單片機(jī)最小系統(tǒng)解析(電源、晶振和復(fù)位電路)

我們在學(xué)習(xí)過程中，很多指標(biāo)都是直接用的概念指標(biāo)，比如我們說 +5 V 代表1，GND 代表0等等。但在實(shí)際電路中的電壓值并不是完全精準(zhǔn)的，那這些指標(biāo)允許范圍是什么呢?隨著我們所學(xué)的內(nèi)容不斷增多，大家要慢慢培養(yǎng)一種閱讀數(shù)據(jù)手冊的能力。

比如，我們要使用 STC89C52RC 的時(shí)候，找到它的數(shù)據(jù)手冊第11頁，看第二項(xiàng)——工作電壓：5.5 V～3.4 V(5 V 單片機(jī))，這個(gè)地方就說明這個(gè)單片機(jī)正常的工作電壓是個(gè)范圍值，只要電源 VCC 在 5.5 V～3.4 V 之間都可以正常工作，電壓超過 5.5 V 是絕對(duì)不允許的，會(huì)燒壞單片機(jī)，電壓如果低于 3.4 V，單片機(jī)不會(huì)損壞，但是也不能正常工作。而在這個(gè)范圍內(nèi)，最典型、最常用的電壓值就是 5V，這就是后面括號(hào)里“5 V 單片機(jī)”這個(gè)名稱的由來。除此之外，還有一種常用的工作電壓范圍是 2.7 V～3.6 V、典型值是 3.3 V 的單片機(jī)，也就是所謂的“3.3 V 單片機(jī)”。日后隨著大家接觸更多的器件，對(duì)這點(diǎn)會(huì)有更深刻的理解。

現(xiàn)在我們再順便多了解一點(diǎn)，大家打開 74HC138 的數(shù)據(jù)手冊，會(huì)發(fā)現(xiàn) 74HC138 手冊的第二頁也有一個(gè)表格，上邊寫了 74HC138 的工作電壓范圍，最小值是 4.75 V，額定值是 5 V，最大值是 5.25 V，可以得知它的工作電壓范圍是 4.75 V～5.25 V。這個(gè)地方講這些目的是讓大家清楚的了解，我們獲取器件工作參數(shù)的一個(gè)最重要、也是最權(quán)威的途徑，就是查閱該器件的數(shù)據(jù)手冊。

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(gè)完整的諧振振蕩器，它是利用石英晶體的壓電效應(yīng)來起振，所以有源晶振需要供電，當(dāng)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(dòng)產(chǎn)生振蕩頻率，并且可以提供高精度的頻率基準(zhǔn)，信號(hào)質(zhì)量也比無源信號(hào)要好。

無源晶振自身無法振蕩起來，它需要芯片內(nèi)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(hào)質(zhì)量和精度較有源晶振差一些。相對(duì)價(jià)格來說，無源晶振要比有源晶振價(jià)格便宜很多。無源晶振兩側(cè)通常都會(huì)有個(gè)電容，一般其容值都選在 10 pF~40 pF 之間，如果手冊中有具體電容大小的要求則要根據(jù)要求來選電容，如果手冊沒有要求，我們用 20 pF 就是比較好的選擇，這是一個(gè)長久以來的經(jīng)驗(yàn)值，具有極其普遍的適用性。

我們來認(rèn)識(shí)下比較常用的兩種晶振的樣貌，如圖8-1和圖8-2所示。

圖8-1 有源晶振實(shí)物圖

圖8-2 無源晶振實(shí)物圖

有源晶振通常有4個(gè)引腳，VCC，GND，晶振輸出引腳和一個(gè)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(gè)或3個(gè)引腳，如果是3個(gè)引腳的話，中間引腳接是晶振的外殼，使用時(shí)要接到 GND，兩側(cè)的引腳就是晶體的2個(gè)引出腳了，這兩個(gè)引腳作用是等同的，就像是電阻的2個(gè)引腳一樣，沒有正負(fù)之分。對(duì)于無源晶振，用我們的單片機(jī)上的兩個(gè)晶振引腳接上去即可，而有源晶振，只接到單片機(jī)的晶振的輸入引腳上，輸出引腳上不需要接，如圖8-3和圖8-4所示。

圖8-3 無源晶振接法

圖8-4 有源晶振接法

我們先來分析一下 KST-51 開發(fā)板上的復(fù)位電路，如圖8-5所示。

圖8-5 單片機(jī)復(fù)位電路

當(dāng)這個(gè)電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容起到隔離直流的作用，隔離了 +5 V，而左側(cè)的復(fù)位按鍵是彈起狀態(tài)，下邊部分電路就沒有電壓差的產(chǎn)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 0 V。我們這個(gè)單片機(jī)是高電平復(fù)位，低電平正常工作，所以正常工作的電壓是 0 V，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 5 V，下方是 0 V，根據(jù)我們初中所學(xué)的知識(shí)，電容 C11 要進(jìn)行充電，正離子從上往下充電，負(fù)電子從 GND 往上充電，這個(gè)時(shí)候電容對(duì)電路來說相當(dāng)于一根導(dǎo)線，全部電壓都加在了 R31 這個(gè)電阻上，那么 RST端口位置的電壓就是 5 V，隨著電容充電越來越多，即將充滿的時(shí)候，電流會(huì)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(huì)越來越小，一直到電容完全充滿后，線路上不再有電流，這個(gè)時(shí)候 RST 和 GND 的電位就相等了也就是 0 V 了。

從這個(gè)過程上來看，我們加上這個(gè)電路，單片機(jī)系統(tǒng)上電后，RST 引腳會(huì)先保持一小段時(shí)間的高電平而后變成低電平，這個(gè)過程就是上電復(fù)位的過程。那這個(gè)“一小段時(shí)間”到底是多少才合適呢?每種單片機(jī)不完全一樣，51單片機(jī)手冊里寫的是持續(xù)時(shí)間不少于2個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間。復(fù)位電壓值，每種單片機(jī)不完全一樣，我們按照通常值 0.7 VCC 作為復(fù)位電壓值，復(fù)位時(shí)間的計(jì)算過程比較復(fù)雜，我這里只給大家一個(gè)結(jié)論，時(shí)間 t=1.2 RC，我們用的 R 是4700歐，C 是0.0000001法，那么計(jì)算出 t 就是 0.000564秒，即 564 us，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2個(gè)機(jī)器周期(2 us)，在電路設(shè)計(jì)的時(shí)候一般留夠余量就行。

按鍵復(fù)位(即手動(dòng)復(fù)位)有2個(gè)過程，按下按鍵之前，RST 的電壓是 0 V，當(dāng)按下按鍵后電路導(dǎo)通，同時(shí)電容也會(huì)在瞬間進(jìn)行放電，RST 電壓值變化為 4700 VCC/(4700+18)，會(huì)處于高電平復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)松開按鍵后就和上電復(fù)位類似了，先是電容充電，后電流逐漸減小直到 RST 電壓變 0 V 的過程。我們按下按鍵的時(shí)間通常都會(huì)有幾百毫秒，這個(gè)時(shí)間足夠復(fù)位了。

按下按鍵的瞬間，電容兩端的 5 V 電壓(注意不是電源的 5 V 和 GND 之間)會(huì)被直接接通，此刻會(huì)有一個(gè)瞬間的大電流沖擊，會(huì)在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁干擾，為了抑制這個(gè)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(gè)18歐的電阻來限流。

如果有的同學(xué)已經(jīng)想開始 DIY 設(shè)計(jì)自己的電路板，那單片機(jī)的設(shè)計(jì)現(xiàn)在已經(jīng)有了足夠的理論依據(jù)了，可以考慮嘗試了?；A(chǔ)比較薄弱的同學(xué)先不要著急，繼續(xù)跟著往下學(xué)，把課程都學(xué)完了再動(dòng)手操作也不遲，磨刀不誤砍柴工。