單片機電路設計的10個問題難點解析及單片機電路應用領域

單片機概述

了解單片機電路設計，先了解單片機是什么。單片機，是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領域廣泛應用。從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，發(fā)展到現在的300M的高速單片機。

單片機應用分類

（一）通用型

這是按單片機（Microcontrollers）適用范圍來區(qū)分的。例如，80C51式通用型單片機，它不是為某種專門用途設計的；專用型單片機是針對一類產品甚至某一個產品設計生產的，例如為了滿足電子體溫計的要求，在片內集成ADC接口等功能的溫度測量控制電路。

（二）總線型

這是按單片機（Microcontrollers）是否提供并行總線來區(qū)分的?？偩€型單片機普遍設置有并行地址總線、 數據總線、控制總線，這些引腳用以擴展并行外圍器件都可通過串行口與單片機連接，另外，許多單片機已把所需要的外圍器件及外設接口集成一片內，因此在許多情況下可以不要并行擴展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機稱為非總線型單片機。

（三）控制型

這是按照單片機（Microcontrollers）大致應用的領域進行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運算能力強；用于家電的單片機多為專用型，通常是小封裝、低價格，外圍器件和外設接口集成度高。 顯然，上述分類并不是惟一的和嚴格的。例如，80C51類單片機既是通用型又是總線型，還可以作工控用。

單片機電路設計中的10個難點解析

單片機是嵌入式系統(tǒng)的核心元件，使用單片機的電路要復雜得多，但在更改和添加新功能時，帶有單片機的電路更加容易實現，這也正是電器設備使用單片機的原因。那么在單片機電路的設計中需要注意的難點有哪些？

單片機上拉電阻的選擇

可以看到復位電路中電阻R1=10k時RST是高電平 ，而當R1=50時RST為低電平，很明顯R1=10k時是錯誤的，單片機一直處在復位狀態(tài)時根本無法工作。出現這樣的原因是由于RST引腳內含三極管，即便在截止狀態(tài)時也會有少量截止電流，當R取的非常大時，微弱的截止電流通過就產生了高電平。

LED串聯電阻的計算問題

通常紅色貼片LED：電壓1.6V-2.4V，電流2-20mA，在2-5mA亮度有所變化，5mA以上亮度基本無變化。

端口出現不夠用的情況

這時可以借助擴展芯片來實現，比如三八譯碼器74HC138來拓展。

濾波電容

濾波電容分為高頻濾波電容和低頻濾波電容。

1、高頻濾波電容一般用104容（0.1uF），目的是短路高頻分量，保護器件免受高頻干擾。普通的IC（集成）器件的電源與地之間都要加，去除高頻干擾（空氣靜電）。

2、低頻濾波電容一般用電解電容（100uF），目的是去除低頻紋波，存儲一部分能量，穩(wěn)定電源。大多接在電源接口處，大功率元器件旁邊，如：USB借口，步進電機、1602背光顯示。耐壓值至少高于系統(tǒng)最高電壓的2倍。

三極管的作用

1、開關作用：

LEDS6為高電平時截止，為低電平時導通。限流電阻的計算：集電極電流為I，則基極電流為I/100（這里涉及到放大作用，集電極電流是基極的100倍），PN結電壓0.7V，R=(5-0.7)/(I/100)

2、放大作用：集電極電流是基極電流的100倍

3、電平轉換：

當基極為高電平時，三極管導通，右側的導線接地為低電平，當基極為低電平時，三極管截止，輸出高電平。

數碼管的相關問題

數碼管點亮形成的數字由a,b,c,d,e,f,e,dp(小數點）構成，字模及真值表如上圖。

電流電壓驅動問題

由于單片機輸出有限，當負載很多的時候需要另外加驅動芯片 ，比如74HC245。

上拉電阻選取原則

1、從節(jié)約功耗及芯片灌電流能力考慮應當足夠大；電阻大，電流小。

2、從確保足夠的驅動電流考慮應當足夠??；電阻小，電流大。

3、對于高速電路，過大的上拉電阻可能會導致邊沿變平緩。

綜合考慮：上拉電阻常用值在1K到10K之間選取，下拉同理。

上下拉電阻，上拉就是將不確定的信號通過一個電阻嵌位在高電平，下拉同理。

1、電平轉換，提高輸出電平參數值。

2、OC門必須加上拉電阻才能使用。

3、加大普通IO引腳驅動能力。

4、懸空引腳上下拉抗干擾。

晶振和復位電路

晶振電路

1、晶振選擇：

根據實際系統(tǒng)需求選擇，6M，12M，11.0592M，20M等待。

2、負載電容：

對地接2個10到30pF的電容即可，常用20pF。

3、萬用表測晶振：

直接用紅表筆對晶振引腳，黑表筆接GND，測量電壓即可。

復位電路

把單片機內部電路設置成為一個確定的狀態(tài)，所有的寄存器初始化。51單片機的復位時間大約在2個機械周期左右，具體需要看芯片數據手冊。一般通過復位芯片或者復位電路，具體的阻容參數的計算，通過google查找。

按鍵抖動及消除

按鍵也是機械裝置，在按下或放開的一瞬間會產生抖動，如下圖：

消除方法有兩種：軟件除抖和硬件除抖，其中硬件除抖是應用了電容對高頻信號短路的原理。軟件除抖是檢測出鍵閉合后執(zhí)行一個延時程序，產生5ms～10ms的延時，讓前沿抖動消失后再一次檢測鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認為真正有鍵按下。

單片機的應用領域

（一）智能儀器

單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現諸如電壓、電流、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。

采用單片機控制使得儀器儀表數字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數字電路更加強大。例如精密的測量設備（電壓表、功率計，示波器，各種分析儀）。

（二）工業(yè)控制

單片機具有體積小、控制功能強、功耗低、環(huán)境適應能力強、擴展靈活和使用方便等優(yōu)點，用單片機可以構成形式多樣的控制系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)、無線感知系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、機器人等應用控制系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯網構成二級控制系統(tǒng)等。

（三）家用電器

家用電器廣泛采用了單片機控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備和白色家電等。

（四）網絡和通信

現代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數據通信，為在計算機網絡和通信設備間的應用提供了極好的物質條件，通信設備基本上都實現了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。

（五）設備領域

單片機在醫(yī)用設備中的用途亦相當廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統(tǒng)等等。

（六）模塊化系統(tǒng)

某些專用單片機設計用于實現特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應用，而不要求使用人員了解其內部結構。

（七）汽車電子

單片機在汽車電子中的應用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動機控制器，基于CAN總線的汽車發(fā)動機智能電子控制器、GPS導航系統(tǒng)、abs防抱死系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、胎壓檢測等。此外，單片機在工商、金融、科研、教育、電力、通信、物流和國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。

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