單片機(jī)系統(tǒng)電路經(jīng)典設(shè)計(jì)教學(xué)

前言： 對(duì)于一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)來講，首要問題就是為整個(gè)系統(tǒng)提供電源供電模塊，電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。

以下介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由電源、復(fù)位、振蕩電路以及擴(kuò)展部分組成。對(duì)于一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)來講，首要問題就是為整個(gè)系統(tǒng)提供電源供電模塊，電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。

1、電源

在使用STC89C52RC單片機(jī)的時(shí)候，工作電壓：5.5V-3.4V（5V單片機(jī)），這個(gè)地方就說明我們這個(gè)單片機(jī)正常的工作電壓是個(gè)范圍值，只要電源VCC在5.5V到3.4V之間都可以正常工作，電壓超過5.5V是絕對(duì)不允許的，會(huì)燒壞單片機(jī)，電壓如果低于3.4V，單片機(jī)不會(huì)損壞，但是也不能正常工作。

2、振蕩電路

單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。

晶振

晶振通常分為無源晶振和有源晶振兩種類型，無源晶振一般稱之為crystal（晶體），而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）。

有源晶振是一個(gè)完整的諧振振蕩器，他是利用石英晶體的壓電效應(yīng)來起振，所以有源晶振需要供電，當(dāng)我們把有源晶振電路做好后，不需要外接電路，它就可以主動(dòng)產(chǎn)生振蕩頻率，并且可以提供高精度的頻率基準(zhǔn)，信號(hào)質(zhì)量比無源信號(hào)好。

有源晶振通常有4個(gè)引腳，VCC，GND，晶振輸出引腳和一個(gè)沒有用到的懸空引腳。無源晶振有2個(gè)或3個(gè)引腳，如果是3個(gè)引腳的話，中間引腳是晶振的外殼，使用時(shí)要接到GND，兩側(cè)的引腳就是晶體的2個(gè)引出腳了，這兩個(gè)引腳作用是等同的，就像是電阻的2個(gè)引腳一樣，沒有正負(fù)之分。對(duì)于無源晶振，就是用我們的單片機(jī)上的兩個(gè)晶振引腳接上去即可，而有源晶振，只接到單片機(jī)的晶振的輸入引腳上，輸出引腳上不需要接，如圖1和圖2所示。

圖1 無源晶振接法

圖2 有源晶振接法

3、復(fù)位電路

我們先來分析一下我們的復(fù)位電路，如圖3所示。

圖3 單片機(jī)復(fù)位電路

當(dāng)這個(gè)電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容起到隔離直流的作用，隔離了+5V，而左側(cè)的復(fù)位按鍵是彈起狀態(tài)，下邊部分電路就沒有電壓差的產(chǎn)生，所以按鍵和電容 C11以下部分的電位都是和GND相等的，也就是0V電壓。我們這個(gè)單片機(jī)是高電平復(fù)位，低電平正常工作，所以正常工作的電壓是0V電壓，完全OK，沒有問題。

4、獨(dú)立按鍵

通常的按鍵分為獨(dú)立式按鍵和矩陣式按鍵兩種，獨(dú)立式按鍵比較簡單，并且與獨(dú)立的輸入線相連接，如圖4所示

圖4 獨(dú)立式按鍵電路圖

4條輸入線接到單片機(jī)的IO口上，當(dāng)按鍵K1按下時(shí)，+5V通過電阻R1然后再通過按鍵K1最終進(jìn)入GND形成一條通路，那么這條線路的全部電壓都加到了R1這個(gè)電阻上，KeyIn1這個(gè)引腳就是個(gè)低電平。當(dāng)松開按鍵后，線路斷開，就不會(huì)有電流通過，那么KeyIn1和+5V就應(yīng)該是等電位，是一個(gè)高電平。我們就可以通過KeyIn1這個(gè)IO口的高低電平來判斷是否有按鍵按下。

這個(gè)電路中按鍵的原理我們清楚了，但是實(shí)際上在我們的單片機(jī)IO口內(nèi)部，也有一個(gè)上拉電阻的存在。我們的按鍵是接到了P2口上，P2口上電默認(rèn)是準(zhǔn)雙向IO口，我們來簡單了解一下這個(gè)準(zhǔn)雙向IO口的電路，如圖5所示。

圖5 準(zhǔn)雙向IO口結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)內(nèi)部輸出是高電平，經(jīng)過一個(gè)反向器變成低電平，NPN三極管不會(huì)導(dǎo)通，那么單片機(jī)IO口從內(nèi)部來看，由于上拉電阻R的存在，所以是一個(gè)高電平。當(dāng)外部沒有按鍵按下將電平拉低的話，VCC也是+5V，他們之間雖然有2個(gè)電阻，但是沒有壓差，就不會(huì)有電流，線上所有的位置都是高電平，這個(gè)時(shí)候我們就可以正常讀取到按鍵的狀態(tài)了。

當(dāng)內(nèi)部輸出是個(gè)低電平，經(jīng)過一個(gè)反相器變成高電平，NPN三極管導(dǎo)通，那么單片機(jī)的內(nèi)部IO口就是個(gè)低電平，這個(gè)時(shí)候，外部雖然也有上拉電阻的存在，但是兩個(gè)電阻是并聯(lián)關(guān)系，不管按鍵是否按下，單片機(jī)的IO口上輸入到單片機(jī)內(nèi)部的狀態(tài)都是低電平，我們就無法正常讀取到按鍵的狀態(tài)了。

5、矩陣按鍵

矩陣按鍵和獨(dú)立按鍵的關(guān)系

我們?cè)谑褂冒存I的時(shí)候有這樣一種使用經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)需要多個(gè)按鍵的時(shí)候，如果做成獨(dú)立按鍵會(huì)大量占用IO口，因此我們引入了矩陣按鍵，如圖6所示，使用了8個(gè)IO口來實(shí)現(xiàn)16個(gè)按鍵。

圖6 矩陣按鍵

其實(shí)獨(dú)立按鍵理解了，矩陣按鍵也簡單，我們來分析一下。圖6中，一共有4組按鍵，我們只看其中一組，如圖7所示。大家認(rèn)真看一下，當(dāng)KeyOut1輸出一個(gè)低電平，KeyOut2、KeyOut3、KeyOut4這三個(gè)輸出高電平時(shí)，是否相當(dāng)于4個(gè)獨(dú)立按鍵呢。

圖7 矩陣按鍵變獨(dú)立按鍵

編輯點(diǎn)評(píng)：本文介紹了單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，晶振通常分為無源晶振和有源晶振兩種類型。對(duì)單片機(jī)最小系統(tǒng)的電源模塊、復(fù)位電路和振蕩電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析，理解單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)工程師是有利的。