] 皮大能.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2017.

[3] 郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程：入門、提高、開(kāi)發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4] 張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5] 付家才.單片機(jī)控制工程實(shí)踐技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[6] 沙占有.單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[7] 王建校.C51系列單片機(jī)及C51程序設(shè)計(jì)[M].成都：巴蜀書(shū)社，2002.

[8] 宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊(cè)[EB/OL].（2012-02-24）[2018-03-05]https：//wenku.baidu.com/view/50ec898c6529647d272852e8.html.

An Implementation Method of Off Chip Device for 51 MCU Time Sharing Control

YUAN Xiang-ping， TANG De-zhi， YANG Ying-nan

（School of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Technology， Ma'anshan 243000， China）

Abstract： This paper， from the hardware design and software design， discussed that under the circumstances of diversified external devices and limited development board space， through I/O ports， 51 single chip microcomputer can extend through the decoder chip， change the programming way， further simplify the program design， so as to realize the time-sharing control of external devices. With the help of this method， we can use less I/O port and control more external equipment in time， and then optimize the resource layout of the development board and improve the utilization ratio of space.

Key words： 51 single chip microcomputer； I/O control； decoding extension； time sharing control； space utilization ratio；diversification

責(zé)任編輯 張志釗