单片机外围线路设计.docx
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单片机外围线路设计
IC母体的选用
当拿到一张CASE单时，首先得确定的是能用什么母体才能实现此功能，然后才能展开对外围硬件电路的设计，因此首先得了解每个母体的基本功能及特点，下面大至的介绍一下本公司常用的IC：
单芯片解决方案
•SN8P1900系列
–高精度16-Bit模数转换器
–可编程运算放大器（PGIA）
•信号放大低漂移:
2V
•放大倍数可编程:
1/16/64/128倍
–升压-稳压调节器（Charge-PumpRegulator）
•电源输入:
2.4V~5V
•稳压输出:
e.g.3.8VatSN8P1909
–内置液晶驱动电路（LCDDriver）
–单芯片解决方案
•耳温枪SN8P1909LQFP80Pins
•5000解析度量测器SN8P1908LQFP64Pins
•体重计SN8P1907SSOP48Pins
单芯片解决方案
•SN8P1820系列
–精确的12-Bit模数转换器
–可编程运算放大器（PGIA）
•GainStageOne:
LowOffset5V,Gain:
16/32/64/128
•GainStageOne:
LowOffset2mV,Gain:
1.3~2.5
–升压-稳压调节器
•电源输入:
2.4V~5V
•稳压输出:
e.g.3.8VatSN8P1829
–内置可编程运算放大电路
–内置液晶驱动电路
–单芯片解决方案
•电子医疗器SN8P1829LQFP80Pins
高速/低功耗/高可靠性微控制器
•最新SN8P2000系列
–SN8P2500/2600/2700系列
–高度抗交流杂讯能力
•标准瞬间电压脉冲群测试（EFT）:
IEC1000-4-4
•杂讯直接灌入芯片电源输入端
•只需添加1颗2.2F/50V旁路电容
•测试指标稳超4000V（欧规）
–高可靠性复位电路保证系统正常运行
•支持外部复位和内部上电复位
•内置1.8V低电压侦测可靠复位电路
•内置看门狗计时器保证程序跳飞可靠复位
–高抗静电/栓锁效应能力
–芯片工作温度有所提高:
-200C~700C
工规芯片温度：
-400C~850C
高速/低功耗/高可靠性微控制器
•最新SN8P2000系列
–SN8P2500/2600/2700系列
–1T精简指令级结构
•1T:
一个外部振荡周期执行一条指令
•工作速度可达16MIPS/16MHzCrystal
–工作消耗电流<2mAat1-MIPS/5V
–睡眠模式下消耗电流<1A/5V
额外功能
•高速脉宽调制输出（PWM）
–8-BitPWMupto23KHzat12MHzSystemClock
–6-BitPWMupto93KHzat12MHzSystemClock
–4-BitPWMupto375KHzat12MHzSystemClock
•内置高速16MHzRC振荡器（SN8P2501A）
•电压变化唤醒功能
•可编程控制沿触发/中断功能
–上升沿/下降沿/双沿触发
•串行编程接口
SN8P2500系列
•SN8P2501A
–程式存储器容量1K*16bit/随机存储器容量48Bytes
–内置高速校准16MHzRC振荡器
–最多可供12个I/O口使用
–两个8-Bit计时器
•T0实时计时器功能/系统时钟采用内部16MRC
•TC0高速脉宽调制/蜂鸣器输出功能
–内置1.8V低电压侦测/上电可靠复位电路
–高度抗交流杂讯能力
–高度抗静电/抗栓锁效应能力
–封装形式:
DIP14/SOP14/裸片
–与EMC153兼容
SN8P2602A
•SN8P2602A（SN8P1602B升级版）
–程式存储器容量1K*16bit/随机存储器容量48Bytes
–工作速度可达16MIPS/16MHzCrystal
–最多可供15个I/O口使用
–两个8-Bit计时器
•T0:
基本计时器
•TC0:
快速脉宽调制/蜂鸣器输出功能
–内置1.8V低电压侦测/上电可靠复位电路
–高度抗交流杂讯能力
–高度抗静电/抗栓锁效应能力
–封装形式:
DIP18/SOP18/SSOP20/裸片
–与PIC16C54兼容
SN8P2604
•SN8P2604（SN8P1604A升级版）
–程式存储器容量4K*16bit/随机存储器容量128Bytes
–工作速度可达16MIPS/16MHzCrystal
–最多可供24个I/O口使用
–两个8-Bit计时器
•T0:
基本计时器
•TC1:
快速脉宽调制/蜂鸣器输出功能
–内置1.8V低电压侦测/上电可靠复位电路
–高度抗交流杂讯能力
–高度抗静电/抗栓锁效应能力
–封装形式:
SKDIP28/SOP28/SSOP28/裸片
–与PIC16C57兼容
SN8P2606
•SN8P2606
–程式存储器容量6K*16bit/随机存储器容量128Bytes
–工作速度可达16MIPS/16MHzCrystal
–最多可供34个I/O口使用
–两个8-Bit计时器
•T0:
基本计时器
•TC1:
快速脉宽调制/蜂鸣器输出功能
–高速同步串行通信口（SIO）
–内置1.8V低电压侦测/上电可靠复位电路
–高度抗交流杂讯能力
–高度抗静电/抗栓锁效应能力
–封装形式:
DIP40
SN8P2608
•SN8P2608
–程式存储器容量6K*16bit/随机存储器容量128Bytes
–工作速度可达16MIPS/16MHzCrystal
–最多可供40个I/O口使用
–两个8-Bit计时器
•T0:
基本计时器
•TC1:
快速脉宽调制/蜂鸣器输出功能
–高速同步串行通信口（SIO）
–内置1.8V低电压侦测/上电可靠复位电路
–高度抗交流杂讯能力
–高度抗静电/抗栓锁效应能力
–封装形式:
DIP48/SSOP48
SN8P2704A
•SN8P2704A（SN8P1704升级版）
–程式存储器容量4K*16bit/随机存储器容量256Bytes
–5通道12-Bit模数转换器
–1通道7-Bit数模转换器
–工作速度可达16MIPS/16MHzCrystal
–三个8-Bit计时器
•T0:
基本计时器
•TC0/TC1:
快速脉宽调制/蜂鸣器输出功能
–高速同步串行通信口（SIO）
–高度抗交流杂讯/静电/栓锁效应能力
–内置1.8V低电压侦测/上电可靠复位电路
–封装形式:
SKDIP28/SOP28/裸片
SN8P2705A
•SN8P2705A
–程式存储器容量4K*16bit/随机存储器容量256Bytes
–8通道12-Bit模数转换器
–1通道7-Bit数模转换器
–工作速度可达16MIPS/16MHzCrystal
–三个8-Bit计时器
•T0:
基本计时器
•TC0/TC1:
快速脉宽调制/蜂鸣器输出功能
–高速同步串行通信口（SIO）
–高度抗交流杂讯/静电/栓锁效应能力
–内置1.8V低电压侦测/上电可靠复位电路
–封装形式:
DIP32/SOP32
SN8P2706A
•SN8P2706A（SN8P1706升级版）
–程式存储器容量4K*16bit/随机存储器容量256Bytes
–8通道12-Bit模数转换器
–1通道7-Bit数模转换器
–工作速度可达16MIPS/16MHzCrystal
–三个8-Bit计时器
•T0:
基本计时器
•TC0/TC1:
快速脉宽调制/蜂鸣器输出功能
–高速同步串行通信口（SIO）
–高度抗交流杂讯/静电/栓锁效应能力
–内置1.8V低电压侦测/上电可靠复位电路
–封装形式:
DIP40
SN8P2708A
•SN8P2708A（SN8P1708升级版）
–程式存储器容量4K*16bit/随机存储器容量256Bytes
–8通道12-Bit模数转换器
–1通道7-Bit数模转换器
–工作速度可达16MIPS/16MHzCrystal
–三个8-Bit计时器
•T0:
基本计时器
•TC0/TC1:
快速脉宽调制/蜂鸣器输出功能
–高速同步串行通信口（SIO）
–高度抗交流杂讯/静电/栓锁效应能力
–内置1.8V低电压侦测/上电可靠复位电路
–封装形式:
DIP48/SSOP48/裸片
了解上述内容后，再进一步进行评估，看看所需的产品有那些功能，怎样才能实现，大至可以分为以下几步：
1，确定用什么样的电源输入，有无大电流负载及一些安规方面的要求，体积大小有无规定，采用电池供电时是否要考虑做一些省电低功耗线路
2，带检测功能的产品是否用到A/D功能，有无必要用到一些精密参考源，主要针对测量电路，或是可否直接采用RC充放电线路来做检测,A/D通道转换需要一定的稳定时间，在软件设计时需要作考量。
为了保证每次AD转换的稳定与正确，最好在每次AD转换前都重新确定AD转换通道、AD转换分辨率、AD时钟源选择位，而且根据所应用场合对所取得数据进行合理的处理。
A/D转换在硬件设计方面的注意事项：
信号源要尽量与A/D转换输入端接近，而且要视芯片输入阻抗添加合适的电容并入信号源输入端。
此外需保证AD转换基准电压的稳定，模拟地与数字地要分开或隔离。
3，操作时有多少个按键，能否采用跟其他I/O口复用，按键是否采用唤醒功能，即采用带有唤醒功能的I/O口，按键输入可否采用矩阵扫描
4，输出指示能否跟输出控制I/O复用，这样可以节省I/O，但要考虑到输出电流的大小，不能影响负载的正常输出
5，有无精确度要求较高的定时，用来确定采用什么样的振荡源
6，复位电路的选取,I/O不够时能否采用内部复位,芯片的上电复位时间与系统电压上升速度，外部振荡器频率、种类及外部Reset电路造成的delay都有关联。
7，有无显示电路，是LED还是LCD，是否必要采用外挂驱动IC
8，大电流负输输出采用继电器还是可控硅,当输出为可控硅时，是否采用共地，还是直接采用光电耦合，有无用到同步信号
9，输入尽可能放在同一I/O，输出放在同一I/O，同时应该考虑到PCB布线
10，I/O口内部有无上拉电阻,有些I/O只能做单一的输入且无上拉电阻,这一点在设计中很容易给忘记！
11，对空闲口的设置，空闲口一般设定为输入上拉或输出低电平。
对ADCI/O通道，应用P4CON的设定，可以避免I/O口的漏电流。
对于不同的外部硬件电路，考虑I/O的状态设置，设定不当，会有漏电流，特别注意上拉电阻的正确设定，若I/O在outputlowlevel,又将pull-upenable会造成漏电,例如:
VDD=5V会有约5V/100K=50uA漏电.
输入部分电路的设计
按键部分硬件电路部分应用实例
普通独立按键：
图中S1、S2、S3为常用的三种按键，其中S3接在U1第4脚为低电平触发脚有效，因为U1第4脚内部没有上拉电阻，所以得在U1第4脚外面接一上拉电阻以确保在不按下按键时让U1第4脚维持在高电平状态，采用S2接法时，为高电平触发有效，因这颗IC内部没有下拉电阻，所以得在U1第4脚外面接一下拉电阻以确保在不按下按键时让U1第4脚维持在低电平状态，S1因Ic内部有上拉电阻，则不要外加器件。
纯按键矩阵描按键：
电路中扫描口都得为双向的I/O口，如此电路需要省电功能，则将COM1、COM2用到具有唤醒功能的I/O口即可。
按键加LED矩阵描按键：
加二极管的按键复用1：
加二极管的按键复用2：
加二极管的按键复用3：
加电阻并联型复用:
加电阻的按键复用：
上图中按键同样可以复用在COM口上!
采用移位寄存器的按键复用：
采用A/D功能的按键:
触摸式按键:
在目前MCU应用领域里，很多场合都离不开开关信号，这些开关信号的实现都是通过按键操作实现。
而传统的按键应用最广最普遍的就是机械式按键（或称为B键），这一类按键的共同点就是透过金属触点来得到开关信号，也正是这些共同点决定了机械式按键的应用场合和使用寿命。
如在一些带有油烟或腐蚀性气体的应用场合；另外，在很多小家电应用领域，也都是在模具表面开孔，使用PVC胶来做按键触摸点，这些PVC胶随着使用时间的增加也很容易损坏。
因此，目前市场上出现了一种新型的按键输入方式——触摸式按键（或称感应型按键）。
顾名思义，这种按键输入方式与传统机械式按键不同，它不需要金属触点，取而代之的是感应人体的触摸动作。
目前市场上常见的触摸按键方案中，多为采用MCU+专用IC以及只用MCU实现两种，在MCU+专用IC方案中，具有代表性的触摸信号专用IC是英国昆腾（QUANTUM）公司的QT系列IC，如QT1080就是带有8路独立触摸按键输入的处理芯片。
但是使用MCU+专用IC方案面临的一大挑战就是其抗干扰能力不强以及其成本较高的问题，也正是这一缺陷决定了在很多MCU应用场合这种方案显得有些无能为力了。
下面就从应用的角度对采用独立MCU方案开发感应型按键的原理进行讨论。
一、感应型按键的电气原理
这种感应型按键的实现原理是基于电容对高频脉冲信号的耦合特性，通常称该电容为耦合电容。
当该耦合电容的容值发生改变时，经过该电容耦合得到的高频脉冲的高电平幅值将发生改变。
如图所示：
A
如图所示，高频信号OSC经过电容C1耦合，再经过电容C2滤波，这样在K1点可以得到一直流信号；A点为按键电极连接点，电极的表面可以是一些如玻璃或塑料的绝缘物质。
当人体透过电极表面的介质触摸按键时，此时人体、电极和这些介质就等效成一个电容，该等效电容与耦合电容C1并联，最终就相当与改变了耦合电容的容值，从而经由C1耦合得到的高频脉冲的高电平幅值就将发生变化，在K1点得到的直流信号也将随之发生改变。
当人体接触按键时，K1点的电压将降低。
由MCU的AD口读取K1点的电压变化，便可知道按键与否。
K1点的电压变化范围一般在几十至一百毫伏范围变化，这与电极表面的介质和高频信号的频率有关。
在有些应用中，由于K1点的电压变化太小，通常还会在K1点接一级放大器，这样MCUAD口端的电平变化范围将相应变大。
由于SONiX8bitMCU，至少提供12bit的AD，所以在采用SONiX8bitMCU开发时并不需要增加一级放大电路。
针对上图所示的参数，下面将给出A点在人体触摸前后的波形变化（电极表面的介质为压克力板）。
人体触摸前A点的波形
人体触摸时A点的波形
对于高频脉冲的产生，通常都在几百KHz，根据具体的应用可以有不同的选择。
常见的电路形式有采用NE555和CD4069：
通常SONiX的MCU都有提供至少一路PWM功能，根据应用的需求，也可以采用该PWM功能作为
高频脉冲发生器。
对于应用中可能会出现按键数量超出MCU提供的AD通道数的情形，此时可以增加一模拟开关,如CD4051。
二、感应型按键的软件实现
从上述电气原理的讨论中，可以看出，到达MCUAD口的直流信号并不是十分理想的直流信号，由于是经由104电容滤波直接得到，其纹波系数很大，因此，在软件的实现中，应充分考虑AD口信号的正常波动。
其次，程序判断按键与否的根据是AD口信号变化的大小，当AD值负变化达到给定量时，认为有键按下；反之，AD值正变化达到给定量时，则认为是按键弹起。
由于程序判定按键的根据是AD值的变化量，所以在程序中，还应确定一个基准值，所有的变化量都应相对这个基准值，一般情况下，在上电时应将这个基准值确定，或通过实验计算出一个基准值保存在程序中，但后者随着使用时间的增加，可能会出现基准值变化而导致按键失灵，最好的做法是将两者都考虑进去。
在程序中应充分考虑对AD值做数字滤波处理，常见的数字滤波如滑动平均值滤波和中位值滤波，在此不讨论具体的滤波算法，可以参考相关的书籍。
此外，程序中还应做好按键去抖动的动作，这是任何形式的按键处理程序都应考虑的。
通过以上对感应型按键的原理的讨论，重点在于如何使得整个系统稳定可靠，即抗干扰能力要强，这主要与程序编制有关。
所以，关键的还是强调程序处理。
本人按照上面讨论的原理，有做一跑马灯DEMO，可以轻松通过EFT日规2000V测试。
一种简易的接触式触摸电路：
直接采用人体感应电压去改变输入检测口的电平做按键检测，此电路稳定性比较差，但成本低，图中的触摸开关为一导体。
常见的单片机输入部分线路:
风扇外壳触摸保检测电路:
高灵敏度MIC声控线路:
R9可以调节灵敏度
带自动增益控制的随音乐变化转换电路:
红外对管对射及反射控制线路:
采用光遮断器的光控线路:
红外发射接收硬件电路:
红外遥控的发射接收电路比较简单，其中接收电路可以使用集成红外接收器成品。
接收器包括红外接收管和信号处理IC。
接收器对外只有3个引脚：
Vcc、GND和1个脉冲信号输出PO。
与单片机接口非常方便，如图所示。
①Vcc接系统的电源正极（+5V）；
②GND接系统的地线（0V）；
③脉冲信号输出接CPU的中断输入引脚。
采取这种连接方法，软件解既可工作于查询方式，也可工作于中断方式。
但需要注意的两点：
一是注意发射接收管的驱动电流；二是要注意接收部分的滤波措施，上图中C2就是用做稳定输出波形，但注意C2不可太大。
单管低电压侦测线路：
DC
AC1
AC2
三种常用可控硅控制同步信号的采集线路:
采用光耦的同步信号线路:
隔离式同步信号电路:
实用的交流信号采集电路:
两款实用的直流负载过流检测电路:
输出部分的设计
直流马达控制：
单马达小电流三极管驱动：
单马达大电流MOS管驱动：
单马达大电流三极管驱动:
带过流检测的三极管马达正反转驱动:
普通马达正反转驱动:
继电器控制马达正反转驱动：
混合型马达调速驱动电路：
混合型马达调速驱动电路：
混合型马达调速正反转驱动电路：
带过流保护的混合型马达调速正反转驱动电路：
高电压大电流混合型马达调速驱动电路：
交流马达控制：
交流市电控制
――ＭＣＵ对可控硅的控制
在用可控硅对交流市电控制中，主要注意以下几个方面：
一，同步信号（弄不好都会产生不均匀的斩波，控制白炽灯表现为灯闪）
1）清楚同步信号在交流周期中的位置,最好在交流零点选取.
在一些阻容降压对MCU供电电路中,最好直接在交流电源两端取同步信号（过零点）,以避免计算阻容产生的象移（PHASESHIFT）
2）同步信号要稳定
二，控制信号
1）可控硅断路时，可控硅控制极（GATE）最好是开路，没有开极的MCU可加如下电路：
当三极管不导通时，可控硅的控制极（GATE）开路，当三极管导通时，可控硅的控制极（GATE）接地。
2）只有上图的GND与可控硅的T1（图中ACIN1）为参考有电平差（如97A6和BT136则GND电平等于或低于ACIN1），该信号（GND）才能触发可控硅导通。
故在硬体设计时一定要注意这两点间的电平关系。
三，触发点
由于可控硅的T1与T2两端要有一定的电压才能被触发，故不能在离交流电零点太近处触发可控硅，否则将会触发不成功，换而言之，经过可控硅的交流电一定不会100%全波的。
常见可控硅控制电路：
MCU供电部分设计探讨
在设计常用单片机系统中，电源的部分的设计占重要的地位，它对一个完整的产品能否设计成功起了决定性的做用。
其内容涉及：
产品成本的高低，产品的体积，重量，供电时间的长短，带负载能力，抗干扰能力，以及稳定性等。
下面是笔者工作中的经验设计，还请多多指点。
常见的电源稳压类的IC有：
KIA7045，78L05，L7805，L79L05C，MAX873，6601D，Aic1628，AIC1734，AIC1742，BL8505，C310，CJ431，TL431A/B/C，LM317，H34063A，m62216e，NCP1200，L9552，HT7136，HT7544，KIA7045ap，pq05dz51，R1210Nxx，SC10XXAZ，SC431XXAZ，sc803，SC1033AZ，XC6371，xc6383，BL8505等。
一、变压器降压
此类型的电路主要是带负载能力强，DC跟AC完全隔离，但体积较大，成本较高。
AC电源先经变压器降压后再做一些整流滤波及稳压，再给单片机供电。
如下图：
上图中的U1在负载电流较大时可以采有L7805或其它电流较大的稳压器件,5V电压供单片机，但是要注意的是单片机的电源尽量不要跟大负载的电源共在一起，比如说大流的马达，功放，及闪灯等，以防止这些负载在工作时产生的大电流引响单片机的正常工作，尽量让单片机的电源稳定。
C3,C4应该按负载的大小而定。
负载大时可以采用容量较大的电容以确保电源波动最小。
应用实例:
二、电容降压
在设计常用单片机系统中，为了减小体积、降低成本，往往采用电容降压的方法代替笨重的电源变压器。
采用电容降压方法如元器件选择不当，不但达不到降压要求，还有可能造成电路损坏。
最简单的电容降压直流供电电路及其等效电路如图1，C1为降压电容，一般为0.33~3.3uF。
假设C1=2uF，其容抗XCL=1/（2PI*fC1）=1592。
由于整流管的导通电阻只有几欧姆，稳压管VS的动态电阻为10欧姆左右，限流电阻R1及负载电阻RL一般为100~200，而滤波电容一般为100uF~1000uF，其容抗非常小，可以忽略。
若用R代表除C1以外所有元器件的等效电阻，可以画出图2的交流等效电路。
同时满足了XC1>R的条件,所以可以画出电压向量图。
由于R甚小于XC1，R上的压降VR也远小于C1上的压降，所以VC1与电源电压V近似相等，即VC1=V。
根据电工原理可知：
整流后的直流电流平均值Id,与交流电平均值I的关系为Id=V/X
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