单片机硬件电路设计.pdf

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单片机应用设计单片机应用设计单片机应用设计单片机应用设计概述概述单片机是一种大规模的具有计算机基本功能的单片单片机是一种大规模的具有计算机基本功能的单片单片机是一种大规模的具有计算机基本功能的单片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集成电路。

可以与少量外围电路构成一个小而完善集成电路。

可以与少量外围电路构成一个小而完善集成电路。

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的计算机系统。

芯片内置和外围的电路能在软件的的计算机系统。

芯片内置和外围的电路能在软件的的计算机系统。

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控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。

定的任务。

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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、扩单片机具有体积小、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、扩展灵活、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、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、智能家用电器、医用设备、航空航天、通信产品、智能家用电器、医用设备、航空航天、通信产品、智能家用电器、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玩具、汽车电子、专用设备的智能化管理及过程控玩具、汽车电子、专用设备的智能化管理及过程控玩具、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。

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可以与少量外围电路构成一个小而完善集成电路。

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可以与少量外围电路构成一个小而完善集成电路。

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的计算机系统。

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制等领域。

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单片机类型单片机类型集中指令集（集中指令集（集中指令集（集中指令集（CISCCISCCISCCISC）和精简指令集（）和精简指令集（）和精简指令集（）和精简指令集（RISCRISCRISCRISC）采用采用采用采用CISCCISCCISCCISC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用，即所谓冯用，即所谓冯用，即所谓冯用，即所谓冯.诺伊曼结构。

它的指令丰富，功诺伊曼结构。

它的指令丰富，功诺伊曼结构。

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它的指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格亦高。

受限，价格亦高。

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采用采用采用采用RISCRISCRISCRISC结构的单片机，数据线和指令线分离结构的单片机，数据线和指令线分离结构的单片机，数据线和指令线分离结构的单片机，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，即所谓哈佛结构。

这使得取指令和取数据可同，即所谓哈佛结构。

这使得取指令和取数据可同，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，使其指时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类令较同类令较同类令较同类CISCCISCCISCCISC单片机指令包含更多的处理信息单片机指令包含更多的处理信息单片机指令包含更多的处理信息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，执行效率更高，速度亦更快。

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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机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。

大提高，有利于实现超小型化。

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集中指令集（集中指令集（集中指令集（集中指令集（CISCCISCCISCCISC）和精简指令集（）和精简指令集（）和精简指令集（）和精简指令集（RISCRISCRISCRISC）采用采用采用采用CISCCISCCISCCISC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用，即所谓冯用，即所谓冯用，即所谓冯用，即所谓冯.诺伊曼结构。

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同时，这种单片，执行效率更高，速度亦更快。

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大提高，有利于实现超小型化。

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常用的几个系列单片机常用的几个系列单片机MCS-51MCS-51MCS-51MCS-51及其兼容系列：

及其兼容系列：

及其兼容系列：

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英特尔公司的英特尔公司的英特尔公司的英特尔公司的MCS-51MCS-51MCS-51MCS-51系列单片机是目前应系列单片机是目前应系列单片机是目前应系列单片机是目前应用最广泛的用最广泛的用最广泛的用最广泛的8888位单片机之一，并且位单片机之一，并且位单片机之一，并且位单片机之一，并且ATMELATMELATMELATMEL、PHILIPSPHILIPSPHILIPSPHILIPS、ADIADIADIADI、MAXIMMAXIMMAXIMMAXIM、LGLGLGLG、SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENS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。

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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，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，功耗低等存储空间大，片内集成外设丰富，功耗低等存储空间大，片内集成外设丰富，功耗低等存储空间大，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优点，其中大部分兼容芯片都含有片内优点，其中大部分兼容芯片都含有片内优点，其中大部分兼容芯片都含有片内FLASHFLASHFLASHFLASH程序存储器，价格便宜。

适合应用于程序存储器，价格便宜。

适合应用于程序存储器，价格便宜。

适合应用于程序存储器，价格便宜。

适合应用于仪器仪表、测控系统、嵌入系统等开发。

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。

仪器仪表、测控系统、嵌入系统等开发。

MCS-51MCS-51MCS-51MCS-51及其兼容系列：

及其兼容系列：

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英特尔公司的英特尔公司的英特尔公司的英特尔公司的MCS-51MCS-51MCS-51MCS-51系列单片机是目前应系列单片机是目前应系列单片机是目前应系列单片机是目前应用最广泛的用最广泛的用最广泛的用最广泛的8888位单片机之一，并且位单片机之一，并且位单片机之一，并且位单片机之一，并且ATMELATMELATMELATMEL、PHILIPSPHILIPSPHILIPSPHILIPS、ADIADIADIADI、MAXIMMAXIMMAXIMMAXIM、LGLGLGLG、SIEMENSSIEMENSSIEMENSSIEMENS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。

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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，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，功耗低等存储空间大，片内集成外设丰富，功耗低等存储空间大，片内集成外设丰富，功耗低等存储空间大，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优点，其中大部分兼容芯片都含有片内优点，其中大部分兼容芯片都含有片内优点，其中大部分兼容芯片都含有片内FLASHFLASHFLASHFLASH程序存储器，价格便宜。

适合应用于程序存储器，价格便宜。

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适合应用于仪器仪表、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。

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PICPICPICPIC系列系列系列系列MicrochipMicrochipMicrochipMicrochip公司公司公司公司PICPICPICPIC系列单片机是系列单片机是系列单片机是系列单片机是CMOSCMOSCMOSCMOS工艺的工艺的工艺的工艺的RISCRISCRISCRISC结构结构结构结构8888位单片机，这类单片机具有功耗低、位单片机，这类单片机具有功耗低、位单片机，这类单片机具有功耗低、位单片机，这类单片机具有功耗低、体积小、体积小、体积小、体积小、OTPOTPOTPOTP（或（或（或（或FLASHFLASHFLASHFLASH）、内含看门狗和电）、内含看门狗和电）、内含看门狗和电）、内含看门狗和电源监测、源监测、源监测、源监测、A/DA/DA/DA/D、EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM、抗干扰能力强、价、抗干扰能力强、价、抗干扰能力强、价、抗干扰能力强、价格低廉等特点，特别适合应用于家电、消费电子格低廉等特点，特别适合应用于家电、消费电子格低廉等特点，特别适合应用于家电、消费电子格低廉等特点，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。

产品、仪表、玩具、计算机外设等领域。

产品、仪表、玩具、计算机外设等领域。

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PICPICPICPIC系列系列系列系列MicrochipMicrochipMicrochipMicrochip公司公司公司公司PICPICPICPIC系列单片机是系列单片机是系列单片机是系列单片机是CMOSCMOSCMOSCMOS工艺的工艺的工艺的工艺的RISCRISCRISCRISC结构结构结构结构8888位单片机，这类单片机具有功耗低、位单片机，这类单片机具有功耗低、位单片机，这类单片机具有功耗低、位单片机，这类单片机具有功耗低、体积小、体积小、体积小、体积小、OTPOTPOTPOTP（或（或（或（或FLASHFLASHFLASHFLASH）、内含看门狗和电）、内含看门狗和电）、内含看门狗和电）、内含看门狗和电源监测、源监测、源监测、源监测、A/DA/DA/DA/D、EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM、抗干扰能力强、价、抗干扰能力强、价、抗干扰能力强、价、抗干扰能力强、价格低廉等特点，特别适合应用于家电、消费电子格低廉等特点，特别适合应用于家电、消费电子格低廉等特点，特别适合应用于家电、消费电子格低廉等特点，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。

产品、仪表、玩具、计算机外设等领域。

产品、仪表、玩具、计算机外设等领域。

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单片机应用系统的硬件电路设计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，如ROMROMROMROM、RAMRAMRAMRAM、I/OI/OI/OI/O、定时器、定时器/计数器、中断系统计数器、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。

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、设备，如键盘、显示器、打印机、A/DA/DA/DA/D、D/AD/AD/AD/A转转换器等，要设计合适的接口电路。

换器等，要设计合适的接口电路。

一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两一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，如ROMROMROMROM、RAMRAMRAMRAM、I/OI/OI/OI/O、定时器、定时器/计数器、中断系统计数器、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。

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、设备，如键盘、显示器、打印机、A/DA/DA/DA/D、D/AD/AD/AD/A转转换器等，要设计合适的接口电路。

换器等，要设计合适的接口电路。

系统的扩展和配置原则系统的扩展和配置原则1111、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。

2222、系统扩展与外围设备、系统扩展与外围设备应充分满足应用系统的功能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。

要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。

3333、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。

硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：

软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，且占用应时间比硬件实现长，且占用CPUCPUCPUCPU时间。

时间。

1111、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。

2222、系统扩展与外围设备、系统扩展与外围设备应充分满足应用系统的功能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。

要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。

3333、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。

硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：

软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，且占用应时间比硬件实现长，且占用CPUCPUCPUCPU时间。

时间。

4444、系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。

、系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。

如如选用选用CMOSCMOSCMOSCMOS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，系统中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。

5555、可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一、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。

6666、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。

驱动能力不足时，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，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。

器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。

7777、尽量朝、尽量朝“单片单片”方向设计硬件系统。

系统器件越方向设计硬件系统。

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。

可避免地降低了系统的稳定性。

4444、系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。

、系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。

如如选用选用CMOSCMOSCMOSCMOS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，系统中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。

5555、可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一、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。

6666、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。

驱动能力不足时，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，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。

器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。

7777、尽量朝、尽量朝“单片单片”方向设计硬件系统。

系统器件越方向设计硬件系统。

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。

可避免地降低了系统的稳定性。

LEDLEDLEDLED输出电路输出电路键盘输入电路键盘输入电路阵列键盘动态扫描电路阵列键盘动态扫描电路LEDLEDLEDLED数码动态扫描电路数码动态扫描电路串行串行SPISPISPISPI接口接口LEDLEDLEDLED数码管及键盘管理器件数码管及键盘管理器件ZLG7289AZLG7289AZLG7289AZLG7289A串行串行SPISPISPISPI接口接口LEDLEDLEDLED数码管及键盘管理器件数码管及键盘管理器件ZLG7289AZLG7289AZLG7289AZLG7289A蜂鸣器和继电器驱动电路蜂鸣器和继电器驱动电路单片机和单片机和PCPCPCPC接口电路接口电路输出口的扩展输出口的扩展输入口的扩展输入口的扩展SPISPISPISPI接口接口EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM的扩展的扩展93C46I2CI2CI2CI2C接口的接口的EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM扩展电路扩展电路串行串行LEDLEDLEDLED显示的扩展显示的扩展I2CI2CI2CI2C接口接口EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM的扩展的扩展基准电压源设计基准电压源设计123D9TL431R?

RES2REFINVCC123D1TL431R3RES2REFINR4RES2R5POT2C1CAP12V图5图6ISD1420ISD1420ISD1420ISD1420语音录放电路语音录放电路ISD1420ISD1420ISD1420ISD1420是单片录放集成芯片，它采用是单片录放集成芯片，它采用是单片录放集成芯片，它采用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，能模拟号直接存储还原技术制成的，能模拟号直接存储还原技术制成的，能模拟号直接存储还原技术制成的，能录放录放录放录放20s20s20s20s语音语音语音语音SPISPISPISPI接口接口ADADADAD电路电路SPISPISPISPI接口接口A/DA/DA/DA/D的扩展的扩展MAX1202SPISPISPISPI接口接口D/D/D/D/AAAA的扩展的扩展高精度的高精度的10101010位位D/AD/AD/AD/A转换芯片转换芯片TLC5615TLC5615TLC5615TLC5615，同时采，同时采用用TL431TL431TL431TL431产生的高精度的产生的高精度的2.5V2.5V2.5V2.5V参考电压基准源，其参考电压基准源，其有输出的电压值增倍功能。

单片机以有输出的电压值增倍功能。

单片机以SPISPISPISPI的方式驱的方式驱动它产生电压，其精度可以达到动它产生电压，其精度可以达到1/2101/2101/2101/210即达到即达到0.1%0.1%0.1%0.1%，电路接法如图，电路接法如图7777所示。

所示。

高精度的高精度的10101010位位D/AD/AD/AD/A转换芯片转换芯片TLC5615TLC5615TLC5615TLC5615，同时采，同时采用用TL431TL431TL431TL431产生的高精度的产生的高精度的2.5V2.5V2.5V2.5V参考电压基准源，其参考