基于数组法的IAP15F261S2型单片机外设控制方法研究
2024-07-14黄庆武胡婷
黄庆武 胡婷
摘 要：单片机I/O口控制，一般采用地址分时复用技术，LED灯、蜂鸣器、继电器、数码管等是基于单片机外设控制的电子系统的常见外设，采用数组法，根据I/O口的特征，对应建立一维数组或二维数组，分别对控制外设的地址和参数进行赋值，较过去常用的逐位选择取值法，编程代码结构优化，实现相同控制功能指令，执行指令速度更快，代码可复用性强，实现功能思路简单明了。
关键词：数组法;锁存器;赋值;LED;继电器;数码管
中图分类号：TP202 文献标志码：A 文章编号：1671-0797（2024）13-0006-04
DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.13.002
0 引言
单片机体积小、质量轻，广泛应用于智能仪表、实时工控、通信设备、导航系统、家用电器等领域。从20世纪90年代开始，单片机技术逐渐发展成熟，无论是自动测量还是智能仪表的实践，都能看到单片机技术的身影[1]。当前工业发展进程中，电子行业属于新兴产业，人们将电子信息技术与单片机技术相融合，有效提高了单片机应用效果。
IAP15F261S2型单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，采用STC第八代加密技术，是集高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰等功能于一体的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051、ISP/IAP系列型号，在系统/应用可编程，无须编程器，无须仿真器，内部集成R/C时钟，ISP编程时5～35 MHz宽范围可设置，可彻底省去外部昂贵的晶振和外部复位电路，LQFP44是44引脚的常用封装形式。
1 常用IAP15F261S2型单片机外设控制电路组成及原理
以典型IAP15F261S2型单片机外设控制如国信长天V20CT107S控制板为例，介绍外设器件控制原理，该控制板主要用于全国大学生蓝桥杯电子设计竞赛，具有较好的单片机外设控制的通用性，控制板主要外设包含有74HC138译码器、74HC02或非门电路芯片、M74HC573MIR锁存器、ULN2003耐高压大电流驱动芯片、LED灯、继电器、蜂鸣器、DS17SEG-4数码管、1 kΩ大小阻值电阻。单片机的P0端口，通过程序控制外设LED灯、继电器、蜂鸣器、数码管的通断，为能实现4种外设的同步控制，采用了以P2端口P25、P26、P27引脚为地址的分时复用技术，74HC138译码器的A、B、C分别与之相连接，通过程序控制P25、P26、P27引脚地址变化，实现74HC138译码器Y0-Y7通路的低电平输出，该部分电路原理图如图1所示。Y4、Y5、Y6、Y7引脚与或非门芯片74HC02的U24、U25、U26、U27连接，或非门芯片的输出状态由P2端口P25、P26、P27引脚状态确定，或非门输出状态为高电平时，使能锁存器M74HC573MIR，通过对P0端口的状态的锁存，达到分时复用的功能，该部分电路原理图如图2所示[2]。通过锁存器的Q1至Q8输出端，实现LED灯、继电器、蜂鸣器、数码管等外设的控制。
2 传统单片机外设控制思路及程序实现方法
传统单片机P0端口分时复用思路是根据控制目的需要，将P0端口赋值，使用选择结构程序，将P2端口赋值，使对应的74HC138译码器通路导通，74HC138译码器输出信号与74HC02或非门电路逻辑计算，计算结果使能M74HC573MIR锁存器，随后将P2端口赋零值，P0端口状态得以保存。以数码管第一位显示为例，对端口定义部分代码，参考如下[3]：
void shumaguanshow（unsigned char position，unsigned char value）
{
switch（position）
{
case 1： P0=0x01;P2=（P2&0x1f）|0xc0;P2=
P2&0x1f;
{
if（value==0） {P0=0xc0;P2=（P2&0x1f）|0xe0;P2=P2=P2&0x1f;break;}
if（value==1） {P0=0xf9;P2=（P2&0x1f）|0xe0;P2=P2=P2&0x1f;break;}
if（value==2） {P0=0xa4;P2=（P2&0x1f）|0xe0;P2=P2=P2&0x1f;break;}
if（value==3） {P0=0xb0;P2=（P2&0x1f）|0xe0;P2=P2=P2&0x1f;break;}
if（value==4） {P0=0x99;P2=（P2&0x1f）|0xe0;P2=P2=P2&0x1f;break;}
if（value==5） {P0=0x92;P2=（P2&0x1f）|0xe0;P2=P2=P2&0x1f;break;}
if（value==6） {P0=0x82;P2=（P2&0x1f）|0xe0;P2=P2=P2&0x1f;break;}
if（value==7） {P0=0xF8;P2=（P2&0x1f）|0xe0;P2=P2=P2&0x1f;break;}
if（value==8） {P0=0x80;P2=（P2&0x1f）|0xe0;P2=P2=P2&0x1f;break;}
if（value==9） {P0=0x90;P2=（P2&0x1f）|0xe0;P2=P2=P2&0x1f;break;}
}
}
}
上述代码仅对第1位数码管的0～9的10个状态值进行显示，如要求显示更多状态值，则可按此规则编程，2至8位的数码管的状态显示，通过复制上述代码中的状态值即可。此方法思路清晰，通过数码管的1至8位的位置选择，随后对数码管赋值，即可实现数码管的按位显示功能，如要实现连续显示，可利用人眼的视觉差，使用延时函数或定时器进行控制。如编写一个数码管完整显示函数代码，代码长度将超过200行，该方法存在代码结构复杂、执行时间长、重复率高等不足。关于LED通路及继电器、蜂鸣器通路分析类似，此代码编写思路方法给编程者造成了困难。
有关LED灯通路控制的程序代码，过去常用的编写方式如下：
void ledshow（unsigned char position，unsigned char value）
{
switch（position）
{
case 1：
if（value==1）{P0=0xfe;P2=（P2&0x1f）|0x80;P2=P2&0x1f;break;}
if（value==0）{P0=0xff;P2=（P2&0x1f）|0x80;P2=P2&0x1f;break;}
case 2：
if（value==1）{P0=0xfd;P2=（P2&0x1f）|0x80;P2=P2&0x1f;break;}
if（value==0）{P0=0xff;P2=（P2&0x1f）|0x80;P2=P2&0x1f;break;}
case 3：
if（value==1）{P0=0xfb;P2=（P2&0x1f）|0x80;P2=P2&0x1f;break;}
if（value==0）{P0=0xff;P2=（P2&0x1f）|0x80;P2=P2&0x1f;break;}
case 4：
if（value==1）{P0=0xf7;P2=（P2&0x1f）|0x80;P2=P2&0x1f;break;}
if（value==0）{P0=0xff;P2=（P2&0x1f）|0x80;P2=P2&0x1f;break;}
case 5：
if（value==1）{P0=0xef;P2=（P2&0x1f）|0x80;P2=P2&0x1f;break;}
if（value==0）{P0=0xff;P2=（P2&0x1f）|0x80;P2=P2&0x1f;break;}
case 6：
if（value==1）{P0=0xdf;P2=（P2&0x1f）|0x80;P2=P2&0x1f;break;}
if（value==0）{P0=0xff;P2=（P2&0x1f）|0x80;P2=P2&0x1f;break;}
case 7：
if（value==1）{P0=0xbf;P2=（P2&0x1f）|0x80;P2=P2&0x1f;break;}
if（value==0）{P0=0xff;P2=（P2&0x1f）|0x80;P2=P2&0x1f;break;}
case 8：
if（value==1）{P0=0x7f;P2=（P2&0x1f）|0x80;P2=P2&0x1f;break;}
if（value==0）{P0=0xff;P2=（P2&0x1f）|0x80;P2=P2&0x1f;break;}
}
}
同样，该方法代码结构复杂，重复率高，有改进及优化的空间，依据此方法，编写相关P0端口的继电器及蜂鸣器通路分时复用控制代码，在此不再描述。
3 数组法控制单片机外设的思路方法及实现
为解决上述代码问题，若采用数组法，分别将数码管的位置选择值和显示状态值定义为数组变量值，通过赋值语句直接对数组取值，可有效减少代码量重复率，同时不再使用选择结构语句，代码复杂程度降低，整体结构简单易懂。以数码管为例，使用数组法的参考代码如下：
unsigned char smg_position[]={0，1，2，4，8，16，32，64，
128};
unsigned char smg_value[]={0xc0，0xf9，0xa4，0xb0，
0x99，0x92，0x82，0xf8，0x80，0x90，0xbf};
void smg（unsigned int position，unsigned int value）
{
P0=smg_position[position];P2=（P2&0x1f）|0xc0;P2=P2&0x1f;
P0=smg_value[value];P2=（P2&0x1f）|0xe0;P2=P2&0x1f;
}
在上述代码中，数组变量smg_position[]定义为数码管位置选择值，由于在数组定义中，数组变量地址从0开始，而数码管位置值为1至8，为此在数组变量smg_position[]中，将smg_position[0]定义为0，数组变量smg_value[]中，首地址值为1，故保持不变。上述7行代码即可实现原思路方法200行以上代码的显示功能[4]。
关于LED通路的数组法编程代码，由于LED灯的状态显示，则需定义一个二维数组，二维数组的行值为LED灯的位置选择位，二维数组的列值为LED灯的状态显示。数组地址定义为以0为首地址，故关状态值（即0）在前，开状态值（即1）在后，同样在二维数组的第0行补一行{0，0}代码，LED灯的显示，使用数组法的参考代码如下[5]：
unsigned char LED_position_value[][2]= {{0，0}，{0xff，0xfe}，{0xff，0xfd}，{0xff，0xfb}，{0xff，0xf7}，{0xff，0xef}，{0xff，0xdf}，{0xff，0xbf}，{0xff，0x7f}};
void ledshow（unsigned char position，unsigned char value）
{
P0=LED_position_value[position][value];P2=（P2&0x1f）|0x80;P2=P2&0x1f;
}
关于继电器与蜂鸣器通路的数组法编程代码，对于部分未使用P0端口值，又占有数组中的位置，不得将其删除，而应以代码{0，0}代替，同理第0行补一行{0，0}代码，继电器及蜂鸣器电路功能实现，使用数组法编程的参考代码如下：
unsigned char JDFM_position_value[][2]=
{{0，0}，{0，0}，{0，0}，{0，0}，{0，0}，{0，0x10}，{0，0}，{0，0x40}，{0，0}};
void JDFMshow（unsigned char position，unsigned char value）
{
P0=JDFM_position_value[position][value];P2=（P2&0x1f）|0xa0;P2=P2&0x1f;
}
4 实验效果验证
利用keil5软件，完善主函数功能代码，并生成.hex文件，使用STC_ISP代码下载软件，对控制板进行程序烧写。以数码管显示20240328、LED灯第1和第8盏灯点亮为例，主函数的代码参考如下[6]：
void main（）
{
while（1）
{
smg（1，2）;Delay1000us（）;
smg（2，0）;Delay1000us（）;
smg（3，2）;Delay1000us（）;
smg（4，4）;Delay1000us（）;
smg（5，0）;Delay1000us（）;
smg（6，3）;Delay1000us（）;
smg（7，2）;Delay1000us（）;
smg（8，8）;Delay1000us（）;
Ledshow（1，1）;Delay1000us（）;
Ledshow（8，1）;Delay1000us（）;
}
}
数码管及LED灯的显示效果如图3所示，而继电器和蜂鸣器（发声）无视觉效果，在此不作显示。
5 结论
本文通过数组法，实现了IAP15F261S2型单片机P0端口的分时复用功能，代码编写思路清晰，结构简单，具有较好的实用性，为单片机端口的外设控制提供了一种新的方法。
[参考文献]
[1] 宏晶STC官网.STC15系列单片机用户手册[Z]，2023.
[2] 阎石.数字电子技术基础[M].6版.北京：高等教育出版社，2016.
[3] 王英明，张露露，蒋林，等.C语言程序设计[M].5版.北京：清华大学出版社，2022.
[4] 林立，张俊亮.单片机原理及应用[M].2版.北京：电子工业出版社，2024.
[5] 徐广振，刘小莉.单片机技术应用项目化教程（C语言版）[M].2版.北京：电子工业出版社，2021.
[6] 皮大能，胡学芝.单片机控制系统抗干扰技术[J].机械制造与自动化，2005（2）：117-119.
作者简介：黄庆武（1981—），男，湖北黄石人，硕士研究生，助理讲师，研究方向：电气与电子技术。
胡婷（1996—），女，湖北武汉人，硕士研究生，助理讲师，研究方向：计算机与人工智能技术。
