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  • 51单片机最小系统原理图、PCB及组成原理详解

    万次阅读 多人点赞 2018-04-07 09:40:54
    单片机:单片机(Microcontrollers)是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示...

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    单片机:单片机(Microcontrollers)是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域广泛应用。

     先上原理图和PCB,原理介绍在后面:

    原理图:(如有错误欢迎留言,

    PCB:

    3D效果图:

    最小系统组成:

    51单片机最小系统:单片机、复位电路、晶振(时钟)电路、电源

    最小系统用到的引脚

    1、主电源引脚(2根)
    VCC:电源输入,接+5V电源
    GND:接地线

    2、外接晶振引脚(2根)
    XTAL1:片内振荡电路的输入端
    XTAL2:片内振荡电路的输出端

    3、控制引脚(4根)
    RST/VPP:复位引脚,引脚上出现2个机器周期(如果用11.0592Mhz的晶振,一个机器周期为1us,一个机器周期等于12个时钟周期)的高电平将使单片机复位,

    电源:

        电脑端输出232电平,单片机是TTL电平,需要USB转换模块对其转换

    复位电路:分为高电平和低电平复位。上电复位、按键复位、看门狗复位。

    单片机的复位电路就好比电脑的重启部分,当电脑在使用过程中死机,按下重启按钮电脑内部的程序开始从头执行。单片机也一样,当单片机系统在运行中,受到环境干扰出现程序跑飞的时候,按下复位按钮,内部程序从头开始执行。

     (包括上电复位和按键复位)

    当这个电路处于稳态时,电容起到隔离直流的作用,隔离了+5V,而左侧的复位按键是弹起状态,下边部分电路就没有电压差的产生,所以按键和电容C11 以下部分的电位都是和GND 相等的,也就是 0V。我们这个单片机是高电平复位,低电平正常工作,所以正常工作的电压是 0V,没有问题。

    我们再来分析从没有电到上电的瞬间,电容 C11 上方电压是 5V,下方是 0V,根据我们初中所学的知识,电容 C11 要进行充电,正离子从上往下充电,负电子从 GND 往上充电,这个时候电容对电路来说相当于一根导线,全部电压都加在了 R31 这个电阻上,那么 RST端口位置的电压就是 5V,随着电容充电越来越多,即将充满的时候,电流会越来越小,那RST 端口上的电压值等于电流乘以 R31 的阻值,也就会越来越小,一直到电容完全充满后,线路上不再有电流,这个时候RST 和 GND 的电位就相等了也就是 0V 了。

    从这个过程上来看,我们加上这个电路,单片机系统上电后,RST 引脚会先保持一小段时间的高电平而后变成低电平,这个过程就是上电复位的过程。那这个“一小段时间”到底是多少才合适呢?每种单片机不完全一样,51 单片机手册里写的是持续时间不少于 2 个机器周期的时间。复位电压值,每种单片机不完全一样,我们按照通常值 0.7VCC 作为复位电压值,复位时间的计算过程比较复杂,我这里只给大家一个结论,时间t=1.2RC,我们用的 R是 4700 欧,C 是 0.0000001 法,那么计算出 t 就是 0.000564 秒,即564us,远远大于 2 个机器周期(2us),在电路设计的时候一般留够余量就行。

    按键复位(即手动复位)有 2 个过程,按下按键之前,RST 的电压是 0V,当按下按键后电路导通,同时电容也会在瞬间进行放电,RST 电压值变化为 4700VCC/(4700+18),会处于高电平复位状态。当松开按键后就和上电复位类似了,先是电容充电,后电流逐渐减小直到 RST 电压变 0V 的过程。我们按下按键的时间通常都会有几百毫秒,这个时间足够复位了。

    按下按键的瞬间,电容两端的 5V 电压(注意不是电源的 5V 和 GND 之间)会被直接接通,此刻会有一个瞬间的大电流冲击,会在局部范围内产生电磁干扰,为了抑制这个大电流所引起的干扰,我们这里在电容放电回路中串入一个 18 欧的电阻来限流。

    晶振(时钟电路):

    晶振通常分为无源晶振和有源晶振两种类型,无源晶振一般称之为 crystal(晶体),而有源晶振则叫做 oscillator(振荡器)。

    有源晶振是一个完整的谐振振荡器,它是利用石英晶体的压电效应来起振,所以有源晶振需要供电,当我们把有源晶振电路做好后,不需要外接其它器件,只要给它供电,它就可以主动产生振荡频率,并且可以提供高精度的频率基准,信号质量也比无源信号要好

    无源晶振自身无法振荡起来,它需要芯片内部的振荡电路一起工作才能振荡它允许不同的电压,但是信号质量和精度较有源晶振差一些。相对价格来说,无源晶振要比有源晶振价格便宜很多。无源晶振两侧通常都会有个电容,一般其容值都选在10pF~40pF 之间,我们用 20pF 就是比较好的选择,这是一个长久以来的经验值,具有极其普遍的适用性。

    有源晶振通常有 4 个引脚,VCC,GND,晶振输出引脚和一个没有用到的悬空引脚(有些晶振也把该引脚作为使能引脚)。无源晶振有 2 个或 3 个引脚,如果是 3 个引脚的话,中间引脚接是晶振的外壳,使用时要接到 GND,两侧的引脚就是晶体的 2 个引出脚了,这两个引脚作用是等同的,就像是电阻的 2 个引脚一样,没有正负之分。对于无源晶振,用我们的单片机上的两个晶振引脚接上去即可,而有源晶振,只接到单片机的晶振的输入引脚上,输出引脚上不需要接,如图所示。

     

     总结:

    1.   51单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间,一般采用10~30uF,51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。

     2.    51单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振,51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度,频率越大处理速度越快。

     3.    51单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用10~40pF,并且电容离晶振越近越好,晶振离单片机越近越好

     4.    P0口为开漏输出,作为输出口时需加上拉电阻,阻值一般为10k。

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  • 单片机最小系统

    万次阅读 多人点赞 2017-05-05 10:20:36
    单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统. 对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路. 下面给出一个51单片机的最小系统电路图. ...
    单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.
    
    对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路.

    下面给出一个51单片机的最小系统电路图.



    说明
    复位电路:由电容串联电阻构成,由图并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.一般教科书推荐C 取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平.至于如何具体定量计算,可以参考电路分析相关书籍.
    晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作)
    单片机:一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机
    特别注意:对于31脚(EA/Vpp),当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行.这一点是初学者容易忽略的.

       
    复位电路:
    一、复位电路的用途
    单片机复位电路就好比电脑的重启部分,当电脑在使用中出现死机,按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样,当单片机系统在运行中,受到环境干扰出现程序跑飞的时候,按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。
    单片机复位电路如下图:


    二、复位电路的工作原理
    在书本上有介绍,51单片机要复位只需要在第9引脚接个高电平持续2US就可以实现,那这个过程是如何实现的呢?
    在单片机系统中,系统上电启动的时候复位一次,当按键按下的时候系统再次复位,如果释放后再按下,系统还会复位。所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。
    开机的时候为什么为复位
    在电路图中,电容的的大小是10uF,电阻的大小是10k。所以根据公式,可以算出电容充电到电源电压的0.7倍(单片机的电源是5V,所以充电到0.7倍即为3.5V),需要的时间是10K*10UF=0.1S。
    也就是说在电脑启动的0.1S内,电容两端的电压时在0~3.5V增加。这个时候10K电阻两端的电压为从5~1.5V减少(串联电路各处电压之和为总电压)。所以在0.1S内,RST引脚所接收到的电压是5V~1.5V。在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号,而大于1.5V的电压信号为高电平信号。所以在开机0.1S内,单片机系统自动复位(RST引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右)。
    按键按下的时候为什么会复位
    在单片机启动0.1S后,电容C两端的电压持续充电为5V,这是时候10K电阻两端的电压接近于0V,RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候,开关导通,这个时候电容两端形成了一个回路,电容被短路,所以在按键按下的这个过程中,电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移,电容的电压在0.1S内,从5V释放到变为了1.5V,甚至更小。根据串联电路电压为各处之和,这个时候10K电阻两端的电压为3.5V,甚至更大,所以RST引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。

    总结:
    1、复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2US以上的电平信号,只要保证电容的充放电时间大于2US,即可实现复位,所以电路中的电容值是可以改变的。
    2、按键按下系统复位,是电容处于一个短路电路中,释放了所有的电能,电阻两端的电压增加引起的。

    51单片机最小系统电路介绍
    1.51单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间,一般采用10~30uF,51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。
    2.51单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz,在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振,51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度,频率越大处理速度越快。
    3.51单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用15~33pF,并且电容离晶振越近越好,晶振离单片机越近越好4.P0口为开漏输出,作为输出口时需加上拉电阻,阻值一般为10k。
    设置定时器模式时,加1计数器是对内部机器周期计数(1个机器周期等于12个振荡周期,即计数频率为晶振频率的1/12)。计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。

    设置为计数器模式时,外部事件计数脉冲由T0或T1引脚输入到计数器。在每个机器周期的S5P2期间采样T0、T1引脚电平。当某周期采样到一高电平输入,而下一周期又采样到一低电平时,则计数器加1,更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期,因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。当晶振频率为12MHz时,最高计数频率不超过1/2MHz,即计数脉冲的周期要大于2 ms。



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  • 单片机最小系统详解

    千次阅读 2019-12-27 10:24:26
    单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统. 对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路. 下面给出一个51单片机的最小系统电路图. 说明: 复位...

    单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.

    对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路.

    下面给出一个51单片机的最小系统电路图.

    单片机最小系统详解,你要知道的都在这里了
    说明:

    复位电路:由电容串联电阻构成,由图并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.一般教科书推荐C 取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平.至于如何具体定量计算,可以参考电路分析相关书籍.

    晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作)

    单片机:一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机

    特别注意:对于31脚(EA/Vpp),当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行.这一点是初学者容易忽略的.

    复位电路

    一、复位电路的用途

    单片机复位电路就好比电脑的重启部分,当电脑在使用中出现死机,按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样,当单片机系统在运行中,受到环境干扰出现程序跑飞的时候,按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。

    单片机复位电路如下图:

    单片机最小系统详解,你要知道的都在这里了
    二、复位电路的工作原理

    在书本上有介绍,51单片机要复位只需要在第9引脚接个高电平持续2US就可以实现,那这个过程是如何实现的呢?

    在单片机系统中,系统上电启动的时候复位一次,当按键按下的时候系统再次复位,如果释放后再按下,系统还会复位。所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。

    开机的时候为什么为复位

    在电路图中,电容的的大小是10uF,电阻的大小是10k。所以根据公式,可以算出电容充电到电源电压的0.7倍(单片机的电源是5V,所以充电到0.7倍即为3.5V),需要的时间是10K*10UF=0.1S。

    也就是说在电脑启动的0.1S内,电容两端的电压时在03.5V增加。这个时候10K电阻两端的电压为从51.5V减少(串联电路各处电压之和为总电压)。所以在0.1S内,RST引脚所接收到的电压是5V~1.5V。在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号,而大于1.5V的电压信号为高电平信号。所以在开机0.1S内,单片机系统自动复位(RST引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右)。

    按键按下的时候为什么会复位

    在单片机启动0.1S后,电容C两端的电压持续充电为5V,这是时候10K电阻两端的电压接近于0V,RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候,开关导通,这个时候电容两端形成了一个回路,电容被短路,所以在按键按下的这个过程中,电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移,电容的电压在0.1S内,从5V释放到变为了1.5V,甚至更小。根据串联电路电压为各处之和,这个时候10K电阻两端的电压为3.5V,甚至更大,所以RST引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。

    总 结

    1、复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2US以上的电平信号,只要保证电容的充放电时间大于2US,即可实现复位,所以电路中的电容值是可以改变的。

    2、按键按下系统复位,是电容处于一个短路电路中,释放了所有的电能,电阻两端的电压增加引起的。

    51单片机最小系统电路介绍

    1.51单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间,一般采用10~30uF,51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。

    2.51单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz,在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振,51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度,频率越大处理速度越快。

    3.51单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用15~33pF,并且电容离晶振越近越好,晶振离单片机越近越好4.P0口为开漏输出,作为输出口时需加上拉电阻,阻值一般为10k。

    设置为定时器模式时,加1计数器是对内部机器周期计数(1个机器周期等于12个振荡周期,即计数频率为晶振频率的1/12)。计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。

    设置为计数器模式时,外部事件计数脉冲由T0或T1引脚输入到计数器。在每个机器周期的S5P2期间采样T0、T1引脚电平。当某周期采样到一高电平输入,而下一周期又采样到一低电平时,则计数器加1,更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期,因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。当晶振频率为12MHz时,最高计数频率不超过1/2MHz,即计数脉冲的周期要大于2 ms。

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