一种单片机IO口的扩展电路及其扩展方法

技术领域

本发明涉及控制电路技术领域，尤其涉及一种单片机IO口的扩展电路及其扩展方法。

背景技术

目前，按键、拨码开关、BCD码开关等开关元器件作为电子产品人机交互中常用的控制元件。当某一产品上的开关数量较多时，对单片机I/O 口数量要求越高。单片机I/O口数量越多，芯片体积越大、成本越高。

现有技术中的单片机扩展I/O口的方法主要有以下三种：

第一种方法，通过电阻分压，然后利用单片机的ADC端口读取不同的电阻值，例如中国专利CN201698195U提供的一种单片机IO口的扩展电路，这种方法的缺点主要有三个：单片机应用中要有多余的ADC口；每个ADC口控制的按键数量越多分压电阻取值越难；当有多个按键同时按下时，区分起来更加困难。

第二种方法，通过扩展芯片扩展单片机I/O口，例如中国专利CN201820221U提供的一种单片机的I/O接口扩展电路，这种方法虽然可以满足要求，但是这种方法随着被控开关数量的增多扩展芯片占用PCB的空间就越多，给PCB板布局、布线增加了难度。

第三种方法，通过按键矩阵检测按键，这是一种较为经济的扩展单片机I/O口的方法，但是该方法不适用于一直保持在导通状态的开关，如拨码开关、BCD码开关。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种单片机IO口的扩展电路及其扩展方法，在拨码开关、BCD码开关、按键等多开关混搭电路中，有效减少单片机I/O的数量，而且PCB板的布局、布线简单，一定程度上节约了PCB板空间、降低了产品成本。

本发明的目的是这样实现的：

一种单片机IO口的扩展电路，它包括MCU电路、BCD码开关SK1、拨码开关SW1、按键KEY1~KEY4、PNP型三极管Q1~Q8和滤波电容C1~C12，所述MCU电路包括微控制器芯片IC1，所述微控制器芯片与各个开关元件：BCD码开关SK1、拨码开关SW1以及按键KEY1~KEY4的一端连接，上述开关元件的另一端连接到各个三极管上，三极管连接至微控制器芯片的I/O口；所述BCD码开关SK1、拨码开关SW1、按键SW1的状态由外部人员操作状态不定，PNP型三极管用于扩展单片机I/O口，通过控制PNP三极管基电压来实现开关状态的判断。

进一步地，所述BCD码开关SK1的内部公共触点：KEYA口连接滤波电容C1，滤波电容C1接地，所述BCD码开关的4个管脚分别为Q11、Q12、Q13和Q14；所述拨码开关SW1的内部公共触点：KEYB口连接滤波电容C2，滤波电容C3接地，所述拨码开关SW1的8位开关分别为Q21、Q22、Q23、Q24、Q25、Q26、Q27和Q28；所述按键KEY1~KEY4连接MCU电路的一端为公共触点：KEYC口连接滤波电容C12，滤波电容C12接地，按键KEY1~KEY4的另一端分别为Q31~Q34。

进一步地，所述PNP型三极管Q1的发射极连接BCD码开关SK1的Q11端，集电极连接拨码开关SW1的Q21端，基极连接Port1口，通过Port1口连接滤波电容C3；所述PNP型三极管Q2的发射极连接BCD码开关SK1的Q12端，集电极连接拨码开关SW1的Q22端，基极连接Port2口，通过Port2口连接滤波电容C4；所述PNP型三极管Q3的发射极连接BCD码开关SK1的Q13端，集电极连接拨码开关SW1的Q23端，基极连接Port3口，通过Port3口连接滤波电容C5；所述PNP型三极管Q4的发射极连接BCD码开关SK1的Q14端，集电极连接拨码开关SW1的Q24端，基极连接Port4口，通过Port4口连接滤波电容C6；所述PNP型三极管Q5的发射极连接拨码开关SW1的Q25端，集电极连接按键KEY1的Q31端，基极连接Port5口，通过Port5口连接滤波电容C8；所述PNP型三极管Q6的发射极连接拨码开关SW1的Q26端，集电极连接按键KEY2的Q32端，基极连接Port6口，通过Port6口连接滤波电容C9；所述PNP型三极管Q7的发射极连接拨码开关SW1的Q27端，集电极连接按键KEY3的Q33端，基极连接Port7口，通过Port7口连接滤波电容C10；所述PNP型三极管Q8的发射极连接拨码开关SW1的Q28端，集电极连接按键KEY4的Q34端，基极连接Port8口，通过Port8口连接滤波电容C11。

进一步地，所述MCU电路包括微控制器芯片IC1、电容C16、电容C17和晶振AXTL1，电容C16和电容C17并联并分别与晶振AXTL1串联后接入微控制器芯片IC1，为微控制器芯片IC1提供了基本的时钟信号。

进一步地，所述MCU电路还包括电容C13、C14和C15，电容C13、C14和C15并联，为微控制器芯片IC1的供电电源及输入信号进行滤波。

进一步地，所述MCU电路还包括电容C20、电容C21、电阻R1和电阻R2，电容C20和电容C21并联后与电阻R2串联，并连接微控制器芯片IC1，微控制器芯片IC1还连接电阻R1，电阻R1和电阻2起到上拉的作用。

一种单片机IO口的扩展电路的扩展方法，包括以下内容：

步骤一、将单片机KEYA~KEYC的I/O口配置为上拉输入，即KEYA~KEYC口为高电平，将Port1~Port8口配置为推挽输出；

步骤二、对Port1口写入低电平，Port2~Port8口写高电平，读取KEYA~KEYC口的状态；Port1口控制PNP三极管Q1的基极电平，在对Port1口写低电平时，可以读到与Q1三极管集电极、发射极连接的开关引脚状态；

步骤三、对Port2口写入低电平，Port1、Port3~Port8口写高电平，读取KEYA~KEYC口的状态，Port2口控制PNP三极管Q2的基极电平，在对Port2口写低电平时，可以读到与Q2三极管集电极、发射极连接的开关引脚状态；

步骤四、对Port3口写入低电平，Port1、Port2、Port4~Port8口写高电平，读取KEYA~KEYC口的状态，Port3口控制PNP三极管Q3的基极电平，在对Port3口写低电平时，可以读到与Q3三极管集电极、发射极连接的开关引脚状态；

步骤五、对Port4口写入低电平，Port1~Port3、Port5~Port8口写高电平，读取KEYA~KEYC口的状态，Port4口控制PNP三极管Q4的基极电平，在对Port4口写低电平时，可以读到与Q4三极管集电极、发射极连接的开关引脚状态；

步骤六、对Port5口写入低电平，Port1~Port4、Port6~Port8口写高电平，读取KEYA~KEYC口的状态并保存，Port5口控制PNP三极管Q5的基极电平，在对Port5口写低电平时，可以读到与Q5三极管集电极、发射极连接的开关引脚状态；

步骤七、对Port6口写入低电平，Port1~Port5、Port7~Port8口写高电平，读取KEYA~KEYC口的状态，Port6口控制PNP三极管Q6的基极电平，在对Port6口写低电平时，可以读到与Q6三极管集电极、发射极连接的开关引脚状态；

步骤八、对Port7口写入低电平，Port1~Port6、Port8口写高电平，读取KEYA~KEYC口的状态，Port7口控制PNP三极管Q7的基极电平，在对Port7口写低电平时，可以读到与Q7三极管集电极、发射极连接的开关引脚状态；

步骤九、对Port8口写入低电平，Port1~Port7口写高电平，读取KEYA~KEYC口的状态，Port8口控制PNP三极管Q8的基极电平，在对Port8口写低电平时，可以读到与Q8三极管集电极、发射极连接的开关引脚状态。

进一步地，步骤二~步骤九的判断方法为，对Port“n”口写入低电平，其余Port口写高电平，读到Q“n”三极管集电极、发射极连接的开关引脚状态；若Q“n”三极管的发射极与对应开关元件的内部公共触点断开，则该公共触点口为高电平，反之接通为低电平；同样的，若Q“n”三极管的集电极与对应开关元件的内部公共触点断开，则该公共触点口为高电平，反之接通为低电平。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的MCU电路采用MCU微控制器芯片，MCU微控制器与开关元件(按键、拨码开关、BCD码开关)一端连接，开关器件另一端连接到三级管上，三极管再连接到MCU微控制器芯片的I/O口，本发明的扩展电路可灵活搭配各种开关控件使用，可减少单片机I/O口数量，在一定程度上降低了产品成本，本发明的方法占用PCB空间少，PCB布局、布线简单；本发明的方法控制程序简单，可根据开关数量灵活调整。

附图说明

图1为本发明的电路结构图。

图2为本发明的MCU的电路原理图。

图3为本发明的方法流程图。

具体实施方式

为更好地理解本发明的技术方案，以下将结合相关图示作详细说明。应理解，以下具体实施例并非用以限制本发明的技术方案的具体实施态样，其仅为本发明技术方案可采用的实施态样。需先说明，本文关于各组件位置关系的表述，如A部件位于B部件上方，其系基于图示中各组件相对位置的表述，并非用以限制各组件的实际位置关系。

实施例1：

参见图1-图2，图1绘制了本发明的电路结构示意图。如图所示，本发明涉及的一种单片机IO口的扩展电路，它包括MCU电路、BCD码开关SK1、8位拨码开关SW1、按键KEY1~KEY4、PNP型三极管Q1~Q8和滤波电容C1~C12，所述MCU电路包括微控制器芯片IC1，所述微控制器芯片与各个开关元件：BCD码开关SK1、拨码开关SW1以及按键的一端连接，上述开关元件的另一端连接到各个三极管上，三极管连接至微控制器芯片的I/O口；上述BCD码开关、拨码开关、按键状态由外部人员操作状态不定，PNP型三极管用于扩展单片机I/O口，通过控制PNP三极管基电压来实现开关状态的判断。

所述BCD码开关SK1的内部公共触点：KEYA口连接滤波电容C1，滤波电容C1接地，所述BCD码开关的4个管脚分别为Q11、Q12、Q13和Q14；所述拨码开关SW1的内部公共触点：KEYB口连接滤波电容C2，滤波电容C3接地，所述拨码开关SW1的8位开关分别为Q21、Q22、Q23、Q24、Q25、Q26、Q27和Q28；所述按键KEY1~KEY4连接MCU电路的一端为公共触点：KEYC口连接滤波电容C12，滤波电容C12接地，按键KEY1~KEY4的另一端分别为Q31~Q34。

所述PNP型三极管Q1的发射极连接BCD码开关SK1的Q11端，集电极连接拨码开关SW1的Q21端，基极连接Port1口，通过Port1口连接滤波电容C3；所述PNP型三极管Q2的发射极连接BCD码开关SK1的Q12端，集电极连接拨码开关SW1的Q22端，基极连接Port2口，通过Port2口连接滤波电容C4；所述PNP型三极管Q3的发射极连接BCD码开关SK1的Q13端，集电极连接拨码开关SW1的Q23端，基极连接Port3口，通过Port3口连接滤波电容C5；所述PNP型三极管Q4的发射极连接BCD码开关SK1的Q14端，集电极连接拨码开关SW1的Q24端，基极连接Port4口，通过Port4口连接滤波电容C6；所述PNP型三极管Q5的发射极连接拨码开关SW1的Q25端，集电极连接按键KEY1的Q31端，基极连接Port5口，通过Port5口连接滤波电容C8；所述PNP型三极管Q6的发射极连接拨码开关SW1的Q26端，集电极连接按键KEY2的Q32端，基极连接Port6口，通过Port6口连接滤波电容C9；所述PNP型三极管Q7的发射极连接拨码开关SW1的Q27端，集电极连接按键KEY3的Q33端，基极连接Port7口，通过Port7口连接滤波电容C10；所述PNP型三极管Q8的发射极连接拨码开关SW1的Q28端，集电极连接按键KEY4的Q34端，基极连接Port8口，通过Port8口连接滤波电容C11。

所述MCU电路包括微控制器芯片IC1、电容C13~C17、电容C20、电容C21、晶振AXTL1、电阻R1和电阻R2，电容C13、C14和C15并联，为微控制器芯片IC1的供电电源及输入信号进行滤波；电容C16和电容C17并联并分别与晶振AXTL1串联后接入微控制器芯片IC1，为微控制器芯片IC1提供了基本的时钟信号；电容C20和电容C21并联后与电阻R2串联，并连接微控制器芯片IC1，微控制器芯片IC1还连接电阻R1，电阻R1和电阻2起到上拉的作用。

参见图3，图3绘制了本发明的流程示意图。如图所示，上述一种单片机IO口的扩展电路的扩展方法，包括以下内容：

步骤一、将单片机KEYA~KEYC的I/O口配置为上拉输入，即KEYA~KEYC口为高电平，将Port1~Port8口配置为推挽输出。

步骤二、对Port1口写入低电平，Port2~Port8口写高电平，读取KEYA~KEYC口的状态；Port1口控制PNP三极管Q1的基极电平，在对Port1口写低电平时，可以读到与Q1三极管集电极、发射极连接的开关引脚状态；

具体判断方法如下：

1、若BCD码开关SK1内部公共触点KEYA口与Q11断开，拨码开关SW1公共触点KEYB口与Q21断开，则三极管Q1不工作，即KEYA、KEYB口都为高电平；

2、若BCD码开关SK1内部公共触点KEYA口与Q11断开，拨码开关SW1公共触点KEYB口与Q21接通，PNP三极管Q1发射极断开，集电极与基极间的PN结正向导通，即KEYA为高电平，KEYB口为低电平；

3、若BCD码开关SK1内部公共触点KEYA口与Q11接通，拨码开关SW1公共触点KEYB口与Q21断开，三极管Q1的发射极导通、集电极断开，即KEYA为低电平，KEYB口为高电平；

4、若BCD码开关SK1内部公共触点KEYA口与Q11接通，拨码开关SW1公共触点KEYB口与Q21接通，此时PNP三极管Q1的发射极正偏，集电极与基极间的PN结正向导通，即KEYA、KEYB口都为低电平。

步骤三、对Port2口写入低电平，Port1、Port3~Port8口写高电平，读取KEYA~KEYC口的状态，Port2口控制PNP三极管Q2的基极电平，在对Port2口写低电平时，可以读到与Q2三极管集电极、发射极连接的开关引脚状态；

具体判断方法如下：

1、若BCD码开关SK1内部公共触点KEYA口与Q12断开，拨码开关SW1公共触点KEYB口与Q22断开，则三极管Q2不工作，即KEYA、KEYB口都为高电平；

2、若BCD码开关SK1内部公共触点KEYA口与Q12断开，拨码开关SW1公共触点KEYB口与Q22接通，PNP三极管Q2发射极断开，集电极与基极间的PN结正向导通，即KEYA为高电平，KEYB口为低电平；

3、若BCD码开关SK1内部公共触点KEYA口与Q12接通，拨码开关SW1公共触点KEYB口与Q22断开，三极管Q2的发射极导通、集电极断开，即KEYA为低电平，KEYB口为高电平；

4、若BCD码开关SK1内部公共触点KEYA口与Q12接通，拨码开关SW1公共触点KEYB口与Q22接通，此时PNP三极管Q2的发射极正偏，集电极与基极间的PN结正向导通，即KEYA、KEYB口都为低电平。

步骤四、对Port3口写入低电平，Port1、Port2、Port4~Port8口写高电平，读取KEYA~KEYC口的状态，Port3口控制PNP三极管Q3的基极电平，在对Port3口写低电平时，可以读到与Q3三极管集电极、发射极连接的开关引脚状态；

具体判断方法如下：

1、若BCD码开关SK1内部公共触点KEYA口与Q13断开，拨码开关SW1公共触点KEYB口与Q23断开，则三极管Q3不工作，即KEYA、KEYB口都为高电平；

2、若BCD码开关SK1内部公共触点KEYA口与Q13断开，拨码开关SW1公共触点KEYB口与Q23接通，PNP三极管Q3发射极断开，集电极与基极间的PN结正向导通，即KEYA为高电平，KEYB口为低电平；

3、若BCD码开关SK1内部公共触点KEYA口与Q13接通，拨码开关SW1公共触点KEYB口与Q23断开，三极管Q3的发射极导通、集电极断开，即KEYA为低电平，KEYB口为高电平；

4、若BCD码开关SK1内部公共触点KEYA口与Q13接通，拨码开关SW1公共触点KEYB口与Q23接通，此时PNP三极管Q3的发射极正偏，集电极与基极间的PN结正向导通，即KEYA、KEYB口都为低电平。

步骤五、对Port4口写入低电平，Port1~Port3、Port5~Port8口写高电平，读取KEYA~KEYC口的状态，Port4口控制PNP三极管Q4的基极电平，在对Port4口写低电平时，可以读到与Q4三极管集电极、发射极连接的开关引脚状态；

具体判断方法如下：

1、若BCD码开关SK1内部公共触点KEYA口与Q14断开，拨码开关SW1公共触点KEYB口与Q24断开，则三极管Q4不工作，即KEYA、KEYB口都为高电平；

2、若BCD码开关SK1内部公共触点KEYA口与Q14断开，拨码开关SW1公共触点KEYB口与Q24接通，PNP三极管Q4发射极断开，集电极与基极间的PN结正向导通，即KEYA为高电平，KEYB口为低电平；

3、若BCD码开关SK1内部公共触点KEYA口与Q14接通，拨码开关SW1公共触点KEYB口与Q24断开，三极管Q4的发射极导通、集电极断开，即KEYA为低电平，KEYB口为高电平；

4、若BCD码开关SK1内部公共触点KEYA口与Q14接通，拨码开关SW1公共触点KEYB口与Q24接通，此时PNP三极管Q4的发射极正偏，集电极与基极间的PN结正向导通，即KEYA、KEYB口都为低电平。

步骤六、对Port5口写入低电平，Port1~Port4、Port6~Port8口写高电平，读取KEYA~KEYC口的状态并保存，Port5口控制PNP三极管Q5的基极电平，在对Port5口写低电平时，可以读到与Q5三极管集电极、发射极连接的开关引脚状态；

具体判断方法如下：

1、若拨码开关SW1的公共触点KEYB口与Q25断开，按键KEY1的公共触点KEYC口与Q31断开，则三极管Q5不工作，即KEYB、KEYC口都为高电平；

2、若拨码开关SW1的公共触点KEYB口与Q25断开，按键KEY1的公共触点KEYC口与Q31接通，PNP三极管Q5发射极断开，集电极与基极间的PN结正向导通，即KEYB为高电平，KEYC口为低电平；

3、若拨码开关SW1的公共触点KEYB口与Q25接通，按键KEY1的公共触点KEYC口与Q31断开，三极管Q5的发射极导通、集电极断开，即KEYB为低电平，KEYC口为高电平；

4、若拨码开关SW1的公共触点KEYB口与Q25接通，按键KEY1的公共触点KEYC口与Q31接通，此时PNP三极管Q5的发射极正偏，集电极与基极间的PN结正向导通，即KEYB、KEYC口都为低电平。

步骤七、对Port6口写入低电平，Port1~Port5、Port7~Port8口写高电平，读取KEYA~KEYC口的状态，Port6口控制PNP三极管Q6的基极电平，在对Port6口写低电平时，可以读到与Q6三极管集电极、发射极连接的开关引脚状态；

具体判断方法如下：

1、若拨码开关SW1的公共触点KEYB口与Q26断开，按键KEY2的公共触点KEYC口与Q32断开，则三极管Q6不工作，即KEYB、KEYC口都为高电平；

2、若拨码开关SW1的公共触点KEYB口与Q26断开，按键KEY2的公共触点KEYC口与Q32接通，PNP三极管Q6发射极断开，集电极与基极间的PN结正向导通，即KEYB为高电平，KEYC口为低电平；

3、若拨码开关SW1的公共触点KEYB口与Q26接通，按键KEY2的公共触点KEYC口与Q32断开，三极管Q6的发射极导通、集电极断开，即KEYB为低电平，KEYC口为高电平；

4、若拨码开关SW1的公共触点KEYB口与Q26接通，按键KEY2的公共触点KEYC口与Q32接通，此时PNP三极管Q6的发射极正偏，集电极与基极间的PN结正向导通，即KEYB、KEYC口都为低电平。

步骤八、对Port7口写入低电平，Port1~Port6、Port8口写高电平，读取KEYA~KEYC口的状态，Port7口控制PNP三极管Q7的基极电平，在对Port7口写低电平时，可以读到与Q7三极管集电极、发射极连接的开关引脚状态；

具体判断方法如下：

1、若拨码开关SW1的公共触点KEYB口与Q27断开，按键KEY3的公共触点KEYC口与Q33断开，则三极管Q7不工作，即KEYB、KEYC口都为高电平；

2、若拨码开关SW1的公共触点KEYB口与Q27断开，按键KEY3的公共触点KEYC口与Q33接通，PNP三极管Q7发射极断开，集电极与基极间的PN结正向导通，即KEYB为高电平，KEYC口为低电平；

3、若拨码开关SW1的公共触点KEYB口与Q27接通，按键KEY3的公共触点KEYC口与Q33断开，三极管Q7的发射极导通、集电极断开，即KEYB为低电平，KEYC口为高电平；

4、若拨码开关SW1的公共触点KEYB口与Q27接通，按键KEY3的公共触点KEYC口与Q33接通，此时PNP三极管Q7的发射极正偏，集电极与基极间的PN结正向导通，即KEYB、KEYC口都为低电平。

步骤九、对Port8口写入低电平，Port1~Port7口写高电平，读取KEYA~KEYC口的状态，Port8口控制PNP三极管Q8的基极电平，在对Port8口写低电平时，可以读到与Q8三极管集电极、发射极连接的开关引脚状态；

具体判断方法如下：

1、若拨码开关SW1的公共触点KEYB口与Q28断开，按键KEY4的公共触点KEYC口与Q34断开，则三极管Q8不工作，即KEYB、KEYC口都为高电平；

2、若拨码开关SW1的公共触点KEYB口与Q28断开，按键KEY4的公共触点KEYC口与Q34接通，PNP三极管Q8发射极断开，集电极与基极间的PN结正向导通，即KEYB为高电平，KEYC口为低电平；

3、若拨码开关SW1的公共触点KEYB口与Q28接通，按键KEY4的公共触点KEYC口与Q34断开，三极管Q8的发射极导通、集电极断开，即KEYB为低电平，KEYC口为高电平；

4、若拨码开关SW1的公共触点KEYB口与Q28接通，按键KEY4的公共触点KEYC口与Q34接通，此时PNP三极管Q8的发射极正偏，集电极与基极间的PN结正向导通，即KEYB、KEYC口都为低电平。

开关SW1公共触点(KEYB口)与图1中“Q28”通断状态和按键KEY4(KEYC口)与图1中“Q34”通断状态。第一轮所有开关的状态已判断读取结束。返回到步骤2）继续执行可进入下一轮开关状态的判断。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。