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
单片机是一种可编程器件，在各种消费类电子、工业电子、汽车电子等行业应用广泛，目前开发产品的构架就是以单片机为核心，根据不同的功能搭建不同的外设电路。同样的功能，每个人、每个团队所做的技术方案都不会相同，但是单片机加外设的构架不会变。足可以看出单片机在电子设计中的重要性。
1-华为荣耀体脂秤电路板-芯海的单片机
在设计单片机电路的过程中，往往会遇到这种情况：单片机的GPIO口不够用，但是又不是缺很多，如果要更换更多引脚的单片机可能会贵一些，如果是老产品的话，还要涉及到代码的移植，比较方法。有没有扩展方法？答案是肯定的。
有很多的芯片都可以实现单片机GPIO口的扩展功能，下面和大家分析几种常用的扩展方法。
1.输入扩展1-矩阵按键
对于单片机的按键输入，大学课程里有专门的讲解，按键输入可以分为独立式按键和矩阵式按键两类。独立式按键占用单片机IO口比较严重，而矩阵式按键就是利用较少的IO口实现较多的按键检测，也属于GPIO口扩展的范畴。
2-输入扩展-矩阵式按键
上图中（上拉电阻为画出），就是利用了单片机的八个GPIO口，扩展了4×4的矩阵式按键。四行键盘分别连接单片机的4个IO口，四列键盘分别连接单片机的另外4个IO口，总共占用了8个IO口，扩展出16个按键输入。
矩阵式按键的工作原理
在编程时一般采用扫描的方式，先将列设置为输入状态，将列设置为输出状态，并依次输出低电平，此时依次扫描列的输入状态，如果检测到低电平则说明有按键按下并记录状态，否则无按键事件发生。再将行设置为输入状态，将列设置为输出状态，并依次输出低电平，此时依次扫描行的输入状态，如果检测到低电平则说明有按键按下并记录状态，否则无按键事件发生。经过以上两次判断，就可以得出是否有按键发生，并可确定出按键的编号。
矩阵式按键的优缺点分析
矩阵式按键可以实现单片机IO口的扩展，但是只能用作输入，如果占用7个IO，可以扩展处3×4的矩阵。但是其缺点非常明显，程序需要不停的扫描端口的状态，比较浪费单片机的资源，实时性效率较低。4×4按键的实物图如下图所示。
3-矩阵式按键-实物图
2.输入扩展2-电阻采样型扩展
采用单片机的AD采样功能也可以实现输入按键的扩展，通过设置不同的电阻，按下键时，单片机采到不同的电压值，由此来识别按键。这种扩展形式有两种方法可以实现：电阻并联型和电阻串联型。
电阻并联型扩展按键的实现原理
通过电阻分压的原理，每个按键和一个不同阻值的电阻串联，再并联后和一个定值电阻串联，公共点接到单片机的AD采样端口。设置后电阻，以区分不同的分压值，使每个按键按下后，所得到的电压值都不同，单片机采集该电压就可以确定按键的编号。电阻并联型按键的原理图如图4所示。
4-电阻并联型扩展输入
另一种方式就是电阻串联型，前一个电阻依次和后边的电阻串联，按下键后所有的电阻都参与分压，该种方式的电路原理图如图5所示。
5-电阻串联型扩展输入
电阻采样型扩展方法的优缺点分析
这种方式的最大优点就是通过一个AD采样口就可以实现多个按键的输入，价格便宜。但是缺点太明显：1)接入的按键越多，对AD采样的结果要求越精准；2)不能接入过多的按键，因为必须要计算电阻的阻值，必须保证，每个按键动作都有不同的电压值可以区分；3)多于两个的按键同时按下时较难区分，既要考虑单个按键发生时的电压值，又要考虑多个按键时的电压值，导致电阻值难以设计。
3.输入/输出扩展3-逻辑芯片实现
74系列逻辑芯片非常经典，而且功能强大，也可以实现对单片机IO口的扩展。常用的扩展芯片有74HC138、74HC165、74HC595、74HC164、74HC148等。这类数字芯片可以使用较少的单片机IO，即可实现多路输入或者多路输出，但是需要根据芯片的时序图或者真值表进行编程。
逻辑芯片实现扩展输出
以74HC164为例，介绍如何通过逻辑芯片实现单片机IO口的扩展输出，74HC164是串入并出的移位寄存器，占用单片机3个IO口就可以实现8个IO口的输出。与该芯片类似的芯片是74HC595，该芯片是带锁存的移位寄存器，并且可以级联扩展，即通过3个IO口就能实现多个八路输出的扩展。典型电路原理图 如6所示。
6-数字芯片实现输出扩展
逻辑芯片实现扩展输入
以74HC165为例，介绍如何通过逻辑芯片实现输入扩展，74HC165是并入串出的移位寄存器，单片74HC165可以扩展8路输入，只需要占用单片机3个IO口。并且可以级联，实现多个8路输入的扩展。典型的74HC165的扩展电路图如下图所示。
7-数字芯片实现输入扩展
逻辑芯片实现扩展的优缺点分析
逻辑芯片实现输入输出IO口的扩展时，其硬件电路非常简单，电路原理非常清晰，关键是价格非常便宜，国产逻辑芯片价格只有几毛钱。其稍微复杂的地方是真值表和时序图。以上介绍的逻辑芯片都是需要通过编程来实现扩展的，程序虽然不复杂，但如果是第一次使用，可能需要费一番功夫的。
4.模拟口的扩展-多路选择开关实现
在设计产品的时候，可能要用到多路AD采样端口，如实现多路PT100温度采样。单片机虽然有多路AD采样通道，但是多通道的AD采样在程序的时序上稍微复杂，或者所剩与AD口不足，这时候就要扩展，对于采样类扩展选用多路选择开关是一个不错的选择。以HCF4051为例介绍。
单片机使用三个IO口作为HCF4051的通道选择控制端，一个AD采样口接第3引脚，可以实现8路模拟量的采集。其实现电路原理图如图8所示。
8-模拟口的扩展
除了用这种多路选择开关实现外，还可以使用专用的模拟量扩展芯片，如ADS1015，这类芯片即可以作为四通道的单端采样使用，又可以当作两通道的差分采样使用，其与单片机的接口为IIC接口。
模拟口扩展的优缺点分析
使用4051之类的多路选择开关，虽然只占用一个AD采样口，但是只能使用多路轮询的方式采集每一个通道，导致采样周期过长，而且采样的时序不好控制；采用ADS1015类的采样芯片，由于是通过IIC与单片机通讯的，所以采样时许容易控制，但是价格比较贵。
电子设计的特点就是实现同一个功能的技术方案有很多，每个人的方案可能都不一样，在扩展IO时，每个人使用的方法也不一样，以上只是一个简单的总结，还有很多的方法没有总结到。如果大家有其他的方法可以留言讨论。