單片機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)第1頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月概述單片機(jī)是一種大規(guī)模的具有計(jì)算機(jī)基本功能的單片集成電路?？梢耘c少量外圍電路構(gòu)成一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。芯片內(nèi)置和外圍的電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)。單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、通信產(chǎn)品、智能玩具、汽車電子、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域。第2頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月單片機(jī)類型集中指令集（CISC）和精簡(jiǎn)指令集（RISC）采用CISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)數(shù)據(jù)線和指令線分時(shí)復(fù)用，即所謂馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)。它的指令豐富，功能較強(qiáng)，但取指令和取數(shù)據(jù)不能同時(shí)進(jìn)行，速度受限，價(jià)格亦高。采用RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，數(shù)據(jù)線和指令線分離，即所謂哈佛結(jié)構(gòu)。這使得取指令和取數(shù)據(jù)可同時(shí)進(jìn)行，且由于一般指令線寬于數(shù)據(jù)線，使其指令較同類CISC單片機(jī)指令包含更多的處理信息，執(zhí)行效率更高，速度亦更快。同時(shí)，這種單片機(jī)指令多為單字節(jié)，程序存儲(chǔ)器的空間利用率大大提高，有利于實(shí)現(xiàn)超小型化。第3頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的幾個(gè)系列單片機(jī)MCS-51及其兼容系列：英特爾公司的MCS-51系列單片機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，并且ATMEL、PHILIPS、ADI、MAXIM、LG、SIEMENS等公司都有其兼容型號(hào)的芯片。這個(gè)系列的單片機(jī)具有運(yùn)算與尋址能力強(qiáng)，存儲(chǔ)空間大，片內(nèi)集成外設(shè)豐富，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，其中大部分兼容芯片都含有片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器，價(jià)格便宜。適合應(yīng)用于儀器儀表、測(cè)控系統(tǒng)、嵌入系統(tǒng)等開發(fā)。第4頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月PIC系列Microchip公司PIC系列單片機(jī)是CMOS工藝的RISC結(jié)構(gòu)8位單片機(jī)，這類單片機(jī)具有功耗低、體積小、OTP（或FLASH）、內(nèi)含看門狗和電源監(jiān)測(cè)、A/D、EEPROM、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于家電、消費(fèi)電子產(chǎn)品、儀表、玩具、計(jì)算機(jī)外設(shè)等領(lǐng)域。第5頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月AVR系列ATMEL公司AVR系列單片機(jī)是基于RISC結(jié)構(gòu)的FLASH單片機(jī)，其最大的特點(diǎn)是能夠在線編程。華邦、義隆4位LCD驅(qū)動(dòng)及語音系列華邦、義隆4位LCD驅(qū)動(dòng)及語音系列單片機(jī)特別適用于玩具、游戲機(jī)等電池供電、液晶顯示的消費(fèi)電子產(chǎn)品。MSP430系列TI公司MSP430系列超低功耗系列單片機(jī)是一種超低功耗的16位單片機(jī)，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器、串行通信接口、硬件乘法器、LCD驅(qū)動(dòng)電路，具有極高的抗干擾能力。特別適合應(yīng)用于智能儀表、防盜系統(tǒng)、智能化家用電器、電池供電便攜式設(shè)備等產(chǎn)品。第6頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)合適的接口電路。第7頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置原則1、盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。2、系統(tǒng)擴(kuò)展與外圍設(shè)備應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地，以便進(jìn)行二次開發(fā)。3、硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，一般響應(yīng)時(shí)間比硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)，且占用CPU時(shí)間。第8頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月4、系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。如選用CMOS芯片單片機(jī)構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)盡可能選擇低功耗產(chǎn)品。5、可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)必不可少的一部分，它包括芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。6、外圍電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠，可通過增設(shè)線驅(qū)動(dòng)器增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力或減少芯片功耗來降低總線負(fù)載。7、盡量朝“單片”方向設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強(qiáng)，功耗也增大，也不可避免地降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第9頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月LED輸出電路第10頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月鍵盤輸入電路第11頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月陣列鍵盤動(dòng)態(tài)掃描電路第12頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月LED數(shù)碼動(dòng)態(tài)掃描電路第13頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月串行SPI接口LED數(shù)碼管及鍵盤管理器件ZLG7289AZLG7289A是具有SPI串行接口功能的可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片該芯片，同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣單片，即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。第14頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月蜂鳴器和繼電器驅(qū)動(dòng)電路第15頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月單片機(jī)和PC接口電路第16頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出口的擴(kuò)展第17頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月輸入口的擴(kuò)展第18頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月SPI接口EEPROM的擴(kuò)展93C46第19頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月I2C接口的EEPROM擴(kuò)展電路第20頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月串行LED顯示的擴(kuò)展第21頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月I2C接口EEPROM的擴(kuò)展第22頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)基準(zhǔn)電壓源提供給A/D和D/A基準(zhǔn)參考電壓。TL431可以根據(jù)需要，改變電阻值比例大小設(shè)置2.5V--36V的電壓。如圖5所示，為該芯片的典型接法，提供的基準(zhǔn)電壓為2.5V。圖6改變滑動(dòng)變阻器值大小，可設(shè)置參考電壓大小，在該系統(tǒng)中調(diào)節(jié)使兩阻值相等，輸出參考電壓5V。

圖5 圖6第23頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月ISD1420語音錄放電路ISD1420是單片錄放集成芯片，它采用模擬號(hào)直接存儲(chǔ)還原技術(shù)制成的，能錄放20s語音第24頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月SPI接口AD電路第25頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月SPI接口A/D的擴(kuò)展MAX1202第26頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月SPI接口D/A的擴(kuò)展高精度的10位D/A轉(zhuǎn)換芯片TLC5615，同時(shí)采用TL431產(chǎn)生的高精度的2.5V參考電壓基準(zhǔn)源，其有輸出的電壓值增倍功能。單片機(jī)以SPI的方式驅(qū)動(dòng)它產(chǎn)生電壓，其精度可以達(dá)到1/210即達(dá)到0.1%，電路接法如圖7所示。第27頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月SPI接口D/A的擴(kuò)展D/A轉(zhuǎn)換器采用Microch