- 基于单片机的嵌入式工程开发详解
- 罗强主编
- 1664字
- 2020-08-28 08:51:47
3.2 电路设计
3.2.1 单片机最小系统电路图
如图3-1所示是信息采集终端中的最小系统，由51芯片“78E516B”，复位电路，时钟电路，5V供电电源等组成。本节分别对这几部分设计进行介绍。值得读者注意的是，从本章起，对各个元器件的编号就固定下来，系统扩展后，这些编号保持不变，这样使大家对整个信息采集终端构建过程有一个清楚的线索。
3.2.2 电源模块
前面提到，由于电源模块的设计比较重要，又往往易被读者忽略，因此，准备在第5章用一整章的内容来介绍这部分内容。在这里，读者只要知道单片机40脚是供电引脚，需要接5V直流电压。C1和CE2的作用是为了除去电源的高频干扰，保证电源的稳定工作。可以成对设计，在设计时，这些电容应该尽量靠近芯片电源的输入脚，以起到防干扰的作用。
一般最小系统搭建起来后，首先测量的也是系统的各个电压是否稳定，以及电压纹波情况。
图3-1 最小系统原理图
3.2.3 时钟电路
振荡电路和单片机内部的时钟一起构成了单片机的时钟电路。根据硬件电路的不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。在工程应用中，最常用的是内部时钟方式，下面详细介绍单片机的内部时钟方式。
如图3-2所示，单片机的两个引脚X1、X2分别接到石英振荡器的两端，与电容C2和C3构成并联谐振电路。对外接电容C2和C3的大小虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率、振荡器的稳定、起振的快速性。通常选择30pF左右，也可以在5～60pF之间选择。电容的大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微调作用。石英振荡器可以在1.2～12MHz之间任选，工程上常用的是11.0592MHz的石英振荡器。在实际的应用中，这个频率的石英振荡器效果是比较好的。
图3-2 内部时钟方式
设计工程印刷板时，晶振和电容应尽可能靠近单片机，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定可靠的工作。另外，晶振周围最好用地线包围，附近尽量避免有其他信号线，以减小干扰。
最小系统搭建后，若供电电压正常，下一步的工作就是利用示波器观察单片机X2脚上输出的正弦波。如果波形规整，说明晶振起振，单片机内部时钟已经工作。
补充知识点
计算机在执行指令时，实际上是将一条指令分解为若干个基本的微操作。这些微操作对应的脉冲信号在时间上的先后次序称为计算机的时序。单片机的时序包含下面4种周期类型：
振荡周期：振荡脉冲的周期。
时钟周期：两个振荡周期组成一个时钟周期，也称状态周期，用S来表示，时钟周期的两个振荡周期作为两个节拍，分别用P1和P2表示。
机器周期：一个机器周期由6个时钟周期组成，共包含12个振荡周期，依次表示为“S1P1”、“S1P2”、“S2P1”、“S2P2”、…、“S6P1”和“S6P2”。
指令周期：指令周期为单片机执行一条指令所需要的全部时间，根据要执行指令的不同，通常含有1～4个机器周期。
各周期关系如图3-3所示。“8051”的指令系统中，单字节和双字节指令一般是单机器周期或双机器周期的，3字节指令都是双机器周期的，乘法指令为4机器周期。
图3-3 单片机时序
3.2.4 复位电路
复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。为了保证单片机可靠地复位，在设计时通常使REST引脚保持10ms以上的复位信号。只要REST保持复位信号，单片机将循环复位。复位后，单片机从0000H地址开始执行程序。
复位电路分为高电平有效和低电平有效两种。它们都是利用RC的输入-输出特性的原理。两种复位方式电路如图3-4和图3-5所示。在工程项目中，单片机的复位信号是高电平有效，因此采用了第一种方式。
图3-4 高电平有效复位电路
图3-5 低电平有效复位电路
这两种复位电路叫做阻容复位电路，成本低廉，适合一般场合。但这种电路解决不了电源毛刺和电源缓慢下降（电池电压不足）等问题，而且调整RC常数改变延时会令驱动能力变差。所以如果要保证任何情况下都产生稳定可靠的复位信号，则要选择专用的复位芯片，目前市面上有很多系列，读者有兴趣可以自己找些这方面的资料进行研究。
至此，就完成了单片机最小系统的设计。已经可以在系统上运行。
设计完一个最小系统后，当系统点亮第一个指示灯的时候，你会发现，这些都会令自己如此激动。