简单介绍单片机IO扩展

学单片机的小伙伴们都知道，单片机的io口数量都是固定的，在做项目的时候，需要根据自己实际用到的io数量，再综合考虑一下单片机自带的硬件资源，我们会选择不同封装的单片机。然而，当所需要用到的io口数量大于该品牌单片机最大io口数量的又怎么办呢？也许有人会说，换别的品牌的单片机不就好了，比如，总所周知，stc单片机最大的封装是64脚的，出去两个电源引脚，最大io口数量可以达到62个，然而，假如我在一个项目中要用到80个io口怎么办？直接上stm32啊！没错，确实可以用stm32来做，但是，并不是所有会用51单片机的人都能轻轻松松上手stm32来做项目，比如像笔者这样的，用惯了stc的单片机，如果突然让我用stm32来替代stc单片机的位置，还是需要花不少时间来研究。
基于上述原因，很多人自然会想到了io口扩展！当然，io扩展有很多种方式，比如，用74系列的74hc138（三八译码器），只需要3个io口就可以扩展成8个输入口：
另外，74hc595、74hc164同样也可以用少量io口扩展成更多的io口，而且支持级联，也是一种不错的选择：
当然，也有并联扩展方案，比如，用74hc244和74hc273，共用8位数据口，通过在不同时刻控制每个芯片的使能端，便可以获得当前输入口状态或控制当前输出：
笔者曾经初学的时候，就用了74hc138+74hc244+74hc273的方案做了一款板子，虽然说使用上没多大问题，但是，在布线的时候，还是感觉到了这种方案的不足之处：
由于笔者比较懒，而且项目中对于这种io扩展确实用到的比较少，所以也没有进一步去研究，直到前段时间，笔者的一位朋友跟我提出了一个需求，就是想用51单片机做个板子，尽可能多的扩展io，因为他想用这个板子在做多机通信，既能做从机又能做主机，而主机上用到的按钮和指示灯比较多，所以可能需要总共一百多个输入输出。笔者刚开始的时候，有两种方案，一是用曾经做过的板子，稍加改动一下来做，例程也有现成的，程序写起来也简单；二是直接用stm32来做。第一种方案的话，要说可行的确实也能用，但是总感觉不是很理想。对于第二种方案，笔者也是可以上手stm32的，选个100脚，甚至144脚、176脚的单片机，做一些io控制、串口通信问题不大。但是，前提是，我那朋友用51单片机都有点吃力，更别说让他用stm32单片机了，而且，我虽然对stm32的使用没多大问题，但是，真正遇到问题的时候，未免能给他指点太多。思前想后，还是决定再找找看有没有其他的方案！
终于，在某宝上突然看到了两款分别以mcp23017（iic接口）和mcp23s17（spi接口）芯片为控制芯片的扩展板。然后仔细查看了一下这两款芯片的资料，大致如下：
从上面的资料我们可以知道，iic接口的mcp23017只需要两个io口，便可以实现最多16*8=128个io口的扩展，其中，16为每个芯片的最大io口，8为最大地址数量，因为只有3个地址控制位，所以最大只能设置8个地址。另外，由于mcp23017芯片io口的模式可以任意设置为输入或输出模式，所以，我们可以在这扩展的最大的128个io口中，任意搭配出不同的输入口和输出口，再加上51单片机本身的五六十个输入口，那么通过这种扩展方案，可以让控制板最多拥有180多个输入输出口。spi接口的mcp23s17芯片也是类似的效果，只是多占用单片机本身1个io口而已。
在看完芯片资料后，笔者果断买了块小板子回来做测试，卖家也提供了完整的例程，试着根据例程改写了一下，还真是一个不错的io扩展方案。
于是，果断的就决定了用mcp23017这款芯片来做io扩展了。说干就干，没过多久，板子就出来了，给大家分享一下设计的效果图吧，至于原理图其实就很简单了，布线方面也是比之前的方案简单了许多。
主控板效果图
主控板带有以下硬件资源：
l 24路光耦隔离输入
l 20路mos管隔离输出
l 2路0-10v模拟量输入接口
l 1路rs485接口
l 2路rs232接口
l 1路脱机下载接口，同时可外接uart接口的模块
l 1路专门为市面上常用无线模块设计的uart无线模块接口
l 1路iic接口用于io扩展
l 4位拨码开关用于多机通信设置地址
16路输入扩展模块
16路输入扩展模块带有如下资源：
l 16路光耦隔离输入
l 2个iic接口，用于连接多个模块
l 3位拨码开关，用于设置模块地址
16路输出扩展模块
16路输出扩展模块主要有如下资源：
l 16路mos管隔离输出接口
l 2个iic接口，用于连接多个模块
l 3位拨码开关，用于设置模块地址
mcp23017的使用，使得这套控制板，不仅板子布线、元件布局变得接单，扩展的时候外部接线也变得简单很多，而且可以自由搭配输入、输出模块的个数，只需在软件中，根据模块的地址，将模块分别设置成输入或输出模式即可。
好了，关于单片机io扩展的方案就简单介绍到这了，如果您觉得这篇文章对您有帮助，记得点赞和打赏哟……如在使用过程中有任何疑问，也可以向笔者提问或者站内私信，感谢大家的支持。