單片機是一種可編程器件，在各種消費類電子、工業電子、汽車電子等行業應用廣泛，目前開發產品的構架就是以單片機為核心，根據不同的功能搭建不同的外設電路。同樣的功能，每個人、每個團隊所做的技術方案都不會相同，但是單片機加外設的構架不會變。足可以看出單片機在電子設計中的重要性。

1-華為榮耀體脂秤電路板-芯海的單片機

在設計單片機電路的過程中，往往會遇到這種情況：單片機的GPIO口不夠用，但是又不是缺很多，如果要更換更多引腳的單片機可能會貴一些，如果是老產品的話，還要涉及到代碼的移植，比較方法。有沒有擴展方法？答案是肯定的。

有很多的芯片都可以實現單片機GPIO口的擴展功能，下面和大家分析幾種常用的擴展方法。

1.輸入擴展1-矩陣按鍵

對于單片機的按鍵輸入，大學課程里有專門的講解，按鍵輸入可以分為獨立式按鍵和矩陣式按鍵兩類。獨立式按鍵占用單片機IO口比較嚴重，而矩陣式按鍵就是利用較少的IO口實現較多的按鍵檢測，也屬于GPIO口擴展的范疇。

2-輸入擴展-矩陣式按鍵

上圖中(上拉電阻為畫出)，就是利用了單片機的八個GPIO口，擴展了4×4的矩陣式按鍵。四行鍵盤分別連接單片機的4個IO口，四列鍵盤分別連接單片機的另外4個IO口，總共占用了8個IO口，擴展出16個按鍵輸入。

矩陣式按鍵的工作原理

在編程時一般采用掃描的方式，先將列設置為輸入狀態，將列設置為輸出狀態，并依次輸出低電平，此時依次掃描列的輸入狀態，如果檢測到低電平則說明有按鍵按下并記錄狀態，否則無按鍵事件發生。再將行設置為輸入狀態，將列設置為輸出狀態，并依次輸出低電平，此時依次掃描行的輸入狀態，如果檢測到低電平則說明有按鍵按下并記錄狀態，否則無按鍵事件發生。經過以上兩次判斷，就可以得出是否有按鍵發生，并可確定出按鍵的編號。

矩陣式按鍵的優缺點分析

矩陣式按鍵可以實現單片機IO口的擴展，但是只能用作輸入，如果占用7個IO，可以擴展處3×4的矩陣。但是其缺點非常明顯，程序需要不停的掃描端口的狀態，比較浪費單片機的資源，實時性效率較低。4×4按鍵的實物圖如下圖所示。

3-矩陣式按鍵-實物圖

2.輸入擴展2-電阻采樣型擴展

采用單片機的AD采樣功能也可以實現輸入按鍵的擴展，通過設置不同的電阻，按下鍵時，單片機采到不同的電壓值，由此來識別按鍵。這種擴展形式有兩種方法可以實現：電阻并聯型和電阻串聯型。

電阻并聯型擴展按鍵的實現原理

通過電阻分壓的原理，每個按鍵和一個不同阻值的電阻串聯，再并聯后和一個定值電阻串聯，公共點接到單片機的AD采樣端口。設置后電阻，以區分不同的分壓值，使每個按鍵按下后，所得到的電壓值都不同，單片機采集該電壓就可以確定按鍵的編號。電阻并聯型按鍵的原理圖如圖4所示。

4-電阻并聯型擴展輸入

另一種方式就是電阻串聯型，前一個電阻依次和后邊的電阻串聯，按下鍵后所有的電阻都參與分壓，該種方式的電路原理圖如圖5所示。

5-電阻串聯型擴展輸入

電阻采樣型擴展方法的優缺點分析

這種方式的最大優點就是通過一個AD采樣口就可以實現多個按鍵的輸入，價格便宜。但是缺點太明顯：1)接入的按鍵越多，對AD采樣的結果要求越精準；2)不能接入過多的按鍵，因為必須要計算電阻的阻值，必須保證，每個按鍵動作都有不同的電壓值可以區分；3)多于兩個的按鍵同時按下時較難區分，既要考慮單個按鍵發生時的電壓值，又要考慮多個按鍵時的電壓值，導致電阻值難以設計。

3.輸入/輸出擴展3-邏輯芯片實現

74系列邏輯芯片非常經典，而且功能強大，也可以實現對單片機IO口的擴展。常用的擴展芯片有74HC138、74HC165、74HC595、74HC164、74HC148等。這類數字芯片可以使用較少的單片機IO，即可實現多路輸入或者多路輸出，但是需要根據芯片的時序圖或者真值表進行編程。

邏輯芯片實現擴展輸出

以74HC164為例，介紹如何通過邏輯芯片實現單片機IO口的擴展輸出，74HC164是串入并出的移位寄存器，占用單片機3個IO口就可以實現8個IO口的輸出。與該芯片類似的芯片是74HC595，該芯片是帶鎖存的移位寄存器，并且可以級聯擴展，即通過3個IO口就能實現多個八路輸出的擴展。典型電路原理圖 如6所示。

6-數字芯片實現輸出擴展

邏輯芯片實現擴展輸入

以74HC165為例，介紹如何通過邏輯芯片實現輸入擴展，74HC165是并入串出的移位寄存器，單片74HC165可以擴展8路輸入，只需要占用單片機3個IO口。并且可以級聯，實現多個8路輸入的擴展。典型的74HC165的擴展電路圖如下圖所示。

7-數字芯片實現輸入擴展

邏輯芯片實現擴展的優缺點分析

邏輯芯片實現輸入輸出IO口的擴展時，其硬件電路非常簡單，電路原理非常清晰，關鍵是價格非常便宜，國產邏輯芯片價格只有幾毛錢。其稍微復雜的地方是真值表和時序圖。以上介紹的邏輯芯片都是需要通過編程來實現擴展的，程序雖然不復雜，但如果是第一次使用，可能需要費一番功夫的。

4.模擬口的擴展-多路選擇開關實現

在設計產品的時候，可能要用到多路AD采樣端口，如實現多路PT100溫度采樣。單片機雖然有多路AD采樣通道，但是多通道的AD采樣在程序的時序上稍微復雜，或者所剩與AD口不足，這時候就要擴展，對于采樣類擴展選用多路選擇開關是一個不錯的選擇。以HCF4051為例介紹。

單片機使用三個IO口作為HCF4051的通道選擇控制端，一個AD采樣口接第3引腳，可以實現8路模擬量的采集。其實現電路原理圖如圖8所示。

8-模擬口的擴展

除了用這種多路選擇開關實現外，還可以使用專用的模擬量擴展芯片，如ADS1015，這類芯片即可以作為四通道的單端采樣使用，又可以當作兩通道的差分采樣使用，其與單片機的接口為IIC接口。

模擬口擴展的優缺點分析

使用4051之類的多路選擇開關，雖然只占用一個AD采樣口，但是只能使用多路輪詢的方式采集每一個通道，導致采樣周期過長，而且采樣的時序不好控制；采用ADS1015類的采樣芯片，由于是通過IIC與單片機通訊的，所以采樣時許容易控制，但是價格比較貴。

電子設計的特點就是實現同一個功能的技術方案有很多，每個人的方案可能都不一樣，在擴展IO時，每個人使用的方法也不一樣，以上只是一個簡單的總結，還有很多的方法沒有總結到。如果大家有其他的方法可以留言討論。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的hc05与单片机连接图_单片机科普：单片机的IO口不够用了怎么办？如何扩展单片机的IO口...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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