单片机硬件电路设计

单片机应用设计李汪彪福建师范大学物光学院万城实验室[e-mail]概述单片机是一种大规模的具有计算机基本功能的单片集成电路。可以与少量外围电路构成一个小而完善的计算机系统。芯片内置和外围的电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、通信产品、智能玩具、汽车电子、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。单片机类型集中指令集（CISC）和精简指令集（RISC）–采用CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用，即所谓冯.诺伊曼结构。它的指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格亦高。–采用RISC结构的单片机，数据线和指令线分离，即所谓哈佛结构。这使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。常用的几个系列单片机MCS-51及其兼容系列：–英特尔公司的MCS-51系列单片机是目前应用最广泛的8位单片机之一，并且ATMEL、PHILIPS、ADI、MAXIM、LG、SIEMENS等公司都有其兼容型号的芯片。这个系列的单片机具有运算与寻址能力强，存储空间大，片内集成外设丰富，功耗低等优点，其中大部分兼容芯片都含有片内FLASH程序存储器，价格便宜。适合应用于仪器仪表、测控系统、嵌入系统等开发。PIC系列–Microchip公司PIC系列单片机是CMOS工艺的RISC结构8位单片机，这类单片机具有功耗低、体积小、OTP（或FLASH）、内含看门狗和电源监测、A/D、EEPROM、抗干扰能力强、价格低廉等特点，特别适合应用于家电、消费电子产品、仪表、玩具、计算机外设等领域。•AVR系列–ATMEL公司AVR系列单片机是基于RISC结构的FLASH单片机，其最大的特点是能够在线编程。•华邦、義隆4位LCD驱动及语音系列–华邦、義隆4位LCD驱动及语音系列单片机特别适用于玩具、游戏机等电池供电、液晶显示的消费电子产品。•MSP430系列–TI公司MSP430系列超低功耗系列单片机是一种超低功耗的16位单片机，内置A/D转换器、串行通信接口、硬件乘法器、LCD驱动电路，具有极高的抗干扰能力。特别适合应用于智能仪表、防盗系统、智能化家用电器、电池供电便携式设备等产品。单片机应用系统的硬件电路设计•一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：–一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。–二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。系统的扩展和配置原则•1、尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。•2、系统扩展与外围设备应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。•3、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。•4、系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。•5、可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。•6、外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。•7、尽量朝“单片”方向设计硬件系统。系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性。LED输出电路键盘输入电路阵列键盘动态扫描电路LED数码动态扫描电路串行SPI接口LED数码管及键盘管理器件ZLG7289AZLG7289A是具有SPI串行接口功能的可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片该芯片，同时还可连接多达64键的键盘矩阵单片，即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。蜂鸣器和继电器驱动电路单片机和PC接口电路输出口的扩展输入口的扩展SPI接口EEPROM的扩展93C46I2C接口的EEPROM扩展电路串行LED显示的扩展I2C接口EEPROM的扩展基准电压源设计•基准电压源提供给A/D和D/A基准参考电压。TL431可以根据需要，改变电阻值比例大小设置2.5V--36V的电压。如图5所示，为该芯片的典型接法，提供的基准电压为2.5V。图6改变滑动变阻器值大小，可设置参考电压大小，在该系统中调节使两阻值相等，输出参考电压5V。123D9TL431R?RES2REFINVCC123D1TL431R3RES2REFINR4RES2R5POT2C1CAP12V图5图6ISD1420语音录放电路•ISD1420是单片录放集成芯片，它采用模拟号直接存储还原技术制成的，能录放20s语音SPI接口AD电路SPI接口A/D的扩展MAX1202SPI接口D/A的扩展•高精度的10位D/A转换芯片TLC5615，同时采用TL431产生的高精度的2.5V参考电压基准源，其有输出的电压值增倍功能。单片机以SPI的方式驱动它产生电压，其精度可以达到1/210即达到0.1%，电路接法如图7所示。SPI接口D/A的扩展•D/A转换器采用Microchip公司的MCP4921芯片，其为SPI接口，和单片机的连接比较方便，只需要片选CS、时钟SCK、数据输出SDO和数据锁存LDAC4个引脚。为了提高DA输出的稳定性，在D/A的输出端接入了一个RC滤波电路，并增加了一级OP07运放组成射级跟随器。其电路原理图如图所示。