單片機(jī)最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的以單片機(jī)為核心元件的可以正常工作的具有特定功能的單片機(jī)系統(tǒng)，是單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)的核心電路。而且單片機(jī)最小系統(tǒng)是在以51單片機(jī)為基礎(chǔ)上擴(kuò)展，使其能更方便地運(yùn)用于測試系統(tǒng)中。下面將介紹其的組成：
單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由電源、復(fù)位、振蕩電路以及擴(kuò)展部分等部分組成。最小系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
圖1 最小系統(tǒng)電路圖
1.電源供電模塊
對于一個完整的電子設(shè)計(jì)來講，首要問題就是為整個系統(tǒng)提供電源供電模塊，電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。51單片機(jī)雖然使用時間最早、應(yīng)用范圍最廣，但是在實(shí)際使用過程中，一個和典型的問題就是相比其他系列的單片機(jī)，51單片機(jī)更容易受到干擾而出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象，克服這種現(xiàn)象出現(xiàn)的一個重要手段就是為單片機(jī)系統(tǒng)配置一個穩(wěn)定可靠的電源供電模塊。電源模塊電路如圖2所示。
圖2 電源模塊電路圖
此最小系統(tǒng)中的電源供電模塊的電源可以通過計(jì)算機(jī)的USB口供給，也可使用外部穩(wěn)定的5V電源供電模塊供給。電源電路中接入了電源指示LED，圖中R11為LED的限流電阻。S1 為電源開關(guān)。
2.復(fù)位電路
單片機(jī)的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)，一般來說，單片機(jī)復(fù)位電路作用是把一個例如狀態(tài)機(jī)初始化到空狀態(tài)，而在單片機(jī)內(nèi)部，復(fù)位的時候單片機(jī)是把一些寄存器以及存儲設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個值。復(fù)位電路圖如圖3所示。
圖3 復(fù)位電路圖
單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個機(jī)器周期以上時復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時間必須大于單片機(jī)的兩個機(jī)器周期。具體數(shù)值可以由RC電路計(jì)算出時間常數(shù)。
復(fù)位電路由按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成。
(1)上電復(fù)位：STC89系列單片及為高電平復(fù)位，通常在復(fù)位引腳RST上連接一個電容到VCC，再連接一個電阻到GND，由此形成一個RC充放電回路保證單片機(jī)在上電時RST腳上有足夠時間的高電平進(jìn)行復(fù)位，隨后回歸到低電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)，這個電阻和電容的典型值為10K和10uF。
(2)按鍵復(fù)位：按鍵復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下時電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機(jī)復(fù)位。
3.振蕩電路
單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時鐘頻率。振蕩電路如圖4所示。
圖4 振蕩電路圖
在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達(dá)百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器(VCO)。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。
單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。
晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。
STC89C51使用11.0592MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容容量一般在15pF至50pF之間。
4.擴(kuò)展部分
4.1LED電路
圖5 LED電路圖
圖5中主要元件有1K的排阻、LED、。1K的排阻為每個LED的限流電阻。此最小系統(tǒng)提供了8個獨(dú)立LED，由P1口控制，采用共陽級接法所以只有當(dāng)P1口輸出低電平時LED才會點(diǎn)亮。
4.2蜂鳴器電路
圖6 蜂鳴器電路圖
圖6中蜂鳴器使用的是PNP三極管進(jìn)行驅(qū)動控制的，此蜂鳴器為電磁式有源蜂鳴器。三極管的集電極通過蜂鳴器接5V電源，基極是控制端，發(fā)射極接地，當(dāng)單片機(jī)的P2.3輸出低電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲。蜂鳴器為感性原件，也可以在兩端并接一個二極管來起到泄放作用。
4.3系統(tǒng)的數(shù)碼管電路
圖7 數(shù)碼管電路圖
如圖7所示，多位數(shù)碼管的“位選”是可以獨(dú)立控制的，而“段選”是連接在一起的，可以用作數(shù)碼管的動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示。圖7中所示的數(shù)碼管全部為共陰極的數(shù)碼管。74HC573為所存器，利用單片機(jī)可以控制所存器的所存端，進(jìn)而控制鎖存器的數(shù)據(jù)輸出，利用分時控制的方法可以方便地控制任意數(shù)碼管顯示任意數(shù)字。
4.4系統(tǒng)的鍵盤電路
圖8 獨(dú)立和矩陣鍵盤電路圖
圖8中S2-S3為4個獨(dú)立按鍵，與單片機(jī)的P3.4-P3.7分別相連。
獨(dú)立鍵盤與單片機(jī)相連時，每個按鍵都需要單片機(jī)的一個I/O口，若按鍵較多時，占用的I/O口資源就會過多，為此就引入了矩陣鍵盤。圖8中是將16個按鍵排成4行4列，這樣一共有8根線，節(jié)省了8個I/O口。S6-S21即為16個矩陣鍵盤，8條線分別與單片機(jī)飛P3口相連。
4.5A/D電路
圖9 A/D電路圖
集成A/D轉(zhuǎn)換器品種繁多，一般選用逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，圖9中的ADC0804就是這類單片集成A/D轉(zhuǎn)換器。它采用CMOS工藝20引腳的集成芯片，分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時間為100us，輸入電壓范圍為0-5V。芯片內(nèi)具有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器，可以直接連接數(shù)據(jù)總線上。
4.6D/A電路
圖10 D/A電路圖
DAC0832是使用非常普遍的8位D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為1us，工作電壓為+5V~+15V，基準(zhǔn)電壓為正負(fù)10V。它主要由兩個8位寄存器和一個8位D/A轉(zhuǎn)換器組成。其片內(nèi)有輸入數(shù)據(jù)緩沖器，可以直接與單片機(jī)接口。DAC0832一電流形式輸出，需要轉(zhuǎn)換為電壓輸出時，可外接運(yùn)算放大器。
4.7 系統(tǒng)串行通信電路
圖11 串行通信電路圖
RS232串口電路使用MAX232作為電平轉(zhuǎn)換芯片，可以通過串口電纜連接到計(jì)算機(jī)背后的COM口，用于單片機(jī)與上位機(jī)通信以及和其他串口設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。
以上就是單片機(jī)最小系統(tǒng)的組成介紹了。由于單片機(jī)往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機(jī)方面知識是不夠的，因此還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體應(yīng)用對象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，來更好的完善使用。
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