单片机IO扩展芯片
单片机数字输入输出接口扩展设计方法
单片机数字输入输出接口扩展设计方法单片机作为一种常见的微控制器，其数字输入输出接口的扩展设计方法是我们在电子工程领域中经常遇到的任务之一。
在本文中，我们将讨论单片机数字输入输出接口的扩展设计方法，并探讨其中的原理和应用。
在单片机系统中，数字输入输出（I/O）接口在连接外围设备时起着至关重要的作用。
通过扩展数字 I/O 接口可以为单片机系统提供更多的输入输出通道，从而提高系统的功能和性能。
下面将介绍几种常见的单片机数字 I/O 接口扩展设计方法。
1. 并行输入输出接口扩展并行输入输出接口扩展是最常见和直接的扩展方法之一。
通常，单片机的内部I/O口数量有限，无法满足一些复杂的应用需求。
通过使用外部并行输入输出扩展芯片，可以将单片机的I/O口扩展到更多的通道，同时保持高速数据传输。
这种方法可以使用注册器和开关阵列来实现数据的输入和输出。
2. 串行输入输出接口扩展串行输入输出接口扩展是一种节省外部引脚数量的方法。
使用串行输入输出扩展器，可以通过仅使用几个引脚实现多个输入输出通道。
这种方法适用于具有较多外设设备且外围设备数量有限的应用场景。
通过串行接口（如SPI或I2C）与扩展器通信，可以实现高效的数据传输和控制。
3. 矩阵键盘扩展矩阵键盘扩展是一种常见的数字输入接口扩展方法。
很多应用中，需要通过键盘输入数据或控制系统。
通过矩阵键盘的使用，可以大大减少所需的引脚数量。
通过编程方法可以实现键盘按键的扫描和解码，从而获取用户输入的数据或控制信号。
4. 脉冲编码调制（PCM）接口扩展脉冲编码调制是一种常见的数字输出接口扩展方法。
它通过对数字信号进行脉冲编码，将数字信号转换为脉冲信号输出。
这种方法适用于需要输出多个连续的数字信号的应用，如驱动器或步进电机控制。
通过适当的电路设计和编程，可以实现高效的数字信号输出。
5. PWM（脉冲宽度调制）接口扩展PWM接口扩展是一种常用的数字输出接口扩展方法。
PWM技术通过改变信号的脉冲宽度来实现模拟信号输出。
单片机io口扩展技术详解
单片机io口扩展技术详解
单片机如何扩展IO口？
首先我们先讲讲为什幺要扩展IO口。
在我们使用51单片机的时候，有时候会出现IO口不够用的情况。
比如键盘！这个时候IO口的资源就十分有限了。
按键是我们常用的器件，做某些东西的时候又不能缺少按键。
如果一个按键对应一个IO口，那幺可想而知，按键所占的IO口的数量是很大的。
单片机IO口的资源是有限的，因此我们要采取一些方法来扩展单片机的IO 口，控制按键所占的单片机IO口。
下面有几种方法可以扩展单片机的IO口：
1. 通过数据缓存器、锁存器来扩展单片机IO口。
这里采用74HC164来扩展单片机IO口。
使用74系列芯片IO扩展及总线驱动
使用74系列芯片作为I/O并行扩展的方法以及总线驱动芯片的使用方法使用74系列芯片作为I/O并行扩展的常见于过去单片机I/O口不够的情况，而且是需要大量的内存和程序存储器严重不足的情况下。
开关量输出的扩展经常使用的芯片是74LS273/74LS373/74LS573/74LS574等；这些芯片的共同特点是具有数据锁存的功能；开关量输入的扩展经常使用的芯片是74LS244/74LS245/74LS240等；这些芯片的特点是三态门，可以把多个芯片的输出，并联在一起而不会互相影响；通过138、139、153等译码选通芯片，把RD/WR/地址的高位信号（高3位或者高4位，看单片机系统中的芯片的数量）接到译码芯片，把译码芯片的输出接到锁存器的锁存输入，或者缓冲器的选通输入。
下面以74LS138为例。
要特别注意到，对245、574、273等使用TTL芯片以RAM方式做I/O扩展的，跟8255、8155、8253、8251、62256等系列芯片不一样的地方，就是：1）8255、8155、8253、8251、62256等芯片本身有wr、rd、ce等信号，所以138的地址译码输出，可以直接接到CE；但是，245、574、273等芯片，没有wr或者rd信号，因此，如果系统中有这样的芯片扩展，就需要把wr或者rd加入到138中；2）对于245或者244，要把数据读到数据总线上，芯片的数据的使能端必须是WR和地址译码数据的混和；3）对于要把数据总线上的数据，锁存到574或者273的数据输出端口上，必须锁存器的LE，是地址和wr的混和；因此，138的接法是：1、A15－》138的A2（3）2、A14－》138的A1（2）3、A13－》138的A0（1）4、RD和WR接74LS00，00的输出接138的E3(6)5、138的输出接245的E或者574的CLK；这样，使用MOVX a，@dptr的时候，才能在245的E上出现带地址的RD信号；使用MOVX@dptr,A的时候，才能在574的CLK上出现带地址的WR信号；参见574的真值表，可见，E应该接低电平；373、573与273、574有所区别：1、573是从低－》高－》低，在从高－》低的瞬间，锁存数据；但是，在高电平的时候，数据是直通的，所以也可以使用这个特性做缓冲器，把LE直接接高电平；OE是三态门，直接接地；2、但是138的输出是，当地址的输入有效的时候，是低电平，其它时间是高电平，所以在时序上跟573是不配合的，因此，573不能作为数据锁存器，除非138的输出加一个反向门接到LE；而574是上升沿锁存数据，138的输出直接作为锁存脉冲即可；如果系统中没有8255、8155、8253、8251、62256这样的芯片，也可以使用139，RD和wr 分别接入一个2-4译码器，译码器的输出分别接到245的E和574的LE，这样可以省去一个74LS00。
74HC595芯片对单片机IO口的扩展原理与应用
2020年第4期信息与电脑China Computer & Communication软件开发与应用74HC595芯片对单片机IO 口的扩展原理与应用杨恒敏（江苏联合职业技术学院扬州分院，江苏 扬州 225003）摘 要：单片机在使用过程中存在IO 端口有限的性能缺陷，笔者针对利用74HC595芯片扩展单片机IO 口的基本原理进行了详细分析，围绕流水灯效果、电子游戏扑克机、16×32LED 点阵显示器3个层面，探讨了单片机IO 口扩展的具体设计方案与实现路径，以期为顺利解决单片机IO 口紧缺问题提供借鉴。
关键词：74HC595芯片；单片机；IO 口扩展中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1003-9767（2020）04-120-03Expanding Principle and Application of 74HC595 Chip to IO Port of SingleChip MicrocomputerYang Hengmin(Yangzhou Branch of Jiangsu Union Technical Institute, Yangzhou Jiangsu 225003, China)Abstract: There are limited performance defects of IO ports in the use of single-chip microcomputers. This article analyzesthe basic principles of using 74HC595 chip to expand the single-chip IO ports. At the level, the specific design scheme and implementation path of the expansion of the IO port of the single-chip microcomputer are discussed, in order to provide a reference for the smooth solution of the shortage of the IO port of the single-chip microcomputer.Key words: 74HC595 chip; single chip microcomputer; IO port expansion0 引言当前在使用单片机的过程中常面临IO 端口紧缺的问题，74HC595芯片作为一种通用位移缓存器，可实现8位串行输入/输出或并行输出，其电路连接方式与代码编程较为简单、驱动能力较强，并且凭借存储寄存器可保障在移位过程中并排输出端口数据不变，易于实现对单片机IO 口的扩展，具备良好的应用价值。
单片机的IO扩展
8.3 用51单片机的串行口扩展并行口
串口的方式0用于I/O扩展。方式0为同步移位寄存器工作方
式，波特率为fosc/12。数据由RXD端（P3.0）输入，同步移
位时钟由TXD端（P3.1）输出。
1. 用74LS165扩展并行输入口
如图8-13，用51单片机的串口扩展两个8位并行输入口。
• 74LS165是8位并行输入串行输出的寄存器。当74LS165的S/L#端由高到低 跳变，并行输入端的数据被置入寄存器；
MOVX @DPTR，A
；WR#为低，数据经74LS273口输出
第26页/共97页
【例8-1】 程序编写程序把按钮开关状态通过图8-12的发光二
极管显示出来。
程序如下：
DDIS： MOV DPTR，#0FEFFH ；输入口地址→DPTR
LP： MOVX A，@DPTR
；按钮开关状态读入A中
MOVX @DPTR，A
关状态。 • 当某条输入口线的按钮开关按下时，该输入口线为低电平，读入单片机后
，其相应位为“0”，然后再将口线的状态经74LS273输出，某位低电平时 二极管发光，从而显示出按下的按钮开关的位置。
第24页/共97页
【例8-1】 分析 该电路的工作原理如下
• 当P2.0=0，RD#=0（WR#=1）时，选中74LS244芯片，此时若无按钮开关按 下，输入全为高电平。当某开关按下时则对应位输入为“0”，74LS244的 输入端不全为“1”，其输入状态通过P0口数据线被读入AT89S51片内。
8.1 单片机的系统扩展概述
1. 系统扩展的含义
在单片机芯片外加相应的芯片、电路，使得有关功能得以扩 充，称为系统扩展。
系统扩展包括：外部存储器扩展，I/O接口扩展，总线扩展 等
IO接口的扩展
6.4 I/O接口的扩展MCS-51系列单片机共有四个8位并行I/O口。
由于国内普遍采用内部无ROM型单片机，因而P0口和P2口主要用于地址和数据总线，P3口大部分用作第二变异功能（控制信号），真正提供给用户使用的只有P1口及P2口和P3口的某些位。
所以，在许多场合就感到满足不了要求。
而单片机在结构上为外部扩展并行I/O口提供了方便。
实际应用中，I/O口扩展总是为了实现某一测控及管理功能而进行的，如联结键盘、显示器、驱动开关控制、开关量监测等。
按MCS-51的结构，扩展的I/O口采取与外部RAM统一编址，即两者合用64K地址空间。
因此，CPU可以像访问外部RAM那样访问外部I/O口，对I/O口进行输入/输出操作。
I/O口扩展用芯片主要有通用可编程I/O芯片和TTL、CMOS锁存器、缓冲器电路芯片两大类。
通用可编程I/O扩展芯片有Intel公司的8155，8255，8243，8279等。
I/O口扩展用74LSTTL芯片有：74LS373，377，244，273，367等。
另外还可以利用MCS-51单片机的串行口来扩展较多数量的并行输入或输出口。
这种扩展方法所用的移位寄存器芯片有扩展输出口的74LS164和扩展输入口的74LS165。
实际应用中，要根据芯片的特点及输入、输出量的特征选择芯片。
一、简单的I/O接口扩展在单片机应用系统中，经常采用TTL电路或CMOS电路锁存器、三态门电路作为I/O 口扩展芯片。
这种I/O口一般都是通过P0口扩展，不占用单片机的I/O口资源，只需一根地址线作片选线用。
这种方法具有电路简单、成本低、配置灵活方便等特点。
图6-14是采用74LS244作扩展输入，74LS273作扩展输出的简单I/O接口扩展电路。
图6-14 简单I/O接口扩展电路图中P0口为双向数据总线，既能从74LS244输入数据，又能将数据送给74LS273输出。
输入控制信号由P2.7和RD相或而成，当二者同时输出为0电平时，或门输出为0，选通74LS244，使外部信息进入到总线。
单片机中的IO口扩展技术原理及应用案例
单片机中的IO口扩展技术原理及应用案例一、引言单片机是现代电子技术中常用的核心控制器件之一，其功能强大、使用广泛。
然而，单片机的IO口数量通常有限，难以满足复杂系统的扩展需求。
为了解决这一问题，IO口扩展技术应运而生。
本文将介绍单片机中的IO口扩展技术的原理及应用案例，旨在帮助读者更好地理解和应用该技术。
二、原理介绍单片机中的IO口是用于输入和输出数字信号的接口，通常包括输入输出引脚和控制电路。
然而，随着系统需求的增多，单片机的IO口数量往往无法满足实际应用的需求。
为了扩展IO口数量，可采用以下两种原理：1. 级联扩展级联扩展是通过将多个IO口连接在一起，共享控制信号来实现扩展。
其中，一个IO口作为主控制信号输出，控制其他IO口的输入输出。
通过这种方式，可以将多个IO口级联，实现IO口数量的扩展。
2. IO口扩展芯片IO口扩展芯片是一种专门设计的集成电路，用于扩展单片机的IO口数量。
通过与单片机进行通信，扩展芯片可以提供额外的IO口，大大增加了系统的可扩展性。
常用的IO口扩展芯片有74HC595、MCP23017等，它们具有多个IO口、控制电路和通信接口，可方便地与单片机进行连接。
三、应用案例为了更好地理解IO口扩展技术的应用，下面将介绍两个具体的案例。
1. LED灯控制系统假设我们需要控制大量LED灯，而单片机的IO口数量有限。
这时，我们可以使用74HC595芯片进行IO口扩展。
首先，将单片机与74HC595芯片进行连接，通过SPI或者I2C协议进行通信。
然后，通过写入数据到74HC595的寄存器，实现对每个IO口的控制。
通过级联多个74HC595芯片，可以将LED灯的数量扩展到数十甚至上百个。
应用案例中，我们可以设置不同的数据来控制不同的LED灯状态，实现灯光的闪烁、流水等效果。
通过IO口扩展技术，实现了对大量LED灯的控制，提升了系统的可扩展性和灵活性。
2. 外部设备接口扩展在一些工业自动化系统中，需要与多个外部设备进行通信，如传感器、执行器等。
第一章 单片机IO接口的扩展---8255
单片机对外设的控制方式
（1）程序查询方式
这种方式下，CPU通过I/O指令询问指定 外设当前的状态，如果外设准备就绪，则进行 数据的输入或输出，否则CPU等待，循环查询。
这种方式的优点是结构简单，只需要少 量的硬件电路即可，缺点是由于CPU的速度远 远高于外设，因此通常处于等待状态，工作效 率很低
（2）中断处理方式
（1）设置数据的寄存、缓冲逻辑，以适应CPU与外设之间的速度差异，接口通常由 一些寄存器或RAM芯片组成，如果芯片足够大还可以实现批量数据的传输； （2）能够进行信息格式的转换，例如串行和并行的转换； （3）能够协调CPU和外设两者在信息的类型和电平的差异，如电平转换驱动器、数 ／模或模／数转换器等； （4）协调时序差异； （5）地址译码和设备选择功能； （6）设置中断和DMA控制逻辑，以保证在中断和DMA允许的情况下产生中断和 DMA请求信号，并在接受到中断和DMA应答之后完成中断处理和DMA传输。 接口的控制方式
WR ：写信号,低电平有效。当 WR 有效时,CPU
可以往8255A中写入控制字或数据。 A1、A0：端口选择信号。8255A内部有3 个数据端口和1个控制端口,当A1A0=00时选 中端口A;A1A0=01时选中端口B;A1A0=10 时选中端口C;A1A0=11时选中控制口。 A1、A0和 RD 、 WR 及 CS 组合所实 现的各种功能如表所示。
方式1下的输出时序
3. 方式2(双向模式)
8255A只有A口具有这种双向输入输 出工作方式,实际上是在方式1下A口输入 输出的结合。在这种方式下,A口为8位双 向传输口,C口的PC7~PC3用来作为输入 /输出的同步控制信号。 在这种情况下,B口和PC2~PC0只能 编程为方式0或方式1工作,而C口剩下的 3条线可作为输入或输出线使用或用作B 口方式1之下的控制线。
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AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7
8 9 10 7 11
CE RD WR IO/ M ALE
8155
6
TMR OUT
3
TMR IN
4
R ESET
PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7
21 22 23 24 25 26 27 28
PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7
MOVX @DPTR，A；从ACC 向74LS244的端口写数据
一、可编程芯片8155的扩展
• 8155是一个具有RAM、I/O和计数器的通用可编程 接口电路。其具有的资源为：
➢ 256B的静态RAM； ➢ 两个可编程的8位并行I/O口PA和PB； ➢ 一个可编程的6位并行I/O口PC； ➢ 一个可编程14位减计数器TC； ➢ 8位地址锁存器。
39 38 37 36 35 34 33 32
R ESET
INT0 INT1 T0 T1
P1. 0
P2. 0
P2. 1
MCS-51
P2. 2 P2. 3
P2. 4
P2. 5
P2. 6
P2. 7
21 22 23 24 25 26 27 28
P1. 1 P1. 2 P1. 3 P1. 4 P1. 5 P1. 6 P1. 7
VCC
15 14
T1 T0
89C51
31
EA/VP
+ 1 0u
19 18
X1 X2
P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27
21 22 23 24 25 26 27 28
9
R ESET
1 0K
17 16
RD WR
RXD TXD ALE/ P PSEN
10 11 30 29
U?
12 13 14 15 16 17 18 19
9
7 8 13
2D 3D 4D
4Q 5Q 6Q
12 15 16
12 13 14 15
14
5D 6D
7Q 8Q
19
1 2 3
17 18
7D
4 5 6
8D
7
8
7 4LS 2 73
74LS273引脚封装图
EA/VP X1
X2
P0. 0 P0. 1 P0. 2 P0. 3 P0. 4 P0. 5 P0. 6 P0. 7
• 选通I/O方式：由PC口的低三位作联络线使用，其余位作 I/O线；输入联络线可以起选通数据锁存作用；中断时有中 断请求信号产生；各个联络线为：
➢ INTRA：中断请求输出标志。 ➢ BFA：PA口缓冲器/空输出信号。 ➢ STBA：数据选通输入信号。
4. 8155的定时器/计数器
• 8155片内的定时器/计数器是一个14位的减计数器。计数 器分为高6位和低8位寄存器，它的计数初值有程序预置。 它的格式为： 高字节寄存器（M2和M1是工作方式码）
7 4LS3 2
MCS-51与74LS273的接口电路图
•74LS273是一种8D触发器器。当它的控制端信号有效且触 发端信号有效时，输入D1-D8端的数据被锁存到8D触发器中 并形成输出Q1-Q8。 ❖在上图的电路中，P2.7与WR相或后作为74LS273的锁存 信号，单片机的P0口与74LS273的8位输出端相连，所以 74LS273的地址为：7FFFH。 ❖当单片机从74LS244输出数据是应该为： MOV DPTR，#7FFFH ；将74LS244的口地址送入DPTR
➢ 简单I/O接口芯片的扩展 ➢ 可编程I/O接口电路的扩展
4.3.1简单I/O接口芯片的扩展
▪ 简单的I/O口扩展通常是采用TTL或CMOS电路锁存器、三
态门等作为扩展芯片（74LS244、74LS245、74LS273、 74LS373、74LS377等），通过P0口来实现扩展的一种 方案。它具有电路简单、成本低、配置灵活的特点。
2. 8155的RAM和I/O口地址编码
• 8155当IO/M为0时，单片机对8155的RAM进行操作，共 256B，低八位的地址为：00H—0FFH。
• 8155当IO/M为1时，单片机对8155的I/O口进行操作。 8155内部寄存器地址分配表
低八位地址 xxxxx000B xxxxx001B xxxxx010B xxxxx011B xxxxx100B xxxxx101B
29 30 31 32 33 34 35 36
PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5
37 38 39 1 2 5
PA 口
PB 口
PC 口
GND
MCS-51单片机与8155的接口
8155的命令字格式
TM2 TM1 IEB IEA PC2 PC1 PB PA
A口方式 0:输入 B口方式 1:输出
18 16 14 12
19 11 13 15 17
2G B1 B2 B3 B4
2 Y1 2 Y2 2 Y3 2 Y4
9 7 5 3
7 4LS2 44
74LS244引脚封装图
31
19
18
9
12 13 14 15
1 2 3 4 5 6 7 8
EA/VP
X1
X2
R ESET
INT0 INT1 T0 T1
P1. 0 P1. 1 P1. 2 P1. 3 P1. 4 P1. 5 P1. 6 P1. 7
➢ RESET：复位线，通常与单片机的复位端相连。 ➢ ALE：地址锁存线，高电平有效。 ➢ IO/M：RAM或I/O口的选择线。当为0时，选中8155的256 B
RAM；当为1时，选中8155片内3个I/O端口以及命令/状态寄 存器和定时/计数器。
➢ RD和WR：读/写线，控制8155的读、写操作。 ➢ TMRIN（TI）：定时/计数器的脉冲输入端。 ➢ TMROUT（TO）：定时/计数器的输出信号端。 ➢ VCC：电源端。 ➢ GND：接地端。
A口中断请求标志：0:无; 1:有 A口缓冲器： 0:空;1:满 A口中断允许：0:禁止; 1:允许 B口中断请求标志：0:无; 1:有 B口缓冲器：0:空; 1:满 B口中断允许：0:禁止; 1:允许
定时器中断标志: 1:有定时器溢出中断 0:读状态字后或硬件复位后
8155的I/O的工作方式
• 基本I/O方式：联络线由程序指定，对计数器输入输出不起 控制作用，没有中断能力，输出联络线由软件程序来控制 。
➢ 8255的状态字 状态字的内容包含8155的I/O口的工作状态标志。
1 2 3 4 5 6 7 8
P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17
P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07
39 38 37 36 35 34 33 32
13 12
INT1 INT0
M2 M1 T13 T12 T11 T10 T9 T8
低字节寄存器（T0—T13为计数器的初值）
T7 T6 T5 T4 T3 T2 T1 T0
8155定时器/计数器四种操作方式和输出波形
M2 M1
方
式
波
形
00 01 10 11
单次方波 连续方波 单个脉冲 连续脉冲
5. 8155的应用
1)8155RAM的使用 例题：假定在MCS-51单片机的内部RAM中，从30H开始 存放一组数据，字节数为50，要求将该组数据存入8155 RAM中，起始地址为7E00H。
RD WR PSEN ALE/ P TXD RXD
17 16 29 30 11 10
1 11
3 4 7 8 13 14 17 18
CLR CLK
1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D
1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q
2 5 6 9 12 15 16 19
7 4F2 7 3
A 1
3 2
P0. 0 P0. 1 P0. 2 P0. 3 P0. 4 P0. 5 P0. 6 P0. 7
P2. 0
P2. 1
MCS-51
P2. 2 P2. 3
P2. 4
P2. 5
P2. 6
P2. 7
RD WR PSEN ALE/ P TXD RXD
39 38 37 36 35 34 33 32
21 22 23 24 25 26 27 28
4.3 输入/输出接口扩展
• MCS-51系列单片机内部有4个双向的8位并行I/O端 口：P0、P1、P2和P3口。
• 在实际的应用系统中，P0口分时地作为低8位地址 线和数据线，P2口作为高8位地址线。这时，P0口 和部分或全部的P2口无法再作通用I/O口。
• P3口的一些口线首先要满足第二功能的要求。这 时就需要进行单片机I/O口的扩展。 常用的I/O扩展有以下两种形式：
程序为：
……………….. RAMWR:MOV R0,#30H
思考：如果要把
MOV MOV
DPTR,#7E00H R2,#50
8155 RAM中， 从地址为7E00H
RAMW:MOV A,@R0
开始的50个数据
00
方式1:A、B口基本I/O；C口输入
11
方式2:A、B口基本I/O；C口输出
01
方式3:A口选通I/O；B口基本I/O
10
方式4:A、B口选通I/O
A口 0:禁止中断
B口 1:允许中断
计数器 方式
00:空操作 01:停止计数 10:计满后停止 11:开始计数
8155的状态字格式
-- TIMER INTEB BFB INTRB INTEA BFA INTRA