AT89S51单片机并行I／O端口的扩展

1 引言
    单片机面向工业控制领域，控制功能强，在工业测控系统、智能仪表、智能通信产品、智能家用电器和智能终端设备等领域得到广泛应用。最常用的80C51系列单片机有4个并行端口(P0，P1，P2，P3端口)，但对稍复杂的应用系统，真正可供用户使用的并行端口只有P1端口，且常因扩展I2C和SPI的器件需占用P1端口，迫使用户不得不扩展并行端口以满足实际需要。
    这里研究80C51系列单片机中的AT89S51并行I／O端口的扩展，采用并行可编程接口器件Intel 8155扩展并行I／O端口，并在扩展的I／O端口上实现数码管动态显示。

2 系统设计
2．1 系统硬件设计
    Intel 8155与AT89S51接口方法(图1)：P0接8155的地址数据线AD0~AD7；单片机的ALE接8155的ALE；8155的CE与单片机的 P2．6相连接；8155的复位线RESET与单片机复位线RESET相连接；8155的RD和WR与AT89S51的RD和WR一一对应相连；IO／M 和P2．7相连。
    为节省I／O端口线，常使用数码管动态显示方式。将所有数码管的a，b，c，d，e，f，g，sp引线并联在一起，由一个8位I／O端口控制，而公共端由另一个I／O端口控制。动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，在某一时刻只选通一位数码--管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管。并送出相应的段码。依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符。虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可给人以同时显示的感觉。 [p]
    Intel 8155的PB0～PB7接3个共阴极数码管的a~dp引脚，PA0～PA2接3个共阴极数码管的com端，B端口送段码．A端口送位选通；共阴极数码管的a~dp引脚分别接上拉电阻以提高数码管显示的亮度。系统硬件电路如图1所示。

2．2 系统软件设计
    系统软件采用汇编语言编写，设计原理为LED数码管动态扫描，8155初始化设置A端口，B端口为输出端口，R5中查表项数为0,R3中为位选通码，采用查表法查出段码，送至8155的B端口，LED数码管位选通码送至A端口，延时，在最左边的数码管上显示0；查表项数加1，位选通左移，查出段码送至8155的B端口，位选通码送至A端口，延时，在中间的数码管上显示1，3个数码管轮流显示循环往复。图2为软件流程。

3 设计及调试
3．1 单片机最小系统
    单片机最小系统是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对于80C51系列单片机，最小系统一般应包括：单片机、晶振电路、复位电路、显示输出等。
3．1．1 最小系统电路的组成
    图3为单片机最小系统电路图，其组成有：
    (1)单片机：1片AT89S51；(2)晶振电路：典型的晶振取12 MHz，C2和C3选用30 μF的电容；(3)复位电路：具有上电复位和手动复位功能的复位电路，由电容串联电阻并在电容上并接复位按键构成，由图3并结合“电容电压不能突变”的性质，可知，当系统上电或复位键按下后，RST引脚均会出现高电平，高电平持续时间由电路的RC值决定。典型的51单片机当RST引脚的高电平持续2个机器周期以上将复位。所以，适当组合RC的取值就可保证可靠复位。设计中C1取10μF，R2取1 kΩ；(4)对于31引脚(EA／Vpp)，当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行；当接低电平时，复位后直接从外部ROM的 0000H开始执行。此设计将程序烧写到AT89S51内部ROM中，因此，31引脚(EA／Vpp)接高电平。(5)为在P1端口实现LED灯显示， P1．7端口上外接发光二极管，发光二极管接3．6 kΩ的上拉电阻。

3．1．2 单片机最小系统的调试
    对单片机最小系统进行测试：将P1．7引脚所接的LED二极管闪烁程序代码烧写到AT89S51单片机片内ROM中，在单片机最小系统电路板上插上单片机，接通电源，若发光二极管闪烁则说明最小系统电路工作正常，反之则需要检查错误。 [p]
3．2 系统电路的调试
3．2．1 调试方法
    在最小系统电路中按照图1完成并行I/O端口扩展的系统硬件电路。编写系统软件程序并在Keil C软件环境下编译、连接、调试程序，修改错误。用ISP编程器将实验程序代码写入AT89S51单片机片内ROM中。在单片机系统硬件电路板上插上单片机，开机运行，若3个数码管依次显示“0”、“1”、“2”，则说明系统工作正常。
3．2．2 调试中出现的问题及原因
    在调试初期，由于未考虑8155复位比单片机复位慢，一开始未加100 ms延时程序，系统运行时出现3位数码管显示均为“8．”。为找出发生此现象的原因，将数码管改由AT89S51单片机P1口送段码，P2口送位选通，将动态显示的程序做相应修改，调试通过后用ISP编程器将代码写入AT89S51单片机片内ROM中，开机运行，3个数码管动态显示“0”、“1”、 “2”。此实验现象说明8155器件工作不正常。按照图1连线，核实连线及端口地址无误后，再次用ISP编程器将实验程序代码写入AT89S51单片机片内ROM中，开机运行，3个数码管显示均为“8．”。此现象说明8155器件工作不正常的原因不是硬件电路的问题。研究8155的特性参数后发现8155 复位比单片机复位慢，在系统初始化时存在时差。在系统复位后应加100 ms的延时，以保证8155完成复位工作。在设计实验程序开始加100 ms延时程序，将实验程序代码写入AT89S51单片机片内ROM中，开机运行，3个数码管动态显示“0”、“1”、“2”，达到设计目标。

4 结论
    通过AT89S51与Intel 8155器件接口实现了并行I/O端口的扩展，实现了3个数码管动态显示。由实验可知，采用8155扩展并行I／O端口方便、实用、成本低、且扩展的FO 端口可编程。由于Intel 8155内部自带256B的SRAM和一个14位的加1计数器，因此在单片机外扩展8155不仅增加了并行I/O端口，同时丰富了SRAM与计数器等资源。值得注意的是8155复位比单片机复位慢，在程序开始应加延时程序，调整系统初始化时，应调整Intel 8155和单片机的复位时差。