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

了解单片机电路设计，先了解单片机是什么。单片机，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。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。

单片机应用分类

（一）通用型

这是按单片机（Microcontrollers）适用范围来区分的。例如，80C51式通用型单片机，它不是为某种专门用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。

（二）总线型

这是按单片机（Microcontrollers）是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、 数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。

（三）控制型

这是按照单片机（Microcontrollers）大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。 显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。

单片机电路设计中的10个难点解析

单片机是嵌入式系统的核心元件，使用单片机的电路要复杂得多，但在更改和添加新功能时，带有单片机的电路更加容易实现，这也正是电器设备使用单片机的原因。那么在单片机电路的设计中需要注意的难点有哪些？

单片机上拉电阻的选择

可以看到复位电路中电阻R1=10k时RST是高电平 ，而当R1=50时RST为低电平，很明显R1=10k时是错误的，单片机一直处在复位状态时根本无法工作。出现这样的原因是由于RST引脚内含三极管，即便在截止状态时也会有少量截止电流，当R取的非常大时，微弱的截止电流通过就产生了高电平。

LED串联电阻的计算问题

通常红色贴片LED：电压1.6V-2.4V，电流2-20mA，在2-5mA亮度有所变化，5mA以上亮度基本无变化。

端口出现不够用的情况

这时可以借助扩展芯片来实现，比如三八译码器74HC138来拓展。

滤波电容

滤波电容分为高频滤波电容和低频滤波电容。

1、高频滤波电容一般用104容（0.1uF），目的是短路高频分量，保护器件免受高频干扰。普通的IC（集成）器件的电源与地之间都要加，去除高频干扰（空气静电）。

2、低频滤波电容一般用电解电容（100uF），目的是去除低频纹波，存储一部分能量，稳定电源。大多接在电源接口处，大功率元器件旁边，如：USB借口，步进电机、1602背光显示。耐压值至少高于系统最高电压的2倍。

三极管的作用

1、开关作用：

LEDS6为高电平时截止，为低电平时导通。限流电阻的计算：集电极电流为I，则基极电流为I/100（这里涉及到放大作用，集电极电流是基极的100倍），PN结电压0.7V，R=(5-0.7)/(I/100)

2、放大作用：集电极电流是基极电流的100倍

3、电平转换：

当基极为高电平时，三极管导通，右侧的导线接地为低电平，当基极为低电平时，三极管截止，输出高电平。

数码管的相关问题

数码管点亮形成的数字由a,b,c,d,e,f,e,dp(小数点）构成，字模及真值表如上图。

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片 ，比如74HC245。

上拉电阻选取原则

1、从节约功耗及芯片灌电流能力考虑应当足够大；电阻大，电流小。

2、从确保足够的驱动电流考虑应当足够小；电阻小，电流大。

3、对于高速电路，过大的上拉电阻可能会导致边沿变平缓。

综合考虑：上拉电阻常用值在1K到10K之间选取，下拉同理。

上下拉电阻，上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平，下拉同理。

1、电平转换，提高输出电平参数值。

2、OC门必须加上拉电阻才能使用。

3、加大普通IO引脚驱动能力。

4、悬空引脚上下拉抗干扰。

晶振和复位电路

晶振电路

1、晶振选择：

根据实际系统需求选择，6M，12M，11.0592M，20M等待。

2、负载电容：

对地接2个10到30pF的电容即可，常用20pF。

3、万用表测晶振：

直接用红表笔对晶振引脚，黑表笔接GND，测量电压即可。

复位电路

把单片机内部电路设置成为一个确定的状态，所有的寄存器初始化。51单片机的复位时间大约在2个机械周期左右，具体需要看芯片数据手册。一般通过复位芯片或者复位电路，具体的阻容参数的计算，通过google查找。

按键抖动及消除

按键也是机械装置，在按下或放开的一瞬间会产生抖动，如下图：

消除方法有两种：软件除抖和硬件除抖，其中硬件除抖是应用了电容对高频信号短路的原理。软件除抖是检测出键闭合后执行一个延时程序，产生5ms～10ms的延时，让前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按下。

单片机的应用领域

（一）智能仪器

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（电压表、功率计，示波器，各种分析仪）。

（二）工业控制

单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

（三）家用电器

家用电器广泛采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备和白色家电等。

（四）网络和通信

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

（五）设备领域

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

（六）模块化系统

某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。

（七）汽车电子

单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器、GPS导航系统、abs防抱死系统、制动系统、胎压检测等。此外，单片机在工商、金融、科研、教育、电力、通信、物流和国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

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