单片机入门学习三 51单片机学习二

桃扇骨 2022-06-03 09:21 476阅读 0赞

本篇针对《手把手教你学51单片机》后13章做一个总结。

### 1、复位电路复位时间公式 ###

在书中第100页第二段有这么一段话

> “复位电压值 ，每种单片机不完全一样，我们按照通常0.7VCC作为复位电压值，复位时间的计算过程比较复杂，我这里只给大家一个结论，时间**t=1.2RC**，我们用的R是4700欧，C是0.0000001法，那么计算出t就是0.0000564秒，即564us，远远大于2个机器周期（2us），在电路设计的时候一般留够余量就行。”

下图是复位电路原理图  
![复位电路图][SouthEast]

#### 1）RC充放电公式 ####

由RC电路充放电公式![Vt=V0+(V1-V0)\*\[1-e^(((-t)/RC) ) \]][Vt_V0_V1-V0_1-e_-t_RC_ _] ，其中V0 为电容上的初始电压值、V1 为电容最终可充到或放到的电压值、Vt 为t时刻电容上的电压值，令V0=0，则公式为![Vt=V1\*\[1-e^(((-t)/RC) ) \]][Vt_V1_1-e_-t_RC_ _]（充电公式）。  
从RC电路充放电公式可得出电容充满电的时间![t=RC\*ln\[V1/Vt\]][t_RC_ln_V1_Vt]  
当t = RC时，Vt = 0.63V1；  
当t = 2RC时，Vt = 0.86V1；  
当t = 4RC时，Vt = 0.98Vu；  
当t = 5RC时，Vt = 0.99Vu；  
可见，经过3~5个RC后，充电过程基本结束。  
当电容充满电后，将按键K17按下，电容C会通过R放电（添加R60目的是保护按键防止大电流烧坏按键），则电容上的电压为![Vt=V1\*e^(((-t)/RC) )][Vt_V1_e_-t_RC_]（放电公式）。

#### 2）单片机高低电平标准 ####

在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。

#### 3）t=1.2RC ####

有1）、2）可知，令V1=5，Vt=1.5，可得 ln(5/1.5)≈1.2，得t=1.2RC

#### 4）按键按下时为何会复位 ####

在单片机启动800us后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候4.7K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压在564us内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候4.7K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。

#### 5）总结 ####

①复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2个机器周期以上的电平信号，只要保证电容的充放电时间大于2个机器周期的时间，即可实现复位，所以电路中的电容值是可以改变的。  
②按键按下系统复位是电容处于一个短路电路中释放了所有的电能，电阻两端的电压增加引起的。

### 2、单片机IO口的结构 ###

![单片机IO结构示意图][IO]

三极管是靠电流导通的，MOS管是靠电压导通的。  
1）**准双向模式**，这种方式具有输入和输出的功能。当IO输出为高电平时，其驱动能力很弱，外部负载很容易将其拉至低电平。当IO输出为低时，其驱动能力很强，可吸收相当大的电流。准双向IO有三个上拉晶体管“极弱上拉”、“弱上拉”、“强上拉”。当IO作为输入时具有一个施密特触发器，用于抑制输入抖动和干扰，此时锁存器必须输入为1。  
2）**开漏模式**，这种方式若不接上拉电阻时，则可以输出高阻或低电平两种状态，作为输出是一般需要外接上拉电阻的。  
3）**推挽模式**，这种方式具有很强的驱动电流能力。

### 3.MOS、CMOS概念 ###

1）MOS为Metal-Oxide-Semiconductor 对应的为 金属-氧化物-半导体，MOS管又有P型MOS管和N型MOS管之分，MOS管构成的集成电路叫MOS集成电路。  
2）PMOS管和NMOS管互补共同构成的MOS集成电路叫CMOS集成电路 Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体。

### 4.串口通信 ###

1）串口通信是指采用串行通信协议（serial communication）在一条信号线上将数据一个比特一个比特地逐位进行传输的通信模式。  
2）串口是串行接口（serial port）的简称，也称为串行通信接口或COM接口。  
3）串口按**电气标准及协议**来划分，包括RS-232、RS-422、RS485等。  
4）串口通信分为并行通信和串行通信

#### 5）串行通信制式 ####

① 单工制式  
单工制式是甲乙双方通信只能单向传送数据。  
![单工制式][SouthEast 1]  
② 半双工制式  
半双工制式是指通信双方都具有发送器和接收器，双方即可发送也可接收，但接收和发送不能同时进行，即发送时就不能接收，接收时就不能发送。  
![半双工制式][SouthEast 2]  
③ 全双工制式  
全双工制式是指通信双方均设有发送器和接收器，并且将信道划分为发送信道和接收信道，两端数据允许同时收发。  
![全双工制式][SouthEast 3]

#### 6）RS232 ####

RS232接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。DB25的串口一般只用到的管脚只有2(RXD)、3(TXD)、7(GND)这三个，随着设备的不断改进，现在DB25针很少看到了，代替他的是DB9的接口，DB9所用到的管脚比DB25有所变化，是2(RXD)、3(TXD)、5(GND)这三个。因此现在都把RS232接口叫做DB9。  
![RS232][]  
其中2脚RXD、3脚TXD、5脚GND

RS-232总线逻辑电平：  
\+5V~+15V表示逻辑“0”  
\-15V~-5V表示逻辑“1”  
单片机标准逻辑电平（TTL电平）：  
\+5V表示逻辑“1”  
0V表示逻辑“0”  
故需要MAX232做电平转换。

#### 7）RS485 ####

![RS485][]  
针对RS232接口的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485就是其中之一，它具有以下特点：  
①RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2-6) V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(2-6)V表示。接口信号电平比RS-232降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。  
②RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。  
③RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。  
④RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。  
⑤因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线(我们一般叫AB线)，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。

#### 8）串口通信协议 ####

① UART  
UART是通用异步收发传输器，使用RxD和TxD两根线实现异步全双工通信；为确保通信可靠，可以在通信两边接共地；因此，完整的UART通信只需最少3根线即可。RxD是发送数据线，TxD是接收数据线，通信双方使用交叉互联，RxD接对方TxD，TxD接对方RxD。UART使用标准的TTL/CMOS电平（0~5V，0~3.3V，0~2.5V，0~1.8V）来表示数据，高电平表示1，低电平表示0。  
② I²C  
I2C 是同步半双工通信协议。I²C使用SCL，SDA两根双向数据线进行通信，同时为了支持线与逻辑，需要使用开漏输出，同时使用上拉电阻；上拉电阻大小常见的有1.8K，4.7K，10K；在低速场合，为了降低功耗，可以使用10K上拉电阻，1.8K的上拉电阻具有最好的性能，可满足较高速的应用。I2C常见的通信速率有普通：100K，快速：400K，高速：3.4M。I²C最大的从机数量受从机地址和最大总线电容400pF电容的限制。  
I²C属于同步通信，SCL时钟线负责收发双方的时钟节拍，SDA数据线负责传输数据。I²C的发送方和接收方都以SCL这个时钟节拍为基准进行数据的发送和接收。  
③ SPI  
SPI是同步全双工串行通信协议。SPI定义了4根信号线：  
SCK：时钟线，主机提供  
MISO：主入从出  
MOSI：主出从入  
SS：片选。  
片选信号可选，因此通信最少需要3根信号线。SPI在时钟上升沿下进行双向数据交换，主机在输出的同时，也会接收到从机的数据。在设计上，主机从机均需要一个移位寄存器。SPI不区分读写方向，只进行数据交换，要读也必须写，才能将数据交换过来。

[SouthEast]: /images/20220603/609169942bff490c987ec3443d7f5e6a.png
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[SouthEast 2]: /images/20220603/590b1f975ef24e689775c86191a09ce8.png
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[RS485]: /images/20220603/dd2fd8e160804e30ae0066d2210ee3ee.png