51單片機(jī)最小系統(tǒng)講解，原理圖及pcb文件

ID:456580 · 發(fā)表于 2020-5-8 19:10

單片機(jī):單片機(jī)（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
先上原理圖和PCB，原理介紹在后面：

最小系統(tǒng)組成：
51單片機(jī)最小系統(tǒng)：單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振（時(shí)鐘）電路、電源
最小系統(tǒng)用到的引腳
1、主電源引腳（2根）
VCC：電源輸入，接＋5V電源
GND：接地線
2、外接晶振引腳（2根）
XTAL1：片內(nèi)振蕩電路的輸入端
XTAL2：片內(nèi)振蕩電路的輸出端
3、控制引腳（4根）
RST/VPP：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期(如果用11.0592Mhz的晶振，一個(gè)機(jī)器周期為1us,一個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)時(shí)鐘周期)的高電平將使單片機(jī)復(fù)位,
電源：
電腦端輸出232電平，單片機(jī)是TTL電平，需要USB轉(zhuǎn)換模塊對其轉(zhuǎn)換
復(fù)位電路：分為高電平和低電平復(fù)位。上電復(fù)位、按鍵復(fù)位、看門狗復(fù)位。
單片機(jī)的復(fù)位電路就好比電腦的重啟部分，當(dāng)電腦在使用過程中死機(jī)，按下重啟按鈕電腦內(nèi)部的程序開始從頭執(zhí)行。單片機(jī)也一樣，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中，受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時(shí)候，按下復(fù)位按鈕，內(nèi)部程序從頭開始執(zhí)行。（包括上電復(fù)位和按鍵復(fù)位）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。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，沒有問題。我們再來分析從沒有電到上電的瞬間，電容 C11 上方電壓是 5V，下方是 0V，根據(jù)我們初中所學(xué)的知識，電容 C11 要進(jìn)行充電，正離子從上往下充電，負(fù)電子從 GND 往上充電，這個(gè)時(shí)候電容對電路來說相當(dāng)于一根導(dǎo)線，全部電壓都加在了 R31 這個(gè)電阻上，那么 RST端口位置的電壓就是 5V，隨著電容充電越來越多，即將充滿的時(shí)候，電流會(huì)越來越小，那RST 端口上的電壓值等于電流乘以 R31 的阻值，也就會(huì)越來越小，一直到電容完全充滿后，線路上不再有電流，這個(gè)時(shí)候RST 和 GND 的電位就相等了也就是 0V 了。

從這個(gè)過程上來看，我們加上這個(gè)電路，單片機(jī)系統(tǒng)上電后，RST 引腳會(huì)先保持一小段時(shí)間的高電平而后變成低電平，這個(gè)過程就是上電復(fù)位的過程。那這個(gè)“一小段時(shí)間”到底是多少才合適呢？每種單片機(jī)不完全一樣，51 單片機(jī)手冊里寫的是持續(xù)時(shí)間不少于 2 個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間。復(fù)位電壓值，每種單片機(jī)不完全一樣，我們按照通常值 0.7VCC 作為復(fù)位電壓值，復(fù)位時(shí)間的計(jì)算過程比較復(fù)雜，我這里只給大家一個(gè)結(jié)論，時(shí)間t=1.2RC，我們用的 R是 4700 歐，C 是 0.0000001 法，那么計(jì)算出 t 就是 0.000564 秒，即564us，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 2 個(gè)機(jī)器周期(2us)，在電路設(shè)計(jì)的時(shí)候一般留夠余量就行。
按鍵復(fù)位（即手動(dòng)復(fù)位）有 2 個(gè)過程，按下按鍵之前，RST 的電壓是 0V，當(dāng)按下按鍵后電路導(dǎo)通，同時(shí)電容也會(huì)在瞬間進(jìn)行放電，RST 電壓值變化為 4700VCC/(4700+18)，會(huì)處于高電平復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)松開按鍵后就和上電復(fù)位類似了，先是電容充電，后電流逐漸減小直到 RST 電壓變 0V 的過程。我們按下按鍵的時(shí)間通常都會(huì)有幾百毫秒，這個(gè)時(shí)間足夠復(fù)位了。
按下按鍵的瞬間，電容兩端的 5V 電壓（注意不是電源的 5V 和 GND 之間）會(huì)被直接接通，此刻會(huì)有一個(gè)瞬間的大電流沖擊，會(huì)在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁干擾，為了抑制這個(gè)大電流所引起的干擾，我們這里在電容放電回路中串入一個(gè) 18 歐的電阻來限流。
晶振（時(shí)鐘電路）：
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，它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，不需要外接其它器件，只要給它供電，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)，信號質(zhì)量也比無源信號要好。無源晶振自身無法振蕩起來，它需要芯片內(nèi)部的振蕩電路一起工作才能振蕩，它允許不同的電壓，但是信號質(zhì)量和精度較有源晶振差一些。相對價(jià)格來說，無源晶振要比有源晶振價(jià)格便宜很多。無源晶振兩側(cè)通常都會(huì)有個(gè)電容，一般其容值都選在10pF~40pF 之間，我們用 20pF 就是比較好的選擇，這是一個(gè)長久以來的經(jīng)驗(yàn)值，具有極其普遍的適用性。

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（有些晶振也把該引腳作為使能引腳）。無源晶振有 2 個(gè)或 3 個(gè)引腳，如果是 3 個(gè)引腳的話，中間引腳接是晶振的外殼，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。對于無源晶振，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。
總結(jié)：
1. 51單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容C1的大小直接影響單片機(jī)的復(fù)位時(shí)間，一般采用10~30uF，51單片機(jī)最小系統(tǒng)容值越大需要的復(fù)位時(shí)間越短。
2. 51單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz典型的晶振取11.0592MHz(因?yàn)榭梢詼?zhǔn)確地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通訊的場合)在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振，51單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機(jī)的處理速度，頻率越大處理速度越快。
3. 51單片機(jī)最小系統(tǒng)起振電容C2、C3一般采用10~40pF，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機(jī)越近越好
4. P0口為開漏輸出，作為輸出口時(shí)需加上拉電阻，阻值一般為10k。
附件有原理圖和pcb布線工程的下載