單片機硬件電路設計課件

概述單片機是一種大規(guī)模的具有計算機基本功能的單片集成電路。可以與少量外圍電路構成一個小而完善的計算機系統(tǒng)。芯片內置和外圍的電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設計者事先規(guī)定的任務。單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、通信產(chǎn)品、智能玩具、汽車電子、專用設備的智能化管理及過程控制等領域。概述單片機是一種大規(guī)模的具有計算機基本功能的單單片機類型集中指令集（CISC）和精簡指令集（RISC）采用CISC結構的單片機數(shù)據(jù)線和指令線分時復用，即所謂馮.諾伊曼結構。它的指令豐富，功能較強，但取指令和取數(shù)據(jù)不能同時進行，速度受限，價格亦高。采用RISC結構的單片機，數(shù)據(jù)線和指令線分離，即所謂哈佛結構。這使得取指令和取數(shù)據(jù)可同時進行，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，這種單片機指令多為單字節(jié)，程序存儲器的空間利用率大大提高，有利于實現(xiàn)超小型化。單片機類型集中指令集（CISC）和精簡指令集（RISC）常用的幾個系列單片機MCS-51及其兼容系列：英特爾公司的MCS-51系列單片機是目前應用最廣泛的8位單片機之一，并且ATMEL、PHILIPS、ADI、MAXIM、LG、SIEMENS等公司都有其兼容型號的芯片。這個系列的單片機具有運算與尋址能力強，存儲空間大，片內集成外設豐富，功耗低等優(yōu)點，其中大部分兼容芯片都含有片內FLASH程序存儲器，價格便宜。適合應用于儀器儀表、測控系統(tǒng)、嵌入系統(tǒng)等開發(fā)。常用的幾個系列單片機MCS-51及其兼容系列：PIC系列Microchip公司PIC系列單片機是CMOS工藝的RISC結構8位單片機，這類單片機具有功耗低、體積小、OTP（或FLASH）、內含看門狗和電源監(jiān)測、A/D、EEPROM、抗干擾能力強、價格低廉等特點，特別適合應用于家電、消費電子產(chǎn)品、儀表、玩具、計算機外設等領域。PIC系列AVR系列ATMEL公司AVR系列單片機是基于RISC結構的FLASH單片機，其最大的特點是能夠在線編程。華邦、義隆4位LCD驅動及語音系列華邦、義隆4位LCD驅動及語音系列單片機特別適用于玩具、游戲機等電池供電、液晶顯示的消費電子產(chǎn)品。MSP430系列TI公司MSP430系列超低功耗系列單片機是一種超低功耗的16位單片機，內置A/D轉換器、串行通信接口、硬件乘法器、LCD驅動電路，具有極高的抗干擾能力。特別適合應用于智能儀表、防盜系統(tǒng)、智能化家用電器、電池供電便攜式設備等產(chǎn)品。AVR系列單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含兩部分內容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒O計相應的電路。二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、打印機、A/D、D/A轉換器等，要設計合適的接口電路。單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計系統(tǒng)的擴展和配置原則1、盡可能選擇典型電路，并符合單片機常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標準化、模塊化打下良好的基礎。2、系統(tǒng)擴展與外圍設備應充分滿足應用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當余地，以便進行二次開發(fā)。3、硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件結構。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，一般響應時間比硬件實現(xiàn)長，且占用CPU時間。系統(tǒng)的擴展和配置原則1、盡可能選擇典型電路，并符合單片機常規(guī)4、系統(tǒng)中的相關器件要盡可能做到性能匹配。如選用CMOS芯片單片機構成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中所有芯片都應盡可能選擇低功耗產(chǎn)品。5、可靠性及抗干擾設計是硬件設計必不可少的一部分，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，必須考慮其驅動能力。驅動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，可通過增設線驅動器增強驅動能力或減少芯片功耗來降低總線負載。7、盡量朝“單片”方向設計硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強，功耗也增大，也不可避免地降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4、系統(tǒng)中的相關器件要盡可能做到性能匹配。如選用CMOS芯LED輸出電路LED輸出電路鍵盤輸入電路鍵盤輸入電路陣列鍵盤動態(tài)掃描電路陣列鍵盤動態(tài)掃描電路LED數(shù)碼動態(tài)掃描電路LED數(shù)碼動態(tài)掃描電路串行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驅動8位共陰式數(shù)碼管或64只獨立LED的智能顯示驅動芯片該芯片，同時還可連接多達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。串行SPI接口LED數(shù)碼管及鍵盤管理器件ZLG7289AZ蜂鳴器和繼電器驅動電路蜂鳴器和繼電器驅動電路單片機和PC接口電路單片機和PC接口電路輸出口的擴展輸出口的擴展輸入口的擴展輸入口的擴展SPI接口EEPROM的擴展93C46SPI接口EEPROM的擴展93C46I2C接口的EEPROM擴展電路I2C接口的EEPROM擴展電路串行LED顯示的擴展串行LED顯示的擴展I2C接口EEPROM的擴展I2C接口EEPROM的擴展基準電壓源設計基準電壓源提供給A/D和D/A基準參考電壓。TL431可以根據(jù)需要，改變電阻值比例大小設置2.5V--36V的電壓。如圖5所示，為該芯片的典型接法，提供的基準電壓為2.5V。圖6改變滑動變阻器值大小，可設置參考電壓大小，在該系統(tǒng)中調節(jié)使兩阻值相等，輸出參考電壓5V。

圖5 圖6基準電壓源設計基準電壓源提供給A/D和D/A基準參考電壓。TISD1420語音錄放電路ISD1420是單片錄放集成芯片，它采用模擬號直接存儲還原技術制成的，能錄放20s語音ISD1420語音錄放電路ISD1420是單片錄放集成芯片SPI接口AD電路SPI接口AD電路SPI接口A/D的擴展MAX1202SPI接口A/D的擴展MAX1202SPI接口D/A的擴展