单片机电路设计的10个问题难点解析及单片机电路应用领域

单片机概述

了解(jie)单(dan)片(pian)机(ji)电路(lu)(lu)(lu)设计，先(xian)了解(jie)单(dan)片(pian)机(ji)是(shi)什(shen)么。单(dan)片(pian)机(ji)，是(shi)一(yi)种集成(cheng)电路(lu)(lu)(lu)芯片(pian)，是(shi)采用超大规模集成(cheng)电路(lu)(lu)(lu)技术把具有数(shu)据处理能(neng)(neng)力的中(zhong)(zhong)央(yang)处理器(qi)(qi)CPU、随(sui)机(ji)存(cun)储器(qi)(qi)RAM、只读存(cun)储器(qi)(qi)ROM、多种I/O口和中(zhong)(zhong)断系统(tong)、定时(shi)器(qi)(qi)/计数(shu)器(qi)(qi)等功能(neng)(neng)（可能(neng)(neng)还包括显示驱动电路(lu)(lu)(lu)、脉宽(kuan)调制电路(lu)(lu)(lu)、模拟多路(lu)(lu)(lu)转换器(qi)(qi)、A/D转换器(qi)(qi)等电路(lu)(lu)(lu)）集成(cheng)到(dao)一(yi)块硅片(pian)上(shang)构成(cheng)的一(yi)个小而(er)完(wan)善的微型计算机(ji)系统(tong)，在工业控制领域(yu)广泛(fan)应用。从上(shang)世纪80年代，由当时(shi)的4位(wei)、8位(wei)单(dan)片(pian)机(ji)，发展到(dao)现在的300M的高速单(dan)片(pian)机(ji)。

单片机应用分类

（一）通用型

这是(shi)(shi)按单(dan)片(pian)机（Microcontrollers）适用范围(wei)来区分的。例如，80C51式(shi)通用型单(dan)片(pian)机，它不是(shi)(shi)为(wei)某种专门用途设计(ji)的；专用型单(dan)片(pian)机是(shi)(shi)针对一类产品(pin)甚至某一个产品(pin)设计(ji)生产的，例如为(wei)了满足(zu)电子体(ti)温计(ji)的要求，在片(pian)内集成ADC接口等功(gong)能的温度测(ce)量控制(zhi)电路。

（二）总线型

这(zhei)是按(an)单片(pian)(pian)(pian)机(ji)(ji)(ji)（Microcontrollers）是否提供并行(xing)(xing)(xing)总(zong)(zong)(zong)线来区(qu)分的(de)。总(zong)(zong)(zong)线型(xing)单片(pian)(pian)(pian)机(ji)(ji)(ji)普遍(bian)设置有并行(xing)(xing)(xing)地址总(zong)(zong)(zong)线、 数据(ju)总(zong)(zong)(zong)线、控(kong)制(zhi)总(zong)(zong)(zong)线，这(zhei)些引脚用以(yi)扩(kuo)展(zhan)并行(xing)(xing)(xing)外(wai)围器件(jian)都可通过串行(xing)(xing)(xing)口与(yu)单片(pian)(pian)(pian)机(ji)(ji)(ji)连接(jie)，另外(wai)，许多(duo)单片(pian)(pian)(pian)机(ji)(ji)(ji)已(yi)把所需要(yao)的(de)外(wai)围器件(jian)及外(wai)设接(jie)口集(ji)成一片(pian)(pian)(pian)内，因此在许多(duo)情(qing)况(kuang)下可以(yi)不要(yao)并行(xing)(xing)(xing)扩(kuo)展(zhan)总(zong)(zong)(zong)线，大大减省封装成本和(he)芯片(pian)(pian)(pian)体积，这(zhei)类单片(pian)(pian)(pian)机(ji)(ji)(ji)称为非(fei)总(zong)(zong)(zong)线型(xing)单片(pian)(pian)(pian)机(ji)(ji)(ji)。

（三）控制型

这是按照单片机(ji)(ji)（Microcontrollers）大致(zhi)应用(yong)(yong)的(de)领域进(jin)行(xing)区分的(de)。一般而言(yan)，工控型(xing)寻址(zhi)范围大，运算(suan)能力强；用(yong)(yong)于家(jia)电的(de)单片机(ji)(ji)多(duo)为(wei)专用(yong)(yong)型(xing)，通常是小封装、低价格(ge)，外围器件(jian)和外设接口(kou)集成(cheng)度高(gao)。 显然，上(shang)述分类并不是惟一的(de)和严格(ge)的(de)。例(li)如，80C51类单片机(ji)(ji)既是通用(yong)(yong)型(xing)又是总线(xian)型(xing)，还可以作工控用(yong)(yong)。

单片机电路设计中的10个难点解析

单片(pian)(pian)机(ji)(ji)是嵌入式系(xi)统的(de)(de)核(he)心元件，使用(yong)单片(pian)(pian)机(ji)(ji)的(de)(de)电路要复(fu)杂(za)得(de)多，但在更改(gai)和添加新(xin)功(gong)能时，带(dai)有单片(pian)(pian)机(ji)(ji)的(de)(de)电路更加容易实(shi)现，这也正是电器设备(bei)使用(yong)单片(pian)(pian)机(ji)(ji)的(de)(de)原因(yin)。那么在单片(pian)(pian)机(ji)(ji)电路的(de)(de)设计中需要注意(yi)的(de)(de)难(nan)点有哪(na)些？

单片机上拉电阻的选择

可(ke)以看到复位电路中电阻(zu)R1=10k时(shi)(shi)RST是高电平 ，而(er)当R1=50时(shi)(shi)RST为低电平，很明(ming)显R1=10k时(shi)(shi)是错误(wu)的(de)，单片机一直(zhi)处在复位状态时(shi)(shi)根本无法工作。出(chu)现这(zhei)样的(de)原(yuan)因是由于RST引(yin)脚内含(han)三极管(guan)，即便在截止状态时(shi)(shi)也(ye)会有少量(liang)截止电流(liu)，当R取的(de)非常大(da)时(shi)(shi)，微弱(ruo)的(de)截止电流(liu)通过就产(chan)生了高电平。

LED串联电阻的计算问题

通常红色贴片LED：电(dian)压1.6V-2.4V，电(dian)流2-20mA，在(zai)2-5mA亮(liang)度有所变(bian)化(hua)，5mA以(yi)上亮(liang)度基本无变(bian)化(hua)。

端口出现不够用的情况

这时(shi)可(ke)以借助扩展(zhan)(zhan)芯片来实(shi)现，比如(ru)三八译码(ma)器(qi)74HC138来拓展(zhan)(zhan)。

滤波电容

滤(lv)波电(dian)容(rong)分为高频滤(lv)波电(dian)容(rong)和低频滤(lv)波电(dian)容(rong)。

1、高(gao)(gao)频(pin)滤(lv)波电(dian)容(rong)一般用104容(rong)（0.1uF），目的是短路高(gao)(gao)频(pin)分量，保护器(qi)件免受高(gao)(gao)频(pin)干扰。普(pu)通(tong)的IC（集成）器(qi)件的电(dian)源与地之间(jian)都要加，去除高(gao)(gao)频(pin)干扰（空气静电(dian)）。

2、低频(pin)滤(lv)波电(dian)容一般用电(dian)解电(dian)容（100uF），目的(de)是去除(chu)低频(pin)纹(wen)波，存(cun)储一部分能量(liang)，稳定电(dian)源(yuan)。大多接(jie)在(zai)电(dian)源(yuan)接(jie)口处，大功率(lv)元器(qi)件旁(pang)边，如(ru)：USB借口，步进电(dian)机、1602背光显示。耐压值至少高于系统最高电(dian)压的(de)2倍。

三极管的作用

1、开关作用(yong)：

LEDS6为高(gao)电(dian)(dian)平时截止，为低(di)电(dian)(dian)平时导通。限流(liu)(liu)电(dian)(dian)阻的计算：集电(dian)(dian)极(ji)电(dian)(dian)流(liu)(liu)为I，则(ze)基极(ji)电(dian)(dian)流(liu)(liu)为I/100（这里涉(she)及(ji)到放大作用，集电(dian)(dian)极(ji)电(dian)(dian)流(liu)(liu)是基极(ji)的100倍），PN结电(dian)(dian)压(ya)0.7V，R=(5-0.7)/(I/100)

2、放大作用：集电极电流(liu)是基极电流(liu)的(de)100倍

3、电平转换：

当基极(ji)(ji)为(wei)高(gao)电(dian)平(ping)时，三极(ji)(ji)管导通，右(you)侧的导线(xian)接地为(wei)低电(dian)平(ping)，当基极(ji)(ji)为(wei)低电(dian)平(ping)时，三极(ji)(ji)管截(jie)止，输(shu)出(chu)高(gao)电(dian)平(ping)。

数码管的相关问题

数码(ma)管(guan)点(dian)亮形(xing)成的(de)数字由a,b,c,d,e,f,e,dp(小数点(dian)）构成，字模及(ji)真(zhen)值表(biao)如上图(tu)。

电流电压驱动问题

由于单片机输出有限，当负载很多的时候需要另外加驱动芯(xin)片 ，比如74HC245。

上拉电阻选取原则

1、从(cong)节约(yue)功耗及芯(xin)片灌电(dian)流(liu)能力考(kao)虑应当足够大(da)；电(dian)阻大(da)，电(dian)流(liu)小。

2、从(cong)确(que)保足(zu)够的(de)驱(qu)动(dong)电(dian)流考(kao)虑应当足(zu)够小(xiao)；电(dian)阻小(xiao)，电(dian)流大。

3、对于高速电(dian)路，过大的(de)上拉电(dian)阻可能会导致边沿变平缓(huan)。

综合考虑：上拉(la)电阻常用值在1K到(dao)10K之间(jian)选取，下拉(la)同理。

上下拉(la)电阻(zu)，上拉(la)就(jiu)是将(jiang)不确定(ding)的(de)信号(hao)通过一(yi)个电阻(zu)嵌位在高(gao)电平，下拉(la)同理。

1、电平转换，提高输出电平参(can)数值。

2、OC门必须加上拉电阻才能使用。

3、加(jia)大(da)普(pu)通IO引脚驱动能(neng)力。

4、悬空(kong)引脚上下拉抗干扰。

晶振和复位电路

晶振电(dian)路

1、晶振选择：

根据实际(ji)系统需求选择，6M，12M，11.0592M，20M等(deng)待。

2、负(fu)载电(dian)容：

对地接2个10到30pF的电容即(ji)可，常用20pF。

3、万用表测(ce)晶振：

直接(jie)用红表笔对晶振(zhen)引脚，黑表笔接(jie)GND，测量电压即可。

复位电路

把单片机(ji)内部电路设置成(cheng)为一个确(que)定的状(zhuang)态(tai)，所有的寄(ji)存器初(chu)始化。51单片(pian)(pian)机(ji)的(de)复(fu)位时(shi)间大约在2个机(ji)械(xie)周(zhou)期左(zuo)右(you)，具体需要看(kan)芯片(pian)(pian)数据手册。一般(ban)通过(guo)复位芯片(pian)或者复位电路，具体的(de)阻(zu)容参数的(de)计算，通过(guo)google查找(zhao)。

按键抖动及消除(chu)

按(an)键(jian)也是机械装(zhuang)置，在按(an)下或(huo)放(fang)开的一(yi)瞬间会产生(sheng)抖动，如(ru)下图：

消除方法有(you)两种：软件除抖(dou)和硬件除抖(dou)，其(qi)中硬件除抖(dou)是应用了(le)电(dian)容(rong)对高频(pin)信号(hao)短路的原理(li)。软件除抖(dou)是(shi)检测(ce)出键闭合后执(zhi)行一(yi)个延时程序(xu)，产生5ms～10ms的(de)延时，让前沿(yan)抖(dou)动消失后再一(yi)次(ci)检测(ce)键的(de)状态，如果仍保持闭合状态电平(ping)，则确认(ren)为真正有键按下。

单片机的应用领域

（一）智能仪器

单片机具有(you)体积小、功耗低、控制功能强(qiang)、扩展灵(ling)活、微(wei)型化(hua)和使用(yong)方便等优点(dian)，广泛应用(yong)于(yu)仪器仪表中，结合不同(tong)类型的传感(gan)器，可实现诸如电压(ya)(ya)、电流、功率(lv)、频率(lv)、湿度(du)(du)、温度(du)(du)、流量、速度(du)(du)、厚度(du)(du)、角度(du)(du)、长度(du)(du)、硬度(du)(du)、元(yuan)素、压(ya)(ya)力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智(zhi)能化、微型(xing)化，且(qie)功(gong)能比起采用电子或(huo)数字电路更加强大。例如精密的测量(liang)设(she)备（电压(ya)表、功率计，示波器，各种分析(xi)仪）。

（二(er)）工业控制

单片机(ji)具(ju)有体积(ji)小、控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)功能强、功耗低、环境(jing)适应能力(li)强、扩展(zhan)灵活和使用方便等优点，用单片机(ji)可(ke)以(yi)构成(cheng)形式(shi)多样(yang)的控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)(tong)(tong)(tong)、数据(ju)采集(ji)系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)(tong)(tong)(tong)、通(tong)信系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)(tong)(tong)(tong)、信号检测系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)(tong)(tong)(tong)、无线感(gan)知系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)(tong)(tong)(tong)、测控(kong)(kong)(kong)系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)(tong)(tong)(tong)、机(ji)器人等应用控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)(tong)(tong)(tong)。例(li)如工厂流水(shui)线的智(zhi)(zhi)能化管(guan)理，电梯智(zhi)(zhi)能化控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)、各种报警系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)(tong)(tong)(tong)，与计算(suan)机(ji)联(lian)网构成(cheng)二级(ji)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)(tong)(tong)(tong)等。

（三）家用电器

家用(yong)(yong)电(dian)(dian)器广(guang)泛采用(yong)(yong)了(le)单(dan)片机控制，从电(dian)(dian)饭煲(bao)、洗(xi)衣机、电(dian)(dian)冰箱、空调机、彩电(dian)(dian)、其他音响视频(pin)器材、再到电(dian)(dian)子(zi)秤量(liang)设备和白色家电(dian)(dian)等。

（四）网(wang)络和通信

现代的(de)(de)单片机(ji)普遍(bian)具备(bei)通(tong)信接口，可以很方便地与计算(suan)机(ji)进(jin)行数据(ju)通(tong)信，为(wei)在(zai)计算(suan)机(ji)网络和通(tong)信设备(bei)间的(de)(de)应用提供了(le)极好的(de)(de)物(wu)质条件(jian)，通(tong)信设备(bei)基本上都实现了(le)单片机(ji)智能控制，从手机(ji)，电(dian)话机(ji)、小型程控交换(huan)机(ji)、楼宇自动通(tong)信呼(hu)叫系统、列车无线通(tong)信、再(zai)到(dao)日常工作(zuo)中随处可见的(de)(de)移动电(dian)话，集群(qun)移动通(tong)信，无线电(dian)对讲机(ji)等。

（五）设(she)备领(ling)域(yu)

单(dan)片(pian)机(ji)在医用(yong)设(she)备中(zhong)的用(yong)途亦(yi)相当广泛，例如医用(yong)呼吸(xi)机(ji)，各种分(fen)析仪，监护仪，超声诊断设(she)备及病床呼叫(jiao)系统等等。

（六）模块化系统

某些(xie)专(zhuan)用(yong)单片机(ji)设计用(yong)于实现特定功能(neng)，从而(er)在各种电路中进行模块化(hua)应用(yong)，而(er)不要求使用(yong)人员了(le)解其内(nei)部(bu)结构(gou)。

（七(qi)）汽车电子

单(dan)片(pian)机在汽车电子中(zhong)的应用非(fei)常广泛，例如汽车中(zhong)的发动机控制(zhi)器，基(ji)于CAN总线的汽车发动机智能(neng)电子控制(zhi)器、GPS导航系(xi)统、abs防(fang)抱死系(xi)统、制(zhi)动系(xi)统、胎压(ya)检测等(deng)。此外，单片机在工商、金融、科研、教(jiao)育、电力、通信、物流和(he)国防航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)等领域都(dou)有着十分广泛的用途。

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