51单片机的学习之路1

目录

1.51单片机硬件电路介绍

1.1 51入门的基本概念

1.1.1常见知识

1.1.251单片机系列管脚说明

1.2主电路最小系统硬件电路的概述

1.2.1VCC接100nf电容的原因

1.2.251单片机P0.0~P0.7接上拉电阻的原因

1.2.3晶振电路

1.2.4复位电路

1.2.5USB转TTL下载电路

1.3硬件原理图的器件

1.3.1保险丝

1.51单片机硬件电路介绍

1.1 51入门的基本概念

1.1.1常见知识

命名规范

封装类型

（1） LQFP (Low-profile Quad Flat Package)

（2） PDIP（Plastic Dual In-line Package）

51单片机内部结构

（1）STC89C52系列单片机的内部结构框图如下图所示。STC89C52单片机中包含中央处理器
(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、I/O接口、EE
PROM、看门狗等模块。STC89C52系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元
模块，可称得上一个片上系统。

1.1.251单片机系列管脚说明

1.2主电路最小系统硬件电路的概述

1.2.1VCC接100nf电容的原因

接旁路电容的原因

（1）在给芯片供电时存在高频噪声，加入旁路电容可以滤除高频噪声得到纯净的直流

（2）当不存在这个旁路电容时，电流从远处的电源平面来，可能产生电源噪声或导致电压波动，是由于电容瞬时充电的电流是比较大的（也是高频的）。当芯片引脚加入一个旁路电容后，当给这个负载电容充电之后，旁路电容率先提供这个电流就不需要从远处的电源平面来提供这个电流，一定程度上减小了对我们这个电源平面的干扰

（3）推挽输出输出的是一个快速变换的信号，那么他的电流也是一个快速变换的信号，如果我们芯片，电源引脚有这么一个旁路电容的话我们这个快速变换的这个电流信号就通过我们这个旁路电容形成了一个比较小的闭合路径。如果我们这个芯片电源引脚，没有旁路电容我们这个快速交变的这个电流信号，就要从远处来进行一个回流，就导致回流路径比较大容易产生辐射干扰其它器件

值是100nf的原因

（1） $f$ 是通过电容的信号频率，此时电容的频率应该小于谐振频率 $f_0$

（2）以下为某个芯片厂商的贴片陶瓷电容的等效串联电阻和频率的关系，此时电容为10nf，当小于频率小于这个谐振频率时呈现容性，当频率高于这个谐振频率时呈现感性

（3）电容容值与频率的关系

电容放置注意的点

（1）尽可能靠近芯片电源引脚

（2）芯片每个电源引脚都要有这个旁路电容

（3）多电容并联时容值小的越靠近芯片

1.2.251单片机P0.0~P0.7接上拉电阻的原因

硬件原理图

推挽输出

（1）推挽输出（push pull output），当为高电平时，此时电流由芯片内部向外部输出为Push，当为低电平，此时电流由外部向芯片内内部输入为pull。

（2）CMOS反相器，此时由PMOS和NMOS管构成，此时漏极连接在一起作为输出端。当控制电路电压为高电平时，且 $V_{GSN}>V_{th}$ 时下管导通此时，外部芯片通过MOS管连接地输出低电平，反之控制电路为低电平时，PMOS管导通，外部芯片通过PMOS管接到VCC，输出为高电平。

不懂可以参考我以前的博客：数电学习基础（逻辑门电路+）-CSDN博客https://blog.csdn.net/usjjjsj/article/details/142437871?spm=1001.2014.3001.5502

也可以去看尚硅谷的视频

开漏输出

（1）开漏输出（open drain output），晶体管的漏极（D）在没有控制电路的干预下此时为开漏输出

（2）当晶体管导通时，此时外部接低输出为低电平。当晶体管截止，此时外部与芯片悬空，导致输出高阻态

（3）此时开漏输出没有能力输出高电平，因此需要一个上拉电阻使得输出高电平，当开关闭合时，输出为需要一个电阻来限制电流，防止损坏晶体管

为什么51单片机要接开漏输出

（1）推挽输出由芯片供电，此时输出的电平被限制在芯片的电平而开漏输出可以改变输出电平的大小，若上拉电阻的电平为3.3V此时输出的电平也可以是3.3V

1.2.3晶振电路

石英晶体的构造

石英晶振电路的基本概念

（1）谐振：外部施加交流电的频率为 $f$ 时，当外部施加的频率 $f$ 和串联电路的频率 $f_0$ 相同时，此时串联电路中的电流最大的频率称为谐振频率。当输入的频率等于串联谐振频 $f_s$ 时此时电路中只存在阻抗。

（2）压电效应：若在晶片的两个极板间加一电场会使晶体产生机械变形。反之若在极板间施加机械力又会在相应的方向上产生电场这种现象称为压电效应。

（3）压电谐振：由压电效应可知晶体可以将电能转化为机械能然后机械能又转化为电能。如果晶体通交流电收缩与膨胀循环这就是机械振动。当机械振动的物理尺寸和结构固定之后它本身就有一个固定的振动频率，当外加交变电压的频率与晶片的固有频率相等时机械振动的幅度将急剧增加这种现象称为压电谐振

（4）石英晶体的波形

皮尔斯振荡器

（1）XTAL1一般来说是晶振信号的输入引脚，XTAL2是晶振信号的输出引脚，皮尔斯振荡器需要用XTAL2的输出来充当反馈信号，从而维持晶振持续震动。

（2）起振过程：电路中存在各种各样的噪声，当这个反相器刚上电时放大了各种频率的噪声信号然后这个信号会传输给晶振而晶振只允许频率等于谐振频率的信号通过这就实现了对信号的选择。晶振的作用相当于滤波，滤掉不是晶振的谐振信号的频率，等于谐振信号的频率被反馈到输入端，又一次被放大，依次往复，这个振荡电路就能产生稳定的频率，此时输出的频率的波形和晶振振荡频率的波形相等，也就是谐振频率

（3）晶振振荡电路图如下图所示。这样的组成可以使晶振处于并联谐振模式。反相器提供了180°的相移，晶振、电阻和电容组成的π型网络产生另外180°的相移。所以整个环路的相移为360°。这满足了保持振荡的一个条件。另外一个条件是要求闭环增益应≥1，才能正确起振和保持振荡。

（4）在外部电路图也通常接一个驱动限流电阻 $R_d$ ，主要功能是限制反相器输出，这样晶振不会被过驱动（over driven）。 $R_d$ 、 $C_2$ 组构成分压电路，这些元器件的数值是以这样的方式进行计算的：反相器的输出接近rail-to-rail值，输入到晶振的信号是rail-to-rail的60%，通常实际是令 $R_d$ 的电阻值和的 $C_2$ 容抗值相等，即 $R_d$ ≈ X $C_2$ 。这使晶振只取得反相器输出信号的一半。要一直保证晶振消耗的功率在厂商说明书规定范围内，过驱动会损坏晶振。

晶振的负载电容的选型

1.2.4复位电路

工作过程

（1）在上电的瞬间，电容处于充电状态，此时电容相当于一根导线，RST引脚得到高电平。

（2）在上电一段时间后，电容充满，此时电容相当于短路，这个时候RST将拿到低电平。

（3）按下开关后，RST引脚相当于直接接到VCC，此时RST引脚将是高电平，这个状态维持几十us，MCU就会清空当前状态，重新回到第一行代码开始执行。

电容的作用

（1）这个电容的作用主要是保证充足的高电平维持时间，这个电容的选择越大，这个电容所需的充电时间就越长。

10uF电容时，按键按下和电容充电时长

50uf电容时，按键按下和电容充电时长

（2）通常情况下，单片机的复位引脚（RST）需要一个持续一定时间长度的高电平信号才能识别并执行复位操作。通过调整复位电路中的电容值，我们可以确保每次按下复位按钮时，都能提供足够长的高电平信号，保证单片机能够稳定地触发复位。

电阻的作用

（1）RST引脚的内部，与电平的不确定性：RST引脚内部直接连接受控电路，但该连接点上方靠近VCC的一端可能还有其他电路，下方靠近GND的一端也可能有其他电路。由于MCU内部电路是动态的，我们无法确定这些电路的具体阻值，不过可以肯定的是，这两个电路的阻值都非常的大，可能有500K到1MΩ级别。

这些阻值的大小关系会影响电压分配，因此在RST引脚悬空的状态下，我们无法确定它在MCU工作时到底是高电平还是低电平。

（2）如何给RST确定的电平信号：要为RST引脚提供确定的电平信号，只需将其直接连接到VCC或GND。如果需要给RST引脚高电平信号，则将其直接接到VCC。这时，上方其他电路的阻值可以被忽略，受控电路会感知到高电平信号。同样，如果需要给RST引脚低电平信号，则将其直接接到GND，这样下方其他电路的阻值可以忽略，受控电路会获得确定的低电平信号

（3）如果我们的RST引脚自始至终都只需要高电平或者低电平，那么我们其实可以不用给任何的电阻，直接接VCC或者GND就行了。但是因为我们要根据情况，在不同的时刻给RST引脚接VCC或者GND。下图的电路，在开关没有闭合的时候是直接连接GND的，拿到的是低电平信号。

但是，如果我们想要给RST高电平，直接闭合开关，会导致左侧电路的短路

因此，这个时候，我们可以在下拉接地的位置引入一个电阻，

下拉电阻

（1）刚才我们在GND一侧放置的电阻就是“下拉电阻”，因为它接在下拉电路上。当开关未闭合时，这个电阻与“其他电路1”串联，与“其他电路2”并联。此时，可以忽略阻值很大的“其他电路2”，关注下拉电阻与“其他电路1”的分压关系。

（2）在下方的电路仿真中，我们将下拉电阻替换为一个可调电阻器，“其他电路1”抽象为一个500kΩ的电阻。当前，下拉电阻的阻值为1kΩ，这时上方的500kΩ电阻几乎分走了所有电压，此时RST引脚上的电压为9.98mV。这个下拉效果非常强，可以称之为“强下拉”。

（3）如果我们将可调电阻的阻值改为100kΩ，那么RST引脚的电压将变为1.423V。这种情况下，下拉效果较弱，不能完全将电压拉下来，可以称其为“弱下拉”。

（4）如果将电路改为上拉电路，原理也是相同的。因此可以说，上拉/下拉电阻的阻值决定了上拉/下拉的强度。而且是阻值越小，拉动感越强

为什么芯片上电瞬间要保持复位状态

（1）这是因为有的供电电路它在上电瞬间可能会出现这样的电压抖动的情况在这个电压不稳定的状态下如果单片机开始工作的话可能会出现一些不可预知的错误而上电复位电路可以为单片机提供这么一段缓冲时间等到电压稳定后才开始让单片机开始工作

二极管的作用

（1）二极管的作用是，在电源掉电的时候，二极管的动态电阻很小，给电容提供一条低阻抗的放电回路或者我们按下关机的时间太短，电容还没有放完电我们就开机了，这样电阻的电位达不到复位条件，单片机不能复位。

RC充电时间的计算

1.2.5USB转TTL下载电路

type-C芯片电路

（1） 24Pin Type-C是UBS-IF推出的标准Type C接口。下面是它的引脚分布和功能介绍。、

A面			B面
针	名	描述	针	名	描述
A1	GND	接地，相当于电源负极	B12	GND
A2	TX1+	SuperSpeed差分信号#1，TX，正（SuperSpeed高速数据传输）	B11	RX1+
A3	TX1-	SuperSpeed差分信号#1，TX，负（SuperSpeed高速数据传输）	B10	RX1-
A4	VBUS	总电源线，相当于电源正极	B9	VBUS
A5	CC1	承载连接过程中的传输方向确认和也可以协商充电协议，识别正反插等，及 USB PD BCM 码信号传输功能，以实现负载功率配置。	B8	SUB2
A6	D+	USB 2.0差分信号，position 1，正	B7	D-
A7	D-	USB 2.0差分信号，negative 1，负	B6	D+
A8	SBU1	可以用来传输视频或者音频信号	B5	CC2
A9	VBUS	总线电源	B4	VBUS
A10	RX2-	SuperSpeed差分信号#1，RX，正（SuperSpeed高速数据传输）	B3	TX2-
A11	RX2+	SuperSpeed差分信号#1，RX，正（SuperSpeed高速数据传输）	B2	TX2+
A12	GND	接地，相当于电源负极	B1	GND

（2）16pin的Type-C接口移除掉了用来进行高速数据传输的TX引脚（也就只能是USB2.0的速度了），不过其他功能全部保留了下来，依然可以使用音视频传输，并且也能使用PD快充等。

（3） 6pin针脚仅仅保留了供电能力，不仅如此，原先的VBUS和GND引脚也都砍了一半。这种接口适合用来做一些低功率的供电，不适合搞100W的大功率供电。

TypeC接口与充电协议

（1）传统USB供电协议

USB1.0到USB2.0:

电压：5V

最大电流：500mA

USB3.0之后：

电压：5V

最大电流：900mA

（2）PD协议：

电压：5V,9V,15V,20V,PD3.1支持28V,36V,48V

最大电流：5A

最大功率：100W(PD3.0),240W(PD3.1)

（3）OC协议

CH340芯片解释

博客：

基于STC89C51单片机，CH340芯片的下载电路_stc单片机ch340自动下载电路-CSDN博客https://blog.csdn.net/qq_46212154/article/details/105634059?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2~default~baidujs_baidulandingword~default-0-105634059-blog-105285617.235^v43^pc_blog_bottom_relevance_base6&spm=1001.2101.3001.4242.1&utm_relevant_index=3

（1）V3引脚：外接0.01uF退耦电容，也就是图1-1中电容C2，值为0.uf

（2）XI/XO引脚：CH340G芯片正常工作时需要外部向XI引脚提供12MHz的时钟信号。一般情况下，时钟信号由CH340内置的反相器通过晶体稳频振荡产生。外围电路只需要在XI和XO引脚之间连接一个12MHz 的晶体，并且分别为XI和XO引脚对地连接振荡电容。

（3）TXD：CH340芯片的发送引脚TXD上接一个反向二极管，然后再连接到对端IC。通过反向二极管的原理是：在CH340发送数据时，发送高电平时二极管截止，但是由于对端RXD默认上拉也是高电平不会有采样问题，而发送低电平时二极管导通，对端RXD接收到低电平，因此可以正常通讯

（4）RXD：在接收引脚上加一个限流电阻来防止对端IC对CH340倒灌电。通过限流电阻的原理是：倒灌电流导致芯片工作甚至闩锁效应，是由于引脚电流过大超过了芯片设计时容忍的上限导致芯片内部电路出现异常。因此加一个限流电阻就可以了，其他通讯场景也可以仿照此方法进行尝试。

（5）VCC：CH340 芯片支持5V电源电压或者3.3V电源电压。当使用5V工作电压时，CH340芯片的VCC引脚输入外部5V电源，并且V3引脚应该外接容量为0.1uF的电源退耦电容。当使用3.3V工作电压时， CH340 芯片的V3引脚应该与VCC引脚相连接，同时输入外部的3.3V电源，并且与CH340芯片相连接的其它电路的工作电压不能超过3.3V。

（6）数据传输引脚包括：TXD引脚和RXD引脚。串口输入空闲时，RXD应为高电平。对于CH340G芯片，如果R232引脚为高电平启用辅助RS232功能，那么RXD引脚内部自动插入一个反相器，默认为低电平。串口输出空闲时，CH340G芯片的TXD为高电平。

自动冷启动电路

（1）初始：RTS和DTR均为高电平，发射结电压为0，CE之间断开，MOS管G极接下拉电阻得到低电平，由于是耗尽型PMOS，G极低电平使MOS管导通，当使得D极供给了单片机电源，同时点亮了LED指示灯，此时执行最新烧写进的程序。

（2）下载开始：当点击软件的下载键时，RTS先变低，此时发射结正偏，BJT导通，这时G极的电平就是DTR的电平，即高电平，MOS管截止，单片机掉电。接着，DTR变低，BTJ截止，MOS管导通，单片机上电。就是这个下载开始的过程，实现了单片机的冷启动，整个过程只需要点一次鼠标，不需要插杜邦线，称之为一键下载。

（3）下载结束：RTS先变高，DTR后变高，整个过程保证了单片机一直处于有电状态，如果电路设计不当造成变化是相反的结果，单片机就会掉电出问题。

（4）（1）下载程序必须要冷启动，冷启动检测是否有下载命令流的这个过程在复位操作前，因此复位，即热启动，是无法下载程序的，必须要让单片机完全掉电再上电.