單片機最小系統(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為核心元件的可以正常工作的具有特定功能的單片機系統(tǒng)，是單片機產(chǎn)品開發(fā)的核心電路。而且單片機最小系統(tǒng)是在以51單片機為基礎(chǔ)上擴展，使其能更方便地運用于測試系統(tǒng)中。下面將介紹其的組成：
單片機最小系統(tǒng)主要由電源、復(fù)位、振蕩電路以及擴展部分等部分組成。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)運行的前提和基礎(chǔ)。51單片機雖然使用時間最早、應(yīng)用范圍最廣，但是在實際使用過程中，一個和典型的問題就是相比其他系列的單片機，51單片機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算機的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，單片機復(fù)位電路作用是把一個例如狀態(tài)機初始化到空狀態(tài)，而在單片機內(nèi)部，復(fù)位的時候單片機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
單片機復(fù)位電路原理是在單片機的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實現(xiàn)上電復(fù)位。當復(fù)位電平持續(xù)兩個機器周期以上時復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時間必須大于單片機的兩個機器周期。具體數(shù)值可以由RC電路計算出時間常數(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在上電時RST腳上有足夠時間的高電平進行復(fù)位，隨后回歸到低電平進入正常工作狀態(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復(fù)位。
3.振蕩電路
單片機系統(tǒng)里都有晶振，在單片機系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，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個獨立LED，由P1口控制，采用共陽級接法所以只有當P1口輸出低電平時LED才會點亮。
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，當單片機的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，利用單片機可以控制所存器的所存端，進而控制鎖存器的數(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 獨立和矩陣鍵盤電路圖
圖8中S2-S3為4個獨立按鍵，與單片機的P3.4-P3.7分別相連。
獨立鍵盤與單片機相連時，每個按鍵都需要單片機的一個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，基準電壓為正負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算機背后的COM口，用于單片機與上位機通信以及和其他串口設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。
以上就是單片機最小系統(tǒng)的組成介紹了。由于單片機往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，因此還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體應(yīng)用對象特點的軟件結(jié)合，來更好的完善使用。
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