单片机硬件电路设计

单片机硬件电路设计第1页，共28页，2023年，2月20日，星期一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。第2页，共28页，2023年，2月20日，星期一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。第3页，共28页，2023年，2月20日，星期一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。第4页，共28页，2023年，2月20日，星期一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。第5页，共28页，2023年，2月20日，星期一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。第6页，共28页，2023年，2月20日，星期一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。第7页，共28页，2023年，2月20日，星期一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。第8页，共28页，2023年，2月20日，星期一4、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。第9页，共28页，2023年，2月20日，星期一LED输出电路第10页，共28页，2023年，2月20日，星期一键盘输入电路第11页，共28页，2023年，2月20日，星期一阵列键盘动态扫描电路第12页，共28页，2023年，2月20日，星期一LED数码动态扫描电路第13页，共28页，2023年，2月20日，星期一串行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。第14页，共28页，2023年，2月20日，星期一蜂鸣器和继电器驱动电路第15页，共28页，2023年，2月20日，星期一单片机和PC接口电路第16页，共28页，2023年，2月20日，星期一输出口的扩展第17页，共28页，2023年，2月20日，星期一输入口的扩展第18页，共28页，2023年，2月20日，星期一SPI接口EEPROM的扩展93C46第19页，共28页，2023年，2月20日，星期一I2C接口的EEPROM扩展电路第20页，共28页，2023年，2月20日，星期一串行LED显示的扩展第21页，共28页，2023年，2月20日，星期一I2C接口EEPROM的扩展第22页，共28页，2023年，2月20日，星期一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。

图5 图6第23页，共28页，2023年，2月20日，星期一ISD1420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语音第24页，共28页，2023年，2月20日，星期一SPI接口AD电路第25页，共28页，2023年，2月20日，星期一SPI接口A/D的扩展MAX1202第26页，共28页，2023年，2月20日，星期一SPI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。第27页，共28页，2023年，2月20日，星期一SPI接口D/A的扩展D/A转换器采用Microc