IIC及AT24C02的读写（单片机实验）

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课程设计（综合实验）内容及要求
通过IIC总线扩展1片AT24C02芯片 ,实现单片机对存储器24C02 的读写，并通过LED灯或8段数码管显示存储单元的状态。进行软件仿真，实验仪实现或焊接制作具体实物。

目录
1 项目分析 1
1.1 设计内容 1
1.1.1 设计任务 1
1.1.2 设计要求 1
1.2 总体设计 1
2 硬件设计 2
2.1 器件选型 2
2.1.1 单片机芯片的选择方案和论证  2
2.1.2 显示模块选择方案和论证 2
2.1.3 扩展芯片的选择方案和论证 3
2.1.4 独立按键的选择方案和论证 3
2.2 器件设计 4
2.2.1 IIC总线接口电路模块设计 4
2.2.2 单片机主控制模块设计 8
2.2.3 复位电路模块设计 10
2.2.4 显示模块设计 10
2.2.5 按键控制模块设计 11
2.3 硬件调试 11
3 软件设计 12
3.1 代码设计 12
3.2 仿真实现 16
4 系统调试总结分析 18
4.1 电路调试 18
4.2 软件调试 18
4.3 综合调试 18
4.4 故障分析与解决方案 18
4.5 总结与经验 18

1 项目分析
1.1 设计内容
1.1.1 设计任务
通过IIC总线扩展1片AT24C02芯片，实现单片机对存储器24C02的读写，并通过LED灯或8段数码管显示存储单元的状态。
1.1.2 设计要求
1.具有对存储器24C02 的读写功能；
2.具备num++、保存、清零、读取功能；
3.设置按键控制num++、保存、清零、读取功能；
4.设置显示模块可以直观的看到操作显示；
5.使用Protues软件进行电路设计并仿真；
6.按照仿真设计实物；
1.2 总体设计
方案说明：
此系统利用AT89C51单片机和芯片AT24C02设计完成。利用按键输入读写命令和相应的地址、数据,对AT24C02芯片进行读写操作，与单片机进行数据交换；8段数码管显示器作为显示部分；独立键盘实现多种操作。
系统结构如图1-1所示

2 硬件设计
2.1 器件选型

2.1.1 单片机芯片的选择方案和论证

采用AT89C51芯片作为硬件核心，AT89C51是美国ATMEL公司生产的一种高性能、低功耗、带4kFlashMemory的8位CMOS单片微型计算机芯片。FlashMemory又称闪烁存储器，它是EPROM和EEPROM技术有机结合的产物。其既具有EPROM一样的可编程能力，又带有像EEPROM的电可擦除性能，而且还具有不挥发性、反访问速度快（约60ns）和密度高等特点。由于以上优点使AT89C51可靠性高、实时性好、速度快、系统掉电后重要数据和状态信息不会丢失，其性能价格远高于同类芯片。它与MCS-51指令系统兼容，片内FPEROM允许对程序存储器在线重复编程，也可用常规的EPROM编程器编程，可循环写入或擦除1000次。一般的EEPROM的字节擦除时间和写入时间基本上均为10ms，对于任意实时控制系统来说，这样长的时间是不可能在线修改程序的。与EEPROM相比较，FPEROM大大缩短了存储内容擦除和写入的时间，为在线改写程序提供了极大的方便。

2.1.2 显示模块选择方案和论证
采用LED灯作为显示模块，虽然通过灯的颜色可以判断，但是不能读取具体的数据，并且实物焊接电路复杂，通过数码管显示模块，不仅可以知道是否读取，而且还可以直观地读取具体的数据，也为电路的设计带来了方便。

本实验选择采用数码管显示模块。
LED数码管简介：
LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。除半导体激光器外，当电流激励时能发射光学辐射的半导体二极管。严格地讲，术语LED应该仅应用于发射可见光的二极管；发射近红外辐射的二极管叫红外发光二极管（IRED,Infrared Emitting Diode）；发射峰值波长在可见光短波限附近，由部份紫外辐射的二极管称为紫外发光二极管；但是习惯上把上述三种半导体二极管统称为发光二极管。

LED七段数码管的结构：
LED七段数码管，如图2-1-2所示，是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用的段数一般为7段，有的另加一个小数点 。LED数码管根据LED的接法不同，分为共阴和共阳两类 。
共阴极结构，是8段发光二极管的阴极端连接在一起，阳极端分开控制，使用时公共端接地，要使哪根发光二极管，则对应的阳极端接高电平。共阳极结构，是8段发光二极管的阳极端连接在一起，阴极端分开控制，使用时公共端接电源。要使哪根发光二极管，则对应的阴极端接地。

图2-1 LED数码管结构图

其中7段发光二极管构成7笔的字形“8”,1根发光二极管构成小数点。从a-g引脚输入不同的8位二进制编码，可显示不同的数字或字符。通常把控制发光二极管的7（或8）位二极管编制称为字段码。不同数字或字符其字段码不一样，对于同一个数字或字符，共阴极连接和共阳极连接的字段码也不一样，共阴极和共阳极的字段码互为反码。

2.1.3 扩展芯片的选择方案和论证
AT24C02是带有IIC总线接口的EEPROM存储器，具有掉电记忆的功能，并且可以像普通RAM一样用程序改写。它是一个2k位串行CMOS E2PROM,内部含有256个8位字节，有一个8字节页写缓冲器。该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能 。

2.1.4 独立按键的选择方案和论证
独立按键主要是指轻触式按键开关，也称之为轻触开关。独立按键是一种电子开关，属于电子元器件类，使用时以满足操作力的条件向开关操作方向施压开关功能闭合接通，当撤销压力时开关即断开，其内部结构是靠金属弹片受力变化来实现通断的。

独立按键的软件常采用查询式结构，先逐位查询没跟I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。

独立键盘的按键相互独立，每个按键接一根I/O口线，一根I/O口线上的按键工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态（引脚图如图2-2所示）。因此，通过检测I/O口线的电平状态，即可判断键盘上哪个键被按下，每次只处理一个按键，期间对任何按键的操作对系统不产生影响，且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序，准确输出按键值（或键号），满足跳转指令要求。本次实验中，单片机控制系统，只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构，矩阵键盘编程复杂。

图2-2 独立按键引脚图

2.2 器件设计
2.2.1 IIC总线接口电路模块设计
2.2.1.1 IIC 总线协议
IIC 总线的两根通信线，一根是串行数据线SDA，另一根是串行时钟线SCL。多个符合IIC总线标准的器件都可以通过同一条IIC总线进行通信，而不需要额外的地址译码器。每个连接到总线上的器件都有一个唯一的地址作为识别的标志，都可以发送或接收数据。IIC 总线通信速率受主机控制，标准模式下可达100kbit/s。
一般具有IIC总线的器件其SDA、SCL引脚都为集电极（或漏极）开路结构。因此实际使用时，SDA和SCL信号线必须加3-10K的上拉电阻。总线空闲时均保持高平。IIC总线接法如图2-3所示。

图2-3 IIC总线连接示意图

(1) IIC的主机和从机，发送器和接收器
产生IIC总线时钟信号和起始、停止控制信号的器件，称为主机，被主机寻址的器件称为从机。
任何将数据传送到IIC总线的器件称为发送器，任何从IIC总线接收数据的器件称为接收器。
主机和从机都可作为发送数据器件和接收数据器件。

(2) IIC 总线上数据的有效性：
时钟线SCL为高电平时，数据线SDA的任何电平变化将被看作总线的起始或停止信号；
在数据传送过程中，当时钟线SCL为高电平时，数据线SDA必须保持稳定状态，不允许有跳变；数据线SDA的状态只能在SCL低电平期间才能改变。即进行串行传送数据时，在SCL高电平期间传送位数据，低电平期间准备数据。

(3) 从机地址
IIC总线不需要额外的片选信号或地址译码。多个IIC总线接口器件可连接到一条IIC总线上，它们之间通过地址来区分。主机是主控制器件，只有一个主机的不需要地址。其它器件均为从机，均有器件地址，但必须保证同一条IIC总线上的器件地址不能重复。一般从机地址由7位地址位和1位读写位组成，地址位为高7位，读写位为最低位。读写位为0时，表示主机将向从机写入数据；读写位为1时，表示主机将要从从机读取数据。

(4) IIC 总线的通信时序
IIC 总线的通信时序如图2-4所示。

图2-4 IIC 总线的通信时序

SCL线为高电平期间，SDA线由高电平 SCL线为高电平期间，SDA线由低电平
向低电平的变化表示起始信号，如图2-5 向高电平的变化表示终止信号，如图2-6

图2-5 IIC起始信号 图2-6 IIC终止信号
① 首先主机发送一个起始信号。当时钟线SCL处于高电平期间，数据线SDA电平从高到低的跳变形成IIC总线的起始信号，启动IIC总线。
② 主机逐位发送7位（高位在前，低位在后）从机地址和1位读写控制信号，共8位。需8个时钟。
③ 与传送地址一致的从机发应答信号（ACK）。在第9个时钟周期时将SDA线拉低表示其已收到一个8位数据。若在第9个时钟周期，SDA为高电平时为非应答。
④ 开始传送数据，传送数据数量不限。每个字节（8位）后紧跟1个接收器件发出的应答位。若是主机读取从机数据时，从机发送数据，主机发应答位；若是主机写数据到从机时，主机发送数据，从机发应答位。
⑤ 数据传输结束时，主机发送1个停止信号，当时钟线SCL为高电平时，数据线SDA由低电平变为高电平时形成终止信号，停止IIC总线通信。

(5) 数据传输基本格式如表2-1。

表2-1 IIC总线数据传输基本格式
S A7~A1 R/W ACK D7~D0 ACK D7~D0 ASK P
起始位 7位
地址 0：写
1：读
应
答
位 8位
数据 应答位 8位
数据 … 应答位
0：应答
1：非应答 停
止
位
其中S、A7-A1、R/W、P总是由主机产生；写数据时，ACK由从机产生，D7-D0由主机产生；读数据时，ACK由主机产生，D7-D0由从机产生。
(6) 总线空闲
IIC总线空闲的时候,两条线SDA和SCL都是高电平。
接收器件收到一个完整的数据字节后，有可能需要完成一些其它工作，如处理内部中断服务等，可能无法立刻接收下一个字节，这时接收器件可以将SCL线拉成低电平，从而使主机处于等待状态。直到接收器件准备好接收下一个字节时，再释放SCL线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行。
2.2.1.2 IIC总线器件AT24C02
AT24C02 是一个2K位的串行CMOS型 E2PROM,内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功能。该器件通过IIC总线接口进行操作，其引脚如图2-7所示，各引脚功能见表2-2。

图2-7 AT24C02引脚图

表2-2 AT24C02引脚功能说明
管脚名称 功能说明
SCL AT24C02 串行时钟输入管脚。用于产生器件所有数据发送或接收的时钟，是输入管脚。
SDA 双向串行数据/地址管脚。用于器件所有数据的发送或接收，SDA 是一个开漏输出管脚可与其它开漏输出或集电极开路输出进行线或wire-OR。
WP 写保护。当WP 脚连接到Vcc ，所有内存变成写保护只能读；当WP 引脚连接到Vss 或悬空，允许器件进行读/写操作。
A0 A1 A2 器件地址输入。这些管脚为硬连线或者不连接，对于单总线系统最多可寻址4 个AT24C02器件。当这些引脚没有连接时其默认值为0。
VSS 电源地
VCC 1.8-6V
AT24C02的器件地址见表2-3
型号 控制码 片选 读写 总线访问的器件
AT24C02 1010 A2A1A0 1/0 最多8个
表2-3 AT24C02器件地址
主器件每次传送的信息的第一个字节必须是器件地址码，第二个字节为器件单元地址，用于实现选择所操作的器件的内部单元，从第三个字节开始为传送的数据。
从器件在接收到起始条件后，每接收一个地址编码或数据后都会回送一个低电平的应答信号。IIC器件地址码格式见表2-4
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
器件类型码 片选 R/W
表2-4 器件地址码格式

图2-8 单个AT24C02连接电路图

2.2.1.3 对AT24C02的读写过程
(1) 向AT24C02某一存储单元写入1个字节数据，过程如下：
① 主机发送一个起始信号，启动发送过程；
② 主机发送7 位从机地址和1位写控制位；
③ 从机发应答位。在主机发送起始信号和从机地址字节后࿰