单片机硬件电路设计

常用的几个系列单片机
MCS-51及其兼容系列： 及其兼容系列： 及其兼容系列
– 英特尔公司的MCS-51系列单片机是目前应 系列单片机是目前应 英特尔公司的 用最广泛的8位单片机之一 并且ATMEL、 位单片机之一， 用最广泛的 位单片机之一，并且 、 PHILIPS、ADI、MAXIM、LG、 、 、 、 、 SIEMENS等公司都有其兼容型号的芯片。 等公司都有其兼容型号的芯片。 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， 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， 存储空间大，片内集成外设丰富，功耗低等 优点， 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 程序存储器， 程序存储器 价格便宜。 仪器仪表、测控系统、嵌入系统等开发。 仪器仪表、测控系统、嵌入系统等开发。
VCC
12V R3 RES2 R5 3 REFIN
R? 3 RES2 1
REFIN
D9 TLห้องสมุดไป่ตู้31 2
POT2 1 R4 RES2
D1 TL431 2
图5
图6
ISD1420语音录放电路 语音录放电路
• ISD1420是单片录放集成芯片，它采用 是单片录放集成芯片， 是单片录放集成芯片 模拟号直接存储还原技术制成的， 模拟号直接存储还原技术制成的，能 录放20s语音 录放 语音
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
wb.li@
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。 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。 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、 控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规 定的任务。 定的任务。 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、 展灵活、使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表、 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、 家用电器、医用设备、航空航天、通信产品、智能 玩具、汽车电子、 玩具、汽车电子、专用设备的智能化管理及过程控 制等领域。 制等领域。
• 4、系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。 如 、系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。 选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中 芯片单片机构成低功耗系统时， 选用 芯片单片机构成低功耗系统时 所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。 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、 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。 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 、外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。 能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动 能力不足时，系统工作不可靠， 器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。 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 、尽量朝“单片”方向设计硬件系统。 越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也 越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大， 不可避免地降低了系统的稳定性。 不可避免地降低了系统的稳定性。
PIC系列 系列 – Microchip公司 公司PIC系列单片机是 系列单片机是CMOS工艺的 工艺的 公司 系列单片机是 RISC结构 位单片机，这类单片机具有功耗低、 结构8位单片机 这类单片机具有功耗低、 结构 位单片机， 体积小、OTP（或FLASH）、内含看门狗和电 ）、内含看门狗和电 体积小、 （ ）、 源监测、A/D、EEPROM、抗干扰能力强、价 源监测、 、 、抗干扰能力强、 格低廉等特点，特别适合应用于家电、消费电 格低廉等特点，特别适合应用于家电、 子产品、仪表、玩具、计算机外设等领域。 子产品、仪表、玩具、计算机外设等领域。
• AVR系列 系列
– ATMEL公司 公司AVR系列单片机是基于 系列单片机是基于RISC结构的 公司 系列单片机是基于 结构的 FLASH单片机，其最大的特点是能够在线编程。 单片机， 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 位 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 华邦、義隆 位 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、 适用于玩具、游戏机等电池供电、液晶显示的消 费电子产品。 费电子产品。
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 基准电压源提供给 和 基准参考电压。 基准参考电压 可以根据需要，改变电阻值比例大小设置2.5V--36V 可以根据需要，改变电阻值比例大小设置 的电压。如图5所示 为该芯片的典型接法， 所示， 的电压。如图 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 改变滑动变阻器值大小， 基准电压为 。 改变滑动变阻器值大小 置参考电压大小，在该系统中调节使两阻值相等， 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。 出参考电压 。
SPI接口 电路 接口AD电路 接口
SPI 接口 接口A/D的扩展 的扩展
MAX1202
SPI 接口 A的扩展 接口D/ 的扩展
• 高精度的10位D/A转换芯片 转换芯片TLC5615，同时采 高精度的 位 转换芯片 ， 用TL431产生的高精度的 产生的高精度的2.5V参考电压基准源，其 参考电压基准源， 产生的高精度的 参考电压基准源 有输出的电压值增倍功能。单片机以SPI的方式驱 有输出的电压值增倍功能。单片机以 的方式驱 动它产生电压，其精度可以达到1/210即达到 即达到0.1% 动它产生电压，其精度可以达到 即达到 ，电路接法如图7所示。 所示。 电路接法如图 所示
单片机类型
集中指令集（CISC）和精简指令集（RISC） 集中指令集（ ）和精简指令集（ ）
– 采用CISC结构的单片机数据线和指令线分时复 结构的单片机数据线和指令线分时复 采用 即所谓冯.诺伊曼结构 它的指令丰富， 诺伊曼结构。 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， 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。 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 结构的单片机， 采用 结构的单片机 ，即所谓哈佛结构。这使得取指令和取数据可 即所谓哈佛结构。 同时进行，且由于一般指令线宽于数据线， 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 其指令较同类 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， 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， 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。 利用率大大提高，有利于实现超小型化。
LED输出电路 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 数码动态扫描电路
串行SPI接口 接口LED数码管及键盘管理器件 ZLG7289A 串行 接口 数码管及键盘管理器件 ZLG7289A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。
SPI 接口 A的扩展 接口D/ 的扩展
• D/A转换器采用 转换器采用Microchip公司的 公司的MCP4921芯片， 芯片， 转换器采用 公司的 芯片 其为SPI接口，和单片机的连接比较方便，只需要 接口， 其为 接口 和单片机的连接比较方便， 片选CS、时钟SCK、数据输出 片选 、时钟 、数据输出SDO和数据锁存 和数据锁存 LDAC 4个引脚。为了提高 输出的稳定性，在 个引脚。 输出的稳定性， 个引脚 为了提高DA输出的稳定性 D/A的输出端接入了一个 滤波电路，并增加了一 的输出端接入了一个RC滤波电路 的输出端接入了一个 滤波电路， 运放组成射级跟随器。 级OP07运放组成射级跟随器。其电路原理图如图 运放组成射级跟随器 所示。 所示。
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。 、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。 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。 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 、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。 构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是： 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， 件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结 但必须注意，由软件实现的硬件功能， 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。 应时间比硬件实现长，且占用 时间。 时间
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： 部分内容：
– 一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如 一是系统扩展，即单片机内部的功能单元， ROM、RAM、I/O、定时器 计数器、中断系统 计数器、 、 、 、定时器/计数器 等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进 等不能满足应用系统的要求时， 行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。 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 二是系统的配置， 围设备，如键盘、显示器、打印机、 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。 转换器等，要设计合适的接口电路。