51单片机-IO扩展模块 pcf8575

51单片机介绍

一、51单片机基本概念

51单片机 是指基于 Intel MCS-51架构 的8位微控制器系列，由Intel在1980年推出，后由多家厂商（如Atmel、STC、NXP等）生产兼容型号。因其结构简单、成本低廉、生态完善，成为嵌入式开发的经典入门选择。

二、核心特点

三、常见型号对比

四、硬件架构详解

1. 存储器结构

   • 哈佛架构：程序存储器（ROM）与数据存储器（RAM）独立编址。

   • 特殊功能寄存器（SFR）：通过直接寻址访问（地址80H~FFH），控制外设功能。

2. I/O端口特性

   • P0口：开漏输出，需外接上拉电阻；复用为数据/地址总线。

   • P1口：准双向口，无复用功能。

   • P2/P3口：部分引脚复用（如P3.0=RXD，P3.1=TXD）。

3. 中断优先级

   • 2级可编程优先级（IP寄存器配置）。

   • 默认优先级顺序：外部0 > 定时器0 > 外部1 > 定时器1 > 串口。

五、开发工具链

1. 编程环境

   • Keil μVision：主流IDE，支持C51汇编和C语言开发。

   • SDCC：开源跨平台编译器（Linux/macOS适用）。

2. 烧录工具

   • STC-ISP：STC单片机专用下载软件（通过串口烧录）。

   • USB-TTL模块：连接电脑与单片机的UART引脚。

3. 仿真调试

   • Proteus ISIS：电路设计与代码协同仿真。

   • 硬件调试器：如J-Link（需芯片支持）

PCF8575介绍

PCF8575 是 NXP（原飞利浦半导体）生产的一款通用 I²C 总线 I/O 扩展器芯片，主要用于微控制器（如 Arduino、STM32 等）的 I/O 端口扩展。

主要特性

• 16位并行 I/O 端口：可以配置为输入或输出

• I²C 总线接口：

  • 兼容 Fast-mode I²C (400 kHz)

  • 支持 3.3V 和 5V 系统

• 中断输出：当输入状态改变时可触发中断

• 低待机电流消耗：适合电池供电设备

• 宽工作电压范围：2.5V 至 6V

• 工业温度范围：-40°C 至 +85°C

引脚配置

PCF8575 通常采用 24 引脚 SO 或 TSSOP 封装，主要引脚包括：

• SDA, SCL：I²C 总线接口

• A0-A2：地址选择引脚

• INT：中断输出

• P00-P17：16个可编程 I/O 引脚

• VCC, GND：电源和地

应用场景

1. LED 控制

2. 按键/开关输入检测

3. 继电器控制

4. 需要额外 I/O 端口的嵌入式系统

5. 工业控制和自动化

与 PCF8574 的区别

PCF8575 是 PCF8574 的升级版本，主要区别在于：

• PCF8575 提供 16 位 I/O (PCF8574 只有 8 位)

• PCF8575 的中断功能更完善

编程接口

通过 I²C 接口通信，典型操作包括：

• 写入输出状态

• 读取输入状态

• 配置 I/O 方向（通过写入特定模式）

典型电路连接

PCF8575 通常与微控制器通过 I²C 总线连接，地址由 A0-A2 引脚决定，允许同一总线上连接最多 8 个 PCF8575 设备。

proteus 51单片机 连接PCF8575

代码实现

#include <reg51.h>
#include <intrins.h>

#define u8 unsigned char
#define u16 unsigned int

// 定义I2C引脚
sbit SDA = P2^1;
sbit SCL = P2^0;

// PCF8575地址(根据A0,A1,A2引脚配置)
#define PCF8575_ADDR 0x40

// 延时函数
void delay_us(u8 t) {
    while(t--);
}

void delay_ms(u16 t) {
    u16 i, j;
    for(i=0; i<t; i++)
        for(j=0; j<120; j++);
}

// I2C起始信号
void I2C_Start() {
    SDA = 1;
    SCL = 1;
    delay_us(5);
    SDA = 0;
    delay_us(5);
    SCL = 0;
}

// I2C停止信号
void I2C_Stop() {
    SDA = 0;
    SCL = 1;
    delay_us(5);
    SDA = 1;
    delay_us(5);
}

// I2C发送应答
void I2C_Ack(u8 ack) {
    SDA = ack;
    SCL = 1;
    delay_us(5);
    SCL = 0;
    SDA = 1;
}

// I2C接收应答
u8 I2C_Wait_Ack() {
    u8 ack;
    
    SDA = 1;
    SCL = 1;
    delay_us(5);
    ack = SDA;
    SCL = 0;
    
    return ack;
}

// I2C发送一个字节
void I2C_SendByte(u8 dat) {
    u8 i;
    
    for(i=0; i<8; i++) {
        SDA = (dat & 0x80) ? 1 : 0;
        SCL = 1;
        delay_us(5);
        SCL = 0;
        dat <<= 1;
    }
}

// I2C接收一个字节
u8 I2C_RecvByte() {
    u8 i, dat = 0;
    
    SDA = 1;
    for(i=0; i<8; i++) {
        SCL = 1;
        delay_us(5);
        dat <<= 1;
        dat |= SDA;
        SCL = 0;
        delay_us(5);
    }
    
    return dat;
}

// 向PCF8575写入16位数据
void PCF8575_Write(u16 dat) {
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(PCF8575_ADDR);  // 发送设备地址+写命令
    I2C_Wait_Ack();
    I2C_SendByte(dat >> 8);      // 发送高字节
    I2C_Wait_Ack();
    I2C_SendByte(dat & 0xFF);    // 发送低字节
    I2C_Wait_Ack();
    I2C_Stop();
}

// 从PCF8575读取16位数据
u16 PCF8575_Read() {
    u16 dat;
    
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(PCF8575_ADDR | 0x01);  // 发送设备地址+读命令
    I2C_Wait_Ack();
    dat = I2C_RecvByte() << 8;          // 读取高字节
    I2C_Ack(0);                         // 发送应答
    dat |= I2C_RecvByte();              // 读取低字节
    I2C_Ack(1);                         // 发送非应答
    I2C_Stop();
    
    return dat;
}

// 主函数
void main() {
    u16 output_data = 0x5555;  // 示例输出数据(0101 0101 0101 0101)
    u16 input_data;
    
    // 初始化I2C引脚
    SDA = 1;
    SCL = 1;
    
    while(1) {
        // 写入数据到PCF8575
        PCF8575_Write(output_data);
        delay_ms(1000);
        
        // 从PCF8575读取数据
        input_data = PCF8575_Read();
        delay_ms(1000);
        
//        // 改变输出数据
       output_data = ~output_data;
    }
}

测试效果