單片機
單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)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(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)，在工業(yè)控制領域廣泛應用。從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機。
單片機的應用分類
單片機（Microcontrollers）作為計算機發(fā)展的一個重要分支領域，根據(jù)發(fā)展情況，從不同角度，單片機大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。
通用型
這是按單片機（Microcontrollers）適用范圍來區(qū)分的。例如，80C51式通用型單片機，它不是為某種專門用途設計的；專用型單片機是針對一類產(chǎn)品甚至某一個產(chǎn)品設計生產(chǎn)的，例如為了滿足電子體溫計的要求，在片內(nèi)集成ADC接口等功能的溫度測量控制電路。
總線型
這是按單片機（Microcontrollers）是否提供并行總線來區(qū)分的。總線型單片機普遍設置有并行地址總線、 數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴展并行外圍器件都可通過串行口與單片機連接，另外，許多單片機已把所需要的外圍器件及外設接口集成一片內(nèi)，因此在許多情況下可以不要并行擴展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機稱為非總線型單片機。
控制型
這是按照單片機（Microcontrollers）大致應用的領域進行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運算能力強；用于家電的單片機多為專用型，通常是小封裝、低價格，外圍器件和外設接口集成度高。 顯然，上述分類并不是惟一的和嚴格的。例如，80C51類單片機既是通用型又是總線型，還可以作工控用。
單片機5V轉(zhuǎn)3.3V電平的方法技巧
（一）使用LDO穩(wěn)壓器，從5V電源向3.3V系統(tǒng)供電
標準三端線性穩(wěn)壓器的壓差通常是 2.0-3.0V。要把 5V 可靠地轉(zhuǎn)換為 3.3V，就不能使用它們。壓差為幾百個毫伏的低壓降 （Low Dropout， LDO）穩(wěn)壓器，是此類應用的理想選擇。圖 1-1 是基本LDO 系統(tǒng)的框圖，標注了相應的電流。從圖中可以看出， LDO 由四個主要部分組成：
1. 導通晶體管
2. 帶隙參考源
3. 運算放大器
4. 反饋電阻分壓器
在選擇 LDO 時，重要的是要知道如何區(qū)分各種LDO。器件的靜態(tài)電流、封裝大小和型號是重要的器件參數(shù)。根據(jù)具體應用來確定各種參數(shù)，將會得到最優(yōu)的設計。
LDO電壓穩(wěn)壓器
LDO的靜態(tài)電流IQ是器件空載工作時器件的接地電流 IGND。 IGND 是 LDO 用來進行穩(wěn)壓的電流。當IOUT>>IQ 時， LDO 的效率可用輸出電壓除以輸入電壓來近似地得到。然而，輕載時，必須將 IQ 計入效率計算中。具有較低 IQ 的 LDO 其輕載效率較高。輕載效率的提高對于 LDO 性能有負面影響。靜態(tài)電流較高的 LDO 對于線路和負載的突然變化有更快的響應。
（二）采用齊納二極管的低成本供電系統(tǒng)
詳細說明了一個采用齊納二極管的低成本穩(wěn)壓器方案。
齊納電源
可以用齊納二極管和電阻做成簡單的低成本 3.3V穩(wěn)壓器，如圖 2-1 所示。在很多應用中，該電路可以替代 LDO 穩(wěn)壓器并具成本效益。但是，這種穩(wěn)壓器對負載敏感的程度要高于 LDO 穩(wěn)壓器。另外，它的能效較低，因為 R1 和 D1 始終有功耗。R1 限制流入D1 和 PICmicro? MCU的電流，從而使VDD 保持在允許范圍內(nèi)。由于流經(jīng)齊納二極管的電流變化時，二極管的反向電壓也將發(fā)生改變，所以需要仔細考慮 R1 的值。
R1 的選擇依據(jù)是：在最大負載時——通常是在PICmicro MCU 運行且驅(qū)動其輸出為高電平時——R1上的電壓降要足夠低從而使PICmicro MCU有足以維持工作所需的電壓。同時，在最小負載時——通常是 PICmicro MCU 復位時——VDD 不超過齊納二極管的額定功率，也不超過 PICmicro MCU的最大 VDD。
（三）采用3個整流二極管的更低成本供電系統(tǒng)
如下圖詳細說明了一個采用 3 個整流二極管的更低成本穩(wěn)壓器方案。
二極管電源
我們也可以把幾個常規(guī)開關二極管串聯(lián)起來，用其正向壓降來降低進入的 PICmicro MCU 的電壓。這甚至比齊納二極管穩(wěn)壓器的成本還要低。這種設計的電流消耗通常要比使用齊納二極管的電路低。
所需二極管的數(shù)量根據(jù)所選用二極管的正向電壓而變化。二極管 D1-D3 的電壓降是流經(jīng)這些二極管的電流的函數(shù)。連接 R1 是為了避免在負載最小時——通常是 PICmicro MCU 處于復位或休眠狀態(tài)時——PICmicro MCU VDD 引腳上的電壓超過PICmicro MCU 的最大 VDD 值。根據(jù)其他連接至VDD 的電路，可以提高R1 的阻值，甚至也可能完全不需要 R1。二極管 D1-D3 的選擇依據(jù)是：在最大負載時——通常是 PICmicro MCU 運行且驅(qū)動其輸出為高電平時——D1-D3 上的電壓降要足夠低從而能夠滿足 PICmicro MCU 的最低 VDD 要求。
（四）使用開關穩(wěn)壓器，從5V電源向3.3V系統(tǒng)供電
如圖下所示，降壓開關穩(wěn)壓器是一種基于電感的轉(zhuǎn)換器，用來把輸入電壓源降低至幅值較低的輸出電壓。輸出穩(wěn)壓是通過控制 MOSFET Q1 的導通（ON）時間來實現(xiàn)的。由于 MOSFET 要么處于低阻狀態(tài)，要么處于高阻狀態(tài) （分別為 ON 和OFF），因此高輸入源電壓能夠高效率地轉(zhuǎn)換成較低的輸出電壓。
當 Q1 在這兩種狀態(tài)期間時，通過平衡電感的電壓- 時間，可以建立輸入和輸出電壓之間的關系。
對于MOSFET Q1，有下式：
在選擇電感的值時，使電感的最大峰 - 峰紋波電流等于最大負載電流的百分之十的電感值，是個很好的初始選擇。
在選擇輸出電容值時，好的初值是：使 LC 濾波器特性阻抗等于負載電阻。這樣在滿載工作期間如果突然卸掉負載，電壓過沖能處于可接受范圍之內(nèi)。
在選擇二極管 D1 時，應選擇額定電流足夠大的元件，使之能夠承受脈沖周期 （IL）放電期間的電感電流。
降壓（BUCK）穩(wěn)壓器
數(shù)字連接
在連接兩個工作電壓不同的器件時，必須要知道其各自的輸出、輸入閾值。知道閾值之后，可根據(jù)應用的其他需求選擇器件的連接方法。下表是本文檔所使用的輸出、輸入閾值。在設計連接時，請務必參考制造商的數(shù)據(jù)手冊以獲得實際的閾值電平。
輸入/輸出
（五）3.3V →5V直接連接
將 3.3V 輸出連接到 5V 輸入最簡單、最理想的方法是直接連接。直接連接需要滿足以下 2 點要求：
3.3V輸出的 VOH 大于 5V 輸入的 VIH
3.3V輸出的 VOL 小于 5V 輸入的 VIL
能夠使用這種方法的例子之一是將 3.3V LVCMOS輸出連接到 5V TTL 輸入。從表 4-1 中所給出的值可以清楚地看到上述要求均滿足。
3.3V LVCMOS 的 VOH （3.0V）大于 5V TTL 的VIH （2.0V）
且
3.3V LVCMOS 的 VOL （0.5V）小于 5V TTL 的VIL （0.8V）。
如果這兩個要求得不到滿足，連接兩個部分時就需要額外的電路。可能的解決方案請參閱技巧 6、7、 8 和 13。
（六）3.3V→5V使用MOSFET轉(zhuǎn)換器
如果 5V 輸入的 VIH 比 3.3V CMOS 器件的 VOH 要高，則驅(qū)動任何這樣的 5V 輸入就需要額外的電路。圖 6-1 所示為低成本的雙元件解決方案。
在選擇 R1 的阻值時，需要考慮兩個參數(shù)，即：輸入的開關速度和 R1 上的電流消耗。當把輸入從 0切換到 1 時，需要計入因 R1 形成的 RC 時間常數(shù)而導致的輸入上升時間、 5V 輸入的輸入容抗以及電路板上任何的雜散電容。輸入開關速度可通過下式計算：
由于輸入容抗和電路板上的雜散電容是固定的，提高輸入開關速度的惟一途徑是降低 R1 的阻值。而降低 R1 阻值以獲取更短的開關時間，卻是以增大5V 輸入為低電平時的電流消耗為代價的。通常，切換到 0 要比切換到 1 的速度快得多，因為 N 溝道 MOSFET 的導通電阻要遠小于 R1。另外，在選擇 N 溝道 FET 時，所選 FET 的 VGS 應低于3.3V 輸出的 VOH。
MOSFET轉(zhuǎn)換器
單片機的應用
電子技術中單片機的應用
1、在家用電器領域的應用
現(xiàn)在在家用電器的更新、市場開拓等方面，單片機的應用越來越廣泛，比如電子玩具或者高級的電視游戲機中，會應用單片機實現(xiàn)其控制功能;而洗衣機可以利用單片機識別衣服的種類與臟污程度，從而自動選擇洗滌強度與洗滌時間;在冰箱冷柜中采用單片機控制可以識別食物的種類與保鮮程度，實現(xiàn)冷藏溫度與冷藏時間的自動選擇;微波爐也可以通過單片機識別食物種類從而自動確定加熱溫度與加熱時間等等，這些家用電器在應用單片機技術后，無論是性能還是功能，與傳統(tǒng)技術相比均有長足的進步。
2、在醫(yī)用設備領域的應用
現(xiàn)代醫(yī)療條件越來越發(fā)達，人們對醫(yī)療滅菌消毒技術也越來越重視，但是一些偏遠地區(qū)的小醫(yī)院、小診所其消毒滅菌設備還十分簡陋，無法有效的控制消毒質(zhì)量。隨著單片機技術的發(fā)展，其體積較小、功能強大、具有靈活的擴展性、應用方便的特點也越來越突出，因此在醫(yī)用呼吸機、分析儀與監(jiān)護儀、超聲診斷設備、病床呼叫系統(tǒng)等設備中得到了廣泛的應用。
3、在工業(yè)控制領域的應用
其實最早的單片機正是從工業(yè)領域開始興起的，至今其在工業(yè)控制領域的應用仍然十分廣泛，利用單片機技術構成多種多樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與智能控制系統(tǒng)，比如工廠流水線的智能化管理、智能化電梯、報警系統(tǒng)等等，均是通過單片機技術與計算機聯(lián)網(wǎng)構成二級控制系統(tǒng)。
4、在儀器儀表領域的應用
上文中也談到單片機具備集成度高、體積小、較強的控制功能與擴展的靈活性等特點，并且處理速度快，具有較高的可靠性，所以在智能儀器儀表領域其應用也十分廣泛。從某種程度而言，單片機帶動了傳統(tǒng)測量、控制儀器儀表技術的一項革命，通過單片機技術實現(xiàn)了儀器儀表技術的數(shù)字化、智能化、綜合化以及多功能化，與傳統(tǒng)的電子電路或者數(shù)字電路相比，其功能更強大，綜合性更突出。
單片機故障排除方法
1、單片機正常工作的三個條件
單片機工作的三個條件分別是電源、時鐘晶振、復位。當單片機不能正常工作時，我們首先就要檢查這三個條件，用電壓表或者萬用表檢測他的電源和接地腳，檢測兩個引腳之間的電壓是不是5V左右；對于時鐘晶體振蕩有沒有正常工作，我們最好用示波器進行檢測，看能否檢測到相應頻率的正弦波脈沖；復位檢測比較簡單，單片機的復位電平一般是高電平復位，單片機在接通電源的時候一般復位引腳上會出現(xiàn)5V左右的高電平，另外在按下復位按鍵時，復位引腳上也會出現(xiàn)高電平，用一般的電壓表或者萬用表都可以進行檢測。
2、單片機內(nèi)部是否正常工作的檢測
單片機內(nèi)部有沒有正常工作，我們主要是通過寫入程序的方式來進行檢測和排查。這個檢測需要有“燒入”代碼的硬件和軟件才行，檢測的原理就是通過“燒入”代碼的硬件和軟件，將一段帶有檢測功能的正常代碼“燒入”到單片機。檢查兩個方面：第一就是能不能將目標代碼正常寫入單片機，不能正常寫入單片機時，說明單片機已經(jīng)損壞，需要更換同型號的單片機；第二就是目標代碼可以正常寫入單片機，寫入后的效果是不是就是程序設定的功能，如果是說明單片機正常。
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