51單片機最小系統講解，原理圖及pcb文件

ID:456580 · 發表于 2020-5-8 19:10

單片機:單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，在工業控制領域廣泛應用。
先上原理圖和PCB，原理介紹在后面：

最小系統組成：
51單片機最小系統：單片機、復位電路、晶振（時鐘）電路、電源
最小系統用到的引腳
1、主電源引腳（2根）
VCC：電源輸入，接＋5V電源
GND：接地線
2、外接晶振引腳（2根）
XTAL1：片內振蕩電路的輸入端
XTAL2：片內振蕩電路的輸出端
3、控制引腳（4根）
RST/VPP：復位引腳，引腳上出現2個機器周期(如果用11.0592Mhz的晶振，一個機器周期為1us,一個機器周期等于12個時鐘周期)的高電平將使單片機復位,
電源：
電腦端輸出232電平，單片機是TTL電平，需要USB轉換模塊對其轉換
復位電路：分為高電平和低電平復位。上電復位、按鍵復位、看門狗復位。
單片機的復位電路就好比電腦的重啟部分，當電腦在使用過程中死機，按下重啟按鈕電腦內部的程序開始從頭執行。單片機也一樣，當單片機系統在運行中，受到環境干擾出現程序跑飛的時候，按下復位按鈕，內部程序從頭開始執行。（包括上電復位和按鍵復位）當這個電路處于穩態時，電容起到隔離直流的作用，隔離了+5V，而左側的復位按鍵是彈起狀態，下邊部分電路就沒有電壓差的產生，所以按鍵和電容C11 以下部分的電位都是和GND 相等的，也就是 0V。我們這個單片機是高電平復位，低電平正常工作，所以正常工作的電壓是 0V，沒有問題。我們再來分析從沒有電到上電的瞬間，電容 C11 上方電壓是 5V，下方是 0V，根據我們初中所學的知識，電容 C11 要進行充電，正離子從上往下充電，負電子從 GND 往上充電，這個時候電容對電路來說相當于一根導線，全部電壓都加在了 R31 這個電阻上，那么 RST端口位置的電壓就是 5V，隨著電容充電越來越多，即將充滿的時候，電流會越來越小，那RST 端口上的電壓值等于電流乘以 R31 的阻值，也就會越來越小，一直到電容完全充滿后，線路上不再有電流，這個時候RST 和 GND 的電位就相等了也就是 0V 了。

從這個過程上來看，我們加上這個電路，單片機系統上電后，RST 引腳會先保持一小段時間的高電平而后變成低電平，這個過程就是上電復位的過程。那這個“一小段時間”到底是多少才合適呢？每種單片機不完全一樣，51 單片機手冊里寫的是持續時間不少于 2 個機器周期的時間。復位電壓值，每種單片機不完全一樣，我們按照通常值 0.7VCC 作為復位電壓值，復位時間的計算過程比較復雜，我這里只給大家一個結論，時間t=1.2RC，我們用的 R是 4700 歐，C 是 0.0000001 法，那么計算出 t 就是 0.000564 秒，即564us，遠遠大于 2 個機器周期(2us)，在電路設計的時候一般留夠余量就行。
按鍵復位（即手動復位）有 2 個過程，按下按鍵之前，RST 的電壓是 0V，當按下按鍵后電路導通，同時電容也會在瞬間進行放電，RST 電壓值變化為 4700VCC/(4700+18)，會處于高電平復位狀態。當松開按鍵后就和上電復位類似了，先是電容充電，后電流逐漸減小直到 RST 電壓變 0V 的過程。我們按下按鍵的時間通常都會有幾百毫秒，這個時間足夠復位了。
按下按鍵的瞬間，電容兩端的 5V 電壓（注意不是電源的 5V 和 GND 之間）會被直接接通，此刻會有一個瞬間的大電流沖擊，會在局部范圍內產生電磁干擾，為了抑制這個大電流所引起的干擾，我們這里在電容放電回路中串入一個 18 歐的電阻來限流。
晶振（時鐘電路）：
晶振通常分為無源晶振和有源晶振兩種類型，無源晶振一般稱之為 crystal（晶體），而有源晶振則叫做 oscillator（振蕩器）。
有源晶振是一個完整的諧振振蕩器，它是利用石英晶體的壓電效應來起振，所以有源晶振需要供電，當我們把有源晶振電路做好后，不需要外接其它器件，只要給它供電，它就可以主動產生振蕩頻率，并且可以提供高精度的頻率基準，信號質量也比無源信號要好。無源晶振自身無法振蕩起來，它需要芯片內部的振蕩電路一起工作才能振蕩，它允許不同的電壓，但是信號質量和精度較有源晶振差一些。相對價格來說，無源晶振要比有源晶振價格便宜很多。無源晶振兩側通常都會有個電容，一般其容值都選在10pF~40pF 之間，我們用 20pF 就是比較好的選擇，這是一個長久以來的經驗值，具有極其普遍的適用性。

有源晶振通常有 4 個引腳，VCC，GND，晶振輸出引腳和一個沒有用到的懸空引腳（有些晶振也把該引腳作為使能引腳）。無源晶振有 2 個或 3 個引腳，如果是 3 個引腳的話，中間引腳接是晶振的外殼，使用時要接到 GND，兩側的引腳就是晶體的 2 個引出腳了，這兩個引腳作用是等同的，就像是電阻的 2 個引腳一樣，沒有正負之分。對于無源晶振，用我們的單片機上的兩個晶振引腳接上去即可，而有源晶振，只接到單片機的晶振的輸入引腳上，輸出引腳上不需要。
總結：
1. 51單片機最小系統復位電路的極性電容C1的大小直接影響單片機的復位時間，一般采用10~30uF，51單片機最小系統容值越大需要的復位時間越短。
2. 51單片機最小系統晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz典型的晶振取11.0592MHz(因為可以準確地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通訊的場合)在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振，51單片機最小系統晶振的振蕩頻率直接影響單片機的處理速度，頻率越大處理速度越快。
3. 51單片機最小系統起振電容C2、C3一般采用10~40pF，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機越近越好
4. P0口為開漏輸出，作為輸出口時需加上拉電阻，阻值一般為10k。
附件有原理圖和pcb布線工程的下載