原理图——51单片机最小系统

这个51单片机最小系统电路图最中间一大块就是核心芯片左上9号引脚的是RST就是RESET复位管脚连接的就是一个复位电路左下18、19号引脚是XTAL是晶振的英文缩写连接的是晶振时钟电路12Hz。这个晶振时钟电路先并联一个电阻R2然后并联一个晶振接着串联两个电容接地这两个电容就是谐振电容右上是系统电源的设计图电源通过一个开关之后经过两个电容进行一个滤波然后接入单片机电源电路单片机最小系统中的电源是指能量的来源其中VCC(4O脚)将电源的正极和GN口(20脚)视为电源的输入和输出。接地端(电源负极则用于与地面形成电气连接。选择接入type c接口它分为6PIN 、16PIN、24PIN分别对应USB3.0 、USB2.0以及仅供电。此芯片只需仅供电所以选择6PIN的type c 接口且选择LDO作为降压的线性稳压器5v降到3.3v给单片机1、复位电路总结一下上电过程 通电瞬间RST脚是高电平触发复位电容充满电后RST脚变成低电平单片机开始正常工作。复位相当于电脑的“重启键”。单片机刚通电时或者出现死机时需要给这个引脚一个特定的信号让它从头开始运行。该单片机RST是接高电平复位意思是只要这个引脚上出现了持续一段时间的高电平比如2个机器周期单片机就会“重启”。没按开关刚上电时的魔法假设我们现在刚把电源打开或者刚插上电此时 VCC电源正极比如5V突然有了电。这时候电容 C1 和电阻 R1 会发生什么电容的特性电压不能突变。在刚通电的瞬间电容就像一个“短路”的导线。此时VCC 的 5V 电压会瞬间通过电容 C1 传导到 RST 引脚上。这时RST 引脚处于高电平5V。随着时间推移电容 C1 开始充电。充满电后电容就相当于“断路”了VCC 的电压过不去了。而这个时候RST 引脚通过下面的电阻 R1 连接到了 GND地线0V。所以RST 引脚的电压被 R1 拉低到了低电平0V。按下复位按键时这个图里其实漏画了一个复位按键通常标准的单片机最小系统会在 C1 旁边并联一个按键按下去接地。如果我们按下复位键相当于直接把 RST 引脚通过按键接到了 GND0V这时候电容 C1 里存的电会瞬间通过按键放掉。当松开按键的那一瞬间又重复了上面“刚上电”的过程电源又通过 C1 给RST 脚一个瞬间的高电平单片机就会再次重启。这个电容 C1 和电阻 R1 的组合在电路里叫“RC微分电路”。它的核心作用就是把一直存在的直流高电平变成一个“瞬间的脉冲高电平”让单片机感觉被“戳”了一下从而完成复位。问题一为什么接入电源的瞬间电容相当于“短路”在电路学里有个非常基础但极其重要的物理定律电容两端的电压不能突变。你可以把电容想象成一个“蓄水池”电压就是“水位”。没通电时水池里没水水位是0。刚通电的瞬间接入VCC电源相当于一个巨大的水库突然接上了你的水池。为什么像短路 因为水池里没水电压为0而水库水压很高比如5V。为了平衡水库里的水会瞬间大量、毫无阻力地涌进你的水池。这时候水流的通道非常畅通在电学里这就叫“容性短路”。在这个瞬间RST引脚上感受到的完全是电源的5V电压高电平。之后呢 随着水池里的水越来越多电容充电水位电容两端的电压慢慢升高当升到和水库一样高5V的时候水就流不动了。这时候电容相当于“断路”阻隔直流。此时RST引脚不再从VCC获得电压而是通过下面的电阻R1“漏”到了地线GND电平就变成了0V。所以“短路”只发生在一瞬间微秒级目的就是让RST引脚瞬间“喝”到一口高压。问题二你从哪里知道它是“高电平复位”途径2查官方数据手册DataSheet最权威学硬件数据手册就是圣经。如果你去搜索“STC89C51 数据手册”翻到讲“RST引脚”的那一页你会看到类似这样的话“RST引脚是复位输入端。当振荡器工作时该引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。”附带一句STC官方的芯片手册全是中文的非常适合零基础遇到不懂的引脚直接去搜手册里的引脚定义表。途径3看标准的经典电路抄作业的经验在51单片机领域有一个流传了30年的经典叫“上电复位电路”。51单片机高电平复位必须是 电容接VCC电阻接GND。也就是你图里画的这个上面电容下面电阻中间抽头接引脚。STM32/AVR低电平复位必须是 电容接GND电阻接VCC。上下反过来。你只要记住这个口诀电容在上电阻在下- 上电瞬间出高电平 - 给51用。电阻在上电容在下- 上电瞬间被拉到低电平 - 给STM32用。2、晶振电路单片机工作需要节奏时钟频率晶振X1就是给它提供节拍的。就像人的心脏跳动一样。晶振X1里面是一小块石英晶体就像音叉一样。你敲它一下它会振动但如果你不控制它的振动会越来越弱而且容易受到周围环境干扰。电容的作用就像给音叉装了“共鸣箱”。它们和晶振组成了一个振荡回路。晶振开始起振时这两个电容不断地充放电把能量“喂”给晶振让它维持住稳定的震动频率。如果没这两个电容晶振可能根本起不来不起振或者频率乱飘。问题一为啥是两个电容核心原因因为晶振有“两条腿”晶振X1是跨接在单片机两个引脚之间的引脚18和19。这两个引脚就像是单片机的“左耳”和“右耳”。引脚18XTAL1是输入端单片机内部的反相放大器从这里进。引脚19XTAL2是输出端放大器放大后的信号从这里出。晶振振动时会在两根线之间产生交流信号。这两根线上都有高频信号在来回跑。既然两根线上都有信号为了保持两根线的平衡就必须一根线配一个电容各自对地GND泄放。 如果只接一个电容这“跷跷板”就一头重一头轻了。问题二为什么没有电源电容的电从哪来1. 单片机内部藏着一个“放大器”虽然外部晶振没接电源但是单片机的第18脚XTAL1和第19脚XTAL2内部其实连接着一个反相放大器可以把这想象成一个会“自动推秋千”的机械臂。这个内部放大器是通电的因为芯片的Vcc和Gnd已经接好了。2. 电容的电是怎么充进去的起振的瞬间当单片机刚通电的瞬间内部电路会有微小的电压波动或者说是热噪声。这个微小的波动传到了19脚。这时候电容和晶振就登场了19脚电压升高 - 电流通过导线流过右侧电容 C3流向地线GNDC3 被充电了。同时19脚的波动通过晶振 X1 传到了 18脚。18脚电压降低 - 电流从地线GND流经左侧电容 C2流向 18脚C2 也被充电了。看到没电容的电就是单片机内部放大器推出来的电流在这个回路里跑来跑去。 因为是交流信号电流来回跑电容就像一个“搬运工”不断地从单片机引脚把电荷搬到地线又从地线搬回单片机引脚。3. 电容充当了“弹簧”的作用单片机内部那个“机械臂”放大器在推秋千晶振。如果秋千的绳子直接固定在地上硬邦邦的它推起来就会很费劲甚至推不动。电容C2、C3在这里充当了“弹簧”的作用。当内部机械臂把信号推高给晶振充电时电容被充能弹簧被压缩。当内部机械臂往回拉时电容释放能量弹簧反弹帮了机械臂一把。这种“一推一拉、一充一放”的循环就形成了稳定的振荡。电容在这个过程中不断地充放电它的电荷完全来自于单片机内部放大器提供的能量。4. 为什么必须接地电路的闭环电容一端连着晶振引脚另一端必须连着地线GND。因为电子要在电路里流动必须有个“来”和“回”。地线就像是公共的水库。单片机内部放出的电必须通过电容流到水库里存起来需要电的时候再从水库里抽回来。如果电容不接地电荷就无处安放回路断开了电流就停了振荡也就立刻停止了。把整个过程想象成“荡秋千”你单片机内部的放大器站在秋千晶振旁边秋千的两端连着两根弹簧C2 和 C3弹簧的另一端固定在大地上GND。你一开始轻轻推了一下秋千通电瞬间的微小电流。秋千向左荡左边弹簧被拉长C2 充电秋千向右荡右边弹簧被拉长C3 充电。弹簧的收缩力电容放电配合你的推力让秋千越荡越有规律。在这里你的力气是单片机内部给的而弹簧电容只是把力气攒起来然后再释放出来。3、电源与滤波位置引脚40 (Vcc)接电源正极比如5V或3.3V引脚20 (Gnd)接电源负极地线。SW1开关这是总电源开关。问题一为啥要滤波你家里的插座出来的 5V 电源并不是一条完美的直线。它在不停地抖动、起伏这叫纹波。更可怕的是单片机自己也会“污染”电源。单片机内部有数百万个晶体管它们在一秒钟内开关上千万次因为晶振在跑。每次开关都会瞬间从电源里“抽”一口电。如果抽得太猛电源电压就会瞬间被拉低一下就像水龙头一开水管里的水压就会降一下。如果电压抖动太大单片机就会晕头转向导致程序跑飞或者数据出错。这时候就需要电容来当“水库”和“净水器”。2. 大电容 C510uF粗壮的“蓄水池”它在哪电源正极和地线之间。注意看它带个 号这是电解电容有正负极。它的作用它是容量很大的“大水库”。当单片机突然需要大量用电比如瞬间打开某个模块时C5 就立刻把存好的电“吐”出来稳住电压。当电源平稳时它又慢慢把电“吸”进去存着。它防什么防低频的电压波动比如几毫秒一次的电压跌落。3. 小电容 C6104敏捷的“游击队员”它在哪紧挨着单片机的 Vcc 引脚。图上写的是 104这代表 0.1uF即 100nF。它的作用它是一个无极性电容通常是瓷片电容没有正负极。大电容C5虽然容量大但它的反应速度慢。而单片机内部开关速度极快高频C5 根本来不及反应。这时候就需要这个极其敏捷的小个子 C6 顶上。它能极快地吸收掉单片机瞬间产生的细小毛刺和干扰。它防什么防高频噪声顺便“喂”饱单片机的瞬间用电。问题二 为什么图里还要加一个开关 SW1 和插座 VinVin这是外部电源接口比如电池或者 USB 线。SW1这是一个拨动开关。你可以把它想象成家里的总闸。断开时单片机完全没电闭合时电源经过开关送进来。三角形框框代表外部电源。顺序外部电源 - SW1开关 - C5滤波 - C6高频滤波 - 单片机Vcc引脚40。自己画原理图的时候要思考什么就是要画哪些电路第一个拷问我的板子吃什么饭电源系统这是所有电路的基础没有电一切白搭。电从哪来如果插电脑 USB那就是 5V如果接电池可能是 3.7V 或 12V。你需要画一个接口比如你画的 Type-C。能不能直接吃查一下你主芯片的“数据手册”Datasheet。51 吃 5V那就直接连STM32 吃 3.3V那 5V 进去就必须“降压”。解决方案画LDO 降压电路比如你刚看的 AMS1117。需不需要开关你总不能每次拔插头断电所以要画个拨动开关。防不防干扰必须画滤波电容大小电容并联你学的 C4、C5 就是干这个的。第二个拷问我的板子怎么活下来最小系统这是让芯片能跑起来的最基本条件缺一不可。心跳时钟芯片要工作得有时钟查手册看它是外接晶振还是内部自带。如果是 51你就得画12M 晶振电容STM32 一般是 8M 晶振。重启复位死机了要能重启所以必须有复位电路按键电容电阻。程序从哪来启动模式51 的 EA 引脚接高电平STM32 的 BOOT0 引脚要接下拉电阻接地。芯片自身怎么吃电去耦除了电源总闸芯片每个电源引脚旁边必须画一个100nF 电容你画的那个 C5。第三个拷问我的板子怎么跟外界交流外设与调试芯片能跑起来了你要怎么控制它你要怎么看到它工作我想把代码灌进去51 需要引出串口排针STM32 需要引出 SWD 下载排针4根线。我怎么知道它通电了画一个电源指示灯LED限流电阻。我想写第一个程序验证一下画一个用户 LED 灯接在一个 IO 引脚上。我想外接传感器或屏幕把剩下的 IO 引脚全部通过排针引出来。我想按一按它画一个独立按键接在 IO 口和地之间。画原理图时的顺序1. 巧用“网络标号”代替“满天飞线”如果你从Vcc引脚拉一根线到开关再从开关拉到电容最后再拉到各个模块你的图最后会变成一团乱麻俗称“蜘蛛网”。怎么做你看图里那些带箭头的三角形写着 Vcc 和地线符号 GND。在画图软件里你只需要把引脚拉出一小截线然后放一个 Vcc 的符号或者 GND 的符号。软件会自动把所有的 Vcc 连在一起所有的 GND 连在一起。同理如果在图里引脚9的线拉得很长你也可以不用拉过去直接放个网络标号写着 RST另一头也写 RST它们在逻辑上就是连通的。2. 给每根“线”起名字网络标签单片机的引脚很多比如 P0、P1、P2。如果你只画了线软件是不知道这根线叫什么名字的。怎么做在画图时给重要的线打上网络标号。比如连到引脚9的线打上 RST 标签连到开关的线打上 VIN 标签。这不仅能让你自己看着清爽软件在生成PCB时也能准确对应。3. 确认每个元件的“Footprint封装”**这是新手最容易犯的致命错误原理图里的电阻就是一个长方形但在物理世界上它有直插针脚和贴片像个小芝麻之分。怎么做在画原理图或者画完之后双击每个元件检查它的“封装Footprint”。比如电容 C510uF如果你买的是直插的电解电容封装就要选 CAP-RAD 或者 RAD-0.1如果是贴片的就要选 0805 或 0603。建议零基础尽量全选直插元件直插电容、直插电阻因为好焊接封装选标准的 RAD-0.1电阻和 RB.2/.4电解电容。4. 极其极其重要看好极性元件的正负极电解电容C1, C5在原理图里它们符号上有个 号或者一边是直线一边是弧线。画图时极必须接 VCC另一端接 GND 或 RST。芯片注意看芯片上的那个半圆缺口或者小圆点。画原理图时第一脚左上角要明确标出来。发光二极管LED如果以后画 LED注意长脚是正极短脚是负极原理图符号里带箭头的这边是负极。5. 电源和地的符号要分清VCC / 5V代表电源正极。通常用向上的三角形或横线T型表示。GND代表地线。通常用几根横线组成的倒三角形表示。千万注意不要把这个图里的 GND 当成 VCC 连了。VCC 是吃的GND 是拉的。6. 按照“模块化”来画让你思路清晰不要拿到芯片就开始一根根乱拉线。按照你刚才理解的模块来画先摆芯片把STC89C51放在中间。画复位模块左边画个框把C1、R1、按键强烈建议你加上复位按键连好。画晶振模块左边画个框把X1、C2、C3连好。画电源模块右边画个框放开关SW1、电源接口Vin、大电容C5连到Vcc。画去耦模块C6放在芯片引脚旁边。画EA引脚从31脚拉根线接Vcc。7. 检查“空脚”悬空引脚在单片机上你不可能用满40个引脚。像 P0、P1、P2 这些端口你可能会空着很多引脚不接。做法空着完全没关系但在画完图之后检查一下有没有“必须要接但忘了接”的线比如 VCC、GND、EA、RST。其它纯输入输出脚比如P1.0空着绝不报错。自己画的时候要注意的地方1、vin选type-c时选6p就够了GND与GND都要相连之后接地VBUS与VBUS也是都要接VCC这个CC1和CC2是为啥要接呢1. 为什么必须接 5.1K 电阻对暗号想象一下你的充电头或电脑主机是一个挑剔的保安你的单片机板子是一个访客。以前的老 USB只要插上去保安就直接开门供电。但是 Type-C 接口变了。保安充电器会一直盯着 CC 引脚探测有没有人来。如果你什么都不接悬空保安觉得“没人来或者是根废线”直接拒绝供电。如果你接了 5.1K 电阻到地GND这就相当于访客出示了“我是普通设备”的通行证。保安探测到这个 5.1K 的阻值就会说“哦是个需要供电的小板子最高给你 5V 供电吧。” 然后才会把电送到你的 VBUS 上。所以不接这个电阻你的板子插上线也毫无反应。2. 为什么要有两个CC1 和 CC2正反插的奥秘Type-C 最大的卖点就是正反都能插。当你正着插的时候线里的信号连到了板子的 CC1 上。这时候 CC1 接了下拉电阻保安探测到了供电。当你反着插的时候线里的信号连到了板子的 CC2 上。这时候 CC2 接了下拉电阻保安探测到了供电。所以为了保证你随便怎么插都能通电CC1 和 CC2 必须各自单独接一个 5.1K 的电阻到地。