CD4052 单片机串行口扩展技术应用

1 前言1.1 设计的背景及意义目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电阻，电容，电感的大小。

因此，设计可靠，安全，便捷的电阻，电容，电感测试仪具有极大的现实必要性。

通常情况下，电路参数的数字化测量是把被测参数传换成直流电压或频率后进行测量。

电阻测量依据产生恒流源的方法分为电位降法、比例运算器法和积分运算器法。

比例运算器法测量误差稍大，积分运算器法适用于高电阻的测量。

传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。

前者电路简单，速度快，但精度低；后者测量精度高，但速度慢。

随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精度上有很大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法和比较法。

电感测量可依据交流电桥法，这种测量方法虽然能较准确的测量电感但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量Q值确定电感的方法误差较大，所以电感的数字化测量常采用时间常数发和同步分离法。

由于测量电阻，电容，电感方法多并具有一定的复杂性，所以本次设计是在参考555振荡器基础上拟定的一套自己的设计方案。

是尝试用555振荡器将被测参数转化为频率，这里我们将RLC的测量电路产生的频率送入AT89C52的计数端端，通过定时并且计数可以计算出被测频率再通过该频率计算出各个参数。

1.2 电阻、电容、电感测试仪的发展历史及研究现状当今电子测试领域，电阻，电容和电感的测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。

电阻、电容和电感测试发展已经很久，方法众多，常用测量方法如下。

电阻测量依据产生恒流源的方法分为电位降法、比例运算器法和积分运算器法。

比例运算器法测量误差稍大，积分运算器法适用于高电阻的测量。

传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。

前者电路简单，速度快，但精度低；后者测量精度高，但速度慢。

随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精度上有很大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法和比较法。

电感测量可依据交流电桥法，这种测量方法虽然能较准确的测量电感但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量Q值确定电感的方法误差较大，所以电感的数字化测量常采用时间常数发和同步分离法。

单片机外部扩展接口设计与应用案例引言在现代电子设备中，单片机作为一种重要的控制器件，广泛应用于各个领域，包括家电、汽车、通信、医疗等。

然而，由于单片机的引脚数量有限，无法直接满足所有外部设备的连接需求。

因此，设计合理的外部扩展接口对于单片机应用的成功至关重要。

本文将介绍单片机外部扩展接口的基本原理和常见的设计方案，并给出一些应用案例供参考。

一、单片机外部扩展接口的基本原理单片机外部扩展接口的设计基于单片机的引脚，可以分为并行接口和串行接口两种。

并行接口可以同时传输多个位数据，速度较快，适用于需要高速传输的应用；而串行接口逐位传输数据，适用于数据量较小、传输距离较长的应用。

1. 并行接口设计并行接口通常使用I/O口或者专用的外部总线来实现。

其中，I/O口的引脚可以通过编程设置为输入或输出模式，从而实现数据的输入和输出。

外部总线通常是由多根信号线组成，包括数据线、地址线和控制线，用于在单片机和外部设备之间传输数据和控制信息。

2. 串行接口设计串行接口可以使用UART、SPI、I2C等通信协议来实现。

UART是一种通用的串行通信协议，采用一根传输线来同时传输数据和时钟信息。

SPI是一种高速的串行通信协议，采用四根传输线来传输数据、时钟、选择信号和数据输入输出信号。

I2C是一种双线制的串行通信协议，采用两根传输线来传输数据和时钟信号。

二、常见的单片机外部扩展接口设计方案针对不同的应用场景和需求，常见的单片机外部扩展接口设计方案有如下几种。

1. LCD 显示屏接口设计在许多嵌入式系统中，使用LCD显示屏来实现人机交互是常见的需求。

LCD显示屏一般采用并行接口进行数据传输，需要单片机具备足够多的I/O口来连接。

此外，还需要使用定时器来生成LCD显示所需的时序信号。

2. 串口通信接口设计串口通信是嵌入式系统中常用的一种通信方式，常用于与PC机、传感器、无线模块等设备之间进行数据传输。

单片机可以通过UART模块实现串口通信功能，设置波特率、数据位数、停止位数等参数来适应不同的通信需求。

单片机基础第七章单片机IO扩展及应用《单片机基础第七章单片机 IO 扩展及应用》在单片机的应用中，IO 端口（Input/Output 端口，输入/输出端口）往往是有限的。

然而，在实际的项目开发中，我们可能需要连接更多的外部设备，这就涉及到单片机 IO 扩展的知识。

单片机的 IO 端口是与外部世界进行交互的重要通道。

通过这些端口，单片机可以接收外部的输入信号，例如按键的按下、传感器的数据等，同时也可以向外输出控制信号，驱动各种执行器，如 LED 灯、电机等。

但当我们需要连接的外部设备数量超过单片机本身所提供的IO 端口数量时，就必须考虑进行 IO 扩展。

IO 扩展的方式多种多样，常见的有并行扩展和串行扩展。

并行扩展是通过增加并行接口芯片来实现的。

并行扩展的优点是数据传输速度快，能够在一个时钟周期内同时传输多个位的数据。

例如，我们可以使用 8255 芯片来扩展并行 IO 端口。

8255 具有三种工作方式，可以根据实际需求灵活配置为输入端口或输出端口。

在进行并行扩展时，需要注意地址线的连接和译码。

通常，我们会使用地址译码器来生成芯片的片选信号，确保单片机能够准确地访问到扩展的 IO 端口。

串行扩展则是通过串行通信的方式来实现 IO 扩展。

相比于并行扩展，串行扩展所需的连线较少，有利于节省电路板的空间和降低成本。

常见的串行扩展方式有SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）和 I2C（InterIntegrated Circuit，集成电路总线）。

SPI 是一种高速的全双工同步串行通信接口，通常需要四根线：时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线（MISO）、主机输出/从机输入数据线（MOSI）和片选线（CS）。

通过合理地配置这些信号线，我们可以实现多个 SPI 设备的连接和数据传输。

I2C 则是一种两线式串行总线，只需要两根线：串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。

应用CD4052扩展单片机串行口
王建玲;杨成利
【期刊名称】《河南机电高等专科学校学报》
【年(卷),期】2005(013)003
【摘要】CD4052是一种数字控制的模拟数据选择/分配器,本文将它用于UART 串口扩展,解决了普通单片机UART串口太少的问题.文中给出该器件的主要特性、引脚说明及电气特性,并以AT89C51单片机为例给出多串口扩展应用电路.
【总页数】2页(P17-18)
【作者】王建玲;杨成利
【作者单位】河南机电高等专科学校,电子信息工程系,河南,新乡,453002;河南机电高等专科学校,电子信息工程系,河南,新乡,453002
【正文语种】中文
【中图分类】TP368.1
【相关文献】
1.单片机串行口的扩展研究 [J], 吴锴;郝称意;郭海霞
2.AVR单片机串行口的软件扩展技术 [J], 刘亚平;邢济收;刘相权
3.51单片机串行口扩展电路设计及其应用 [J], 刘星华
4.INTEL单片机串行口的扩展应用 [J], 沈建华
5.单片机串行口的扩展方法 [J], 蒯锐
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单片机接口扩展单片机接口扩展教学目标介绍单片机程序存储器的扩展方法介绍单片机数据存储器的扩展方法介绍单片机I/O口的扩展方法学习要求熟悉单片机片外三总线结构和扩展能力掌握单片机接口扩展EPROM,RAM,I/O口方法掌握地址译码及片选方法了解单片机总线驱动能力和扩展方法通常情况下,采用8051/8751/89C51的最小应用系统最能发挥单片机体积小,成本低的优点.但在很多情况下,构成一个工业测控系统时,考虑到传感器接口,伺服控制接口以及人机对话接口等的需要,最小应用系统常常不能满足要求,因此,必须在片外扩展相应的外围芯片,这就是单片机接口扩展.它包括程序存储器(ROM)扩展,数据存储器(RAM)扩展,I/O口扩展,定时/计数器扩展,中断单片机接口扩展以及其它特殊功能扩展等.7.1 MCS-51系列单片机的外部扩展性能 7.1.1 MCS-51系列单片机的片外总线结构为了满足单片机接口扩展要求,MCS-51系列单片机的片外引脚可以构成图7-1所示的三总线结构,即地址总线(AB),数据总线(DB)和控制总线(CB).所有的外部芯片都是通过这三组总线进行扩展.图7-1 单片机的片外三总线结构高8位地址低8位地址 16位地址总线__ 8位数据总线控制总线_P2口ALE8051P0口RDEA WRPSEN地址锁存器1.地址总线(AB)地址总线宽度为16位,因此可寻址范围为216=64KB.地址总线由P0口提供低8位地址A7~A0,由P2口提供高8位地址A15~A8. 2.数据总线(DB)数据总线由P0口提供,其宽度为8位.3.控制总线(CB)控制总线包括片外单片机接口扩展用线和片外信号对单片机的控制线., :用于片外数据存储器(RAM)的读写控制.当执行片外数据存储器操作指令MOVX时,这两个信号自动生效.:用于片外程序存储器(EPROM)的读数控制.ALE:用于锁存P0口输出的低8位地址的控制线.通常,ALE在P0口输出地址期间用其下降沿控制锁存器锁存地址数据.:用于选择片内或片外程序存储器.当 =0时,只访问片外程序存储器,而不管片内有无程序存储器.因此,在扩展并使用外部程序存储器时,必须将接地.7.1.2 MCS-51系列单片机的单片机接口扩展能力根据地址总线宽度,MCS-51系列单片机在片外可扩展的存储器最大容量为64KB,地址范围为0000H~FFFFH.1.片外数据存储器与程序存储器的地址范围一样为64KB,地址也可重复,它们由单片机不同的指令和控制信号区分:读片外程序存储器的指令为MOVC,读写片外数据存储器的指令为MOVX;读片外程序存储器的控制信号为 ,读写片外数据存储器的控制信号为和 .2.片外数据存储器与片内数据存储器的地址可重复,但操作指令不同.对片内数据存储器读写的指令为MOV,对片外数据存储器读写的指令为MOVX.3.为配置外围设备而需要扩展的I/O接口,如A/D,D/A等,与片外数据存储器统一编址, 7.1.3 MCS-51系列单片机的总线驱动能力及扩展方法一,总线的驱动能力 MCS-51系列单片机作为数据总线和低8位地址总线的P0口可驱动8个LSTTL电路,而P1,P2,P3只能驱动4个LSTTL电路.当应用系统规模过大时,可能造成负载过重,致使驱动能力不够,系统不能可靠地工作.二,总线的扩展概述在设计计算机应用系统硬件电路时,首先要估计总线的负载情况,以确定是否需要对总线的驱动能力进行扩展.地址总线和控制总线为单向的,可采用单向三态线驱动器(如74LS244)进行驱动能力的扩展.数据总线为双向的,必须采用双向三态线驱动器(如74LS245)进行驱动能力的扩展. 7.2 MCS-51系列单片机存储器扩展 7.2.1程序储存器扩展一,_ 储存器扩展概述外部程序存储器芯片与单片机可按如下方式连接:1.地址线的连接外部程序存储器低8位地址线A0~A7与P0口的口线P0.0~P0.7对应相连;外部程序存储器高8位地址线A8~A15与P2口的口线P2.0~P2.7对应相连.2.数据线的连接外部程序存储器8位数据线D0~D7与P0口的口线P0.0~P0.7对应相连.3.控制线的连接(片外程序存储器取指信号)和 (程序存储器输出允许信号)相连;ALE(地址锁存允许信号)和(地址锁存器锁存信号)相连; (片内/片外程序存储器选择信号),当选用8031/8032时,应接地;单片机的相关地址线经过地址译码和程序存储器的片选信号相连.由上面论述可以得到外部扩展程序存储器的一般连接方法,见图7-2所示.图7-2 单片机的外部程序存储器一般连接方法地址锁存器P2.7P2.0ALE8031P0.7~P0.0EA PSENA15 A8A7外部程序 A0存储器D7~D0OE二,程序储存器EPROM 的扩展 1.使用单片EPROM的扩展电路图7-3为8031单片机外接一片EPROM 27256的扩展电路.图7-3 8031单片机扩展一片27256的电路 27256的端是输出使能端,与8031的端相连,当有效时,把27256中的指令送上P0口线.由于只扩展一片EPROM,27256的片选端可直接接地.27256的编程电压端VPP接电源. 当用户熟悉了其它EPROM芯片后,很容易改成其它容量EPROM的单片扩展电路:扩展27128时,去掉P2.7引出线,将27128的27脚接Vcc;扩展2764时,去掉P2.6,P2.5引出线,并将2764的27脚接Vcc,26脚不接;扩展2732时,去掉P2.6,P2.5和P2.4引出线;扩展2716时,去掉P2.6,P2.5,P2.4和P2.3引出线,并将2764的Vpp接Vcc即可.3.使用多片EPROM 的扩展电路在扩展多片EPROM时,所有芯片的片选端都必须按照地址线进行选择.芯片的片选是在保证对EPROM片内存储空间寻址条件下,使用剩余的地址线进行的,分为线选法和译码法.现以扩展多片2764 EPROM为例来说明这两种片选法:2764的片内地址为8K,因此片内寻址需占用A12~A0的13根地址线,尚剩余3根地址线A13,A14,A15,采用线选法时,剩余的三根地址线每根可接一个芯片的片选信号,则只能扩展3片2764,见图7-4(a)所示;采用译码法时,剩余三根地址线经过3-8译码得到8根片选信号,可扩展8片2764,见图7-4(b)所示.图7-4(a) 线选法扩展三片2764的电路图7-4(b) 译码法扩展三片2764的电路目前,随着大容量EPROM的出现,像图7-4(b)这种多片地址译码的方法已不太常用,它完全可以用两片27256代替.对于扩展两片27256 EPROM的电路如图7-5所示,它是带反相器的线选法:用一根地址线,使它不经反相器和经反向器后分别连接到两个EPROM的片选.图7-5 两片27256的扩展电路三,作为程序储存器EEPROM的扩展电擦除可编程只读存储器EEPROM(Electrically Erasable PROM)具有能在应用系统中进行在线改写,并可在断电情况下保存数据而不需保护电源等优点,在智能仪表,控制装置,分布式监控系统子站以及开发装置中得到了广泛的应用.图7-6为8031单片机的EEPROM 28C16的扩展电路,图中使用了控制线 , , .图中线是由和相"与"后提供,无论有效还是有效都能使28C16的输出允许端有效,这种联接方法是把EEPROM既作为程序存储器,也作为数据存储器用;28C16的与8031的相连,单片机可以向28C16写指令数据或数据,表格;28C16的与8031的P2.7进行线选,当系统中有其它程序存储器或数据存储器时,要统一考虑地址选择.7.2.2数据储存器扩展一, 数据储存器扩展概述外部数据存储器芯片与单片机可按如下方式连接:1.地址线的连接外部程序存储器低8位地址线A0~A7与P0口的口线P0.0~P0.7对应相连;外部程序存储器高8位地址线A8~A15与P2口的口线P2.0~P2.7对应相连.2.数据线的连接外部程序存储器8位数据线D0~D7与P0口的口线P0.0~P0.7对应相连.3.控制线的连接(单片机片外数据读信号)和 (数据存储器读信号)相连;ALE(单片机地址锁存允许信号)和G(地址锁存器锁存信号)相连;(单片机片外数据写信号)和 (数据存储器写信号)相连;单片机的相关地址线经过线译码或地址译码和数据存储器的片选信号相连.由上面论述可以得到外部扩展数据存储器的一般连接方法,见图7-6所示. 图7-6 单片机的外部数据存储器一般连接方法地址锁存器P2.7P2.0ALE8031P0.7~P0.0EA WR RDA15 CE A8A7A0 外部数据存储器D7~D.0WE RD访问外部数据区可只采用低8位地址线寻址,这时可寻址空间为256B,采用下面读,写指令来访问此数据存储区:MOVX A,@Ri (i=0,1)MOVX @Ri,A (i=0,1)由于8位寻址指令所占字节少,指令执行速度快,故在数据量不大的情况下,应尽可能采用这种8位寻址指令.在单片机系统中通常选用8155外围芯片,其内部的256B就可以作为外部扩展RAM使用.也可以采用16位地址线寻址外部数据区,这时可寻址空间为64KB,采用下面8位寻址指令来读,写此数据存储区:MOVX A,@DPTRMOVX @DPTR,A当外部RAM容量较大(大于256B)时,采用此寻址方法.二,数据储存器静态RAM的扩展由于单片机是面向测,控为主的,实际所需要的数据存储器的扩展容量不会很大,所以在扩展时为了电路的简单,一般使用静态RAM,如6116和6264.图7-7为扩展单片6116时的电路.前面讲过,扩展单片程序存储器时,片选端直接接地即可,因为系统中不会再有其它程序存储器芯片.但扩展单片数据存储器时,其片选端能否直接接地则还要考虑应用系统中有无I/O口及外围设备扩展,如果有,则要统一进行片选选择.图7-7 6116的扩展电路三,作为数据储存器EEPROM的扩展EEPROM兼有程序存储器与数据存储器的特点,故在单片机应用系统中既可作为程序存储器,又可作为数据存储器.作为程序存储器,其操作主要是程序运行操作,必须严格按照程序存储器的地址总线,数据总线,控制总线的联接方式.而将EEPROM作为数据存储器时,与单片机的接口较灵活,既可直接将EEPROM作为片外数据存储器扩展,也可以作为一般外围设备电路扩展,而不影响数据的存取.图7-8为并行EEPROM的数据存储器扩展电路.图中2816A可按照典型的数据存储器扩展电路联接方式,如2814A(1)芯片.也可以作为外设电路,通过扩I/O口8255连接,如2816A(2).可以看出,作为数据存储器时其电路连接较为灵活.2816A(2)工作时,要使8255进入工作状态(P2.7使8255有效),2816A所需的地址采用通过8255用MOVX指令送入.图7-8 28C16作为数据存储器的扩展电路 7.3 MCS-51系列单片机I/O口扩展 MCS-51单片机共有四个8位并行I/O口,但这些I/O口并不能完全提供给用户使用.只有对于片内有ROM/EPROM/FLASH-RAM单片机8051/8751/89C51,在不使用外部扩展时,才允许这四个I/O口作为用户I/O 口使用.然而对于大多数使用8031以及使用8051/8751/89C51需外部扩展时,MCS-51单片机可提供给用户使用的I/O只有P1口和部分P3口线.因此,在大部分的MCS-51单片机应用系统设计中都不可避免地要进行I/O口的扩展.扩展I/O口可以通过MCS-51单片机的数据总线进行,也可以利用移位寄存器通过MCS-51单片机的串行口进行. 7.3.1通过数据总线扩展通过数据总线扩展I/O口,是采用外部数据存储器映射方式进行输入,输出的,与外部数据存储器的扩展在方法上是基本相同的.从功能上看,通过数据总线扩展的I/O口有两种基本类型:简单I/O口扩展和可编程I/O口的扩展.一,采用简单并行I/O接口芯片扩展P0口是数据总线口,通过P0口扩展I/O 口时,P0口只能分时使用,故输出时,接口电路应具有锁存功能,如采用8D锁存器74LS273,74LS373,74LS377组成输出口;输入时,接口电路应能三态缓冲,如采用8位三态缓冲器74LS244组成输入口.1.用三态门扩展8位输入并行口图7-9是用74LS244通过P0口扩展的8位并行输入接口.74LS244由两组4位三态缓冲器组成,分别由选通端和控制.当它们为低电平时,这两组缓冲器被选通,数据从输入端A送到输出端Y. 和同时由P2.7和相或后控制,由此可知74LS244的地址为7FFFH,其数据的输入使用以下几条指令即可:MOVX DPTR,#7FFFH ;数据指针指向74LS244口地址MOVX A,@DPTR ;读入数据图7-9 简单I/O 口的扩展电路 2.用锁存器扩展简单的8位输出口图7-9是用74LS273通过P0口扩展的8位并行输出接口.74LS273是带三态门控的锁存器,CLR为数据清零端,其为低电平时有效,故此处应接高电平.CLK为锁存时钟端,由P2.7和相或后控制,当同时为低电平时,将P0口的数据锁存到74LS273.因此74LS273的地址为7FFFH,和输入口地址相同,但由于它们分别由和信号控制,仍然不会发生冲突.其数据的输出使用以下几条指令即可:MOVX DPTR,#7FFFH;数据指针指向 74LS273口地址MOVXA,#data ;输出数据要通过累加器传送MOVX @DPTR,A ;P0口通过74LS273输出数据当要扩展多个简单的8位输入口和输出口,多个74LS244的选通端和和多个74LS273的锁存时钟CLK,应采用类似前面所讲述的多片EPROM扩展时的片选方法.但要注意8031的I/O口驱动能力,在实际应用时,要根据负载的大小适当增设驱动电路.二,采用可编程并行I/O接口芯片扩展在单片机接口中,常使用一些结构复杂的接口芯片,以完成各种复杂的操作.这类芯片一般具有多种功能,在使用前,必须由CPU对其编程,以确定其工作方式,之后才能使芯片按设定的方式进行操作,这就是可编程接口.下面将通过使用8255扩展并行I/O口重点说明这个问题.1. 8255的初始化使用8255时,首先要由CPU对8255写入控制命令字,有两种控制命令字:一个是方式选择控制字,另一个是C口按位置位/复位控制字,8255的各种工作方式都要由控制命令字来设定,这个设置过程称为"初始化".(1)方式选择控制字(D7=1)D0~D2三位用来对B组的端口进行工作方式设定.D2设置B口的工作方式,D2=1为方式1;D2=0为方式0.D1位设定B口的输入或输出,D1=1为输入;D1=0为输出.D0位设定C口的低半部,D0=1为输入,D0=0为输出.D3~D6四位用来对A组的端口进行设定.D6D5组合起来设定A口工作方式,D6D5=00,为方式0;D6D5=01为方式1;D6D5=10和11都为方式2.D4位用来设定A口的输入或输出.D3位用来设定C口上半部的输入或输出,D3=1为输入,D3=0为输出.(2)_ C口按位置/复位控制字(D7=0)因为C口共有8个二进制位,要确定对其中某一位进行操作,就要在控制字中指定该位的编号.图中用了D3D2D1三位的编码与C 口的某一位相对应,对指定位进行的操作则由D0确定,如D0=1时,将指定位置"1".D0=0则将指定位置"0".2. 8255和8031的接口方法MCS-51单片机与8255的接口逻辑简单,其接口电路如图7-10所示.图中,8255的片选信号及口地址选择线A0,A1分别由8031的P0.7和P0.0,P0.1经地址锁存后提供.故8255的A,B,C口及控制口地址分别为FF7CH,FF7DH,FF7EH,FF7FH.8255的复位端与8031的复位端相连,都接到8031的复位电路上._图7-10 8031与8255接口电路7.3.2通过串行口扩展一,用并入串出移位寄存器扩展并行输入口图7-11是利用两片74LS165扩展2个8位并行输入口的电路.74LS165是8位并行输入串行输出移位寄存器,单片机的RXD(P3.0)作为串行数据输入端与74LS165的串行输出端Q7相连;单片机的TXD(P3.1)为移位脉冲输出端,与所有的74LS164芯片的移位脉冲输入端CLK相连;用1根I/O线(P1.0)与74LS165的移位/置位端相连,来控制其移位与置位.当为低电平时,并行数据置入74LS165的寄存器;当为高电平时,开始串行移位.当扩展多个8位输入口时,相邻两芯片的首尾(串行输出端Q7与串行输入端SER)相连.串行接收时,由RI引起中断或对RI查询来决定何时接受下一个字符(在采用查询方式时,也需预先关闭中断). 单片机扩展中断的简便方法(zz)MCS—51系列单片机内部只有两个外部中断源输入端，当外部中断源多于两个时，就必须进行扩展，下面介绍两种简单的扩展方法：一、采用硬件请求和软件查询的方法：这种方法是：把各个中断源通过硬件“或非”门引入到单片机外部中断源输入端（INT0或INT1），同时再把外部中断源送到单片机的某个输入输出端口，这样当外部中断时，通过“或非”门引起单片机中断，在中断服务程序中再通过软件查询，进而转相应的中断服务程序。