基于最小化单片机系统的设计与创新应用

基于最小化单片机系统的设计与创新应用

赵启威

南华大学电气工程学院

摘要：众所周知，单片机功能强大，性价比高，在工业、通讯等领域都有广泛的应用。相关的单片机产品种类繁多，对其稳定性的要求也日益增高。单片机运行的稳定性问题，成为了一个非常重要的研究课题。首先介绍了单片机及最小单片机系统概念，然后详细的说明了最小单片机系统的组成及设计过程，最后介绍了最小单片机系统在日常生活中的创新应用。

关键词：单片机；最小单片机系统；电源电路；时钟电路；复位电路

引言

伴随着我国社会经济的飞速发展，国内的电子技术应用也在逐步完善，其中嵌入式技术系统的表现最为明显，所以引起了电子技术领域的极度重视。嵌入式系统的发展同时推动了单片微控制器的研究进度。在嵌入式系统中，单片机在社会上的应用最为广泛，因其在社会中的广泛应用，所以单片机的应用技术是同类型里最具科技性的。

1单片机的概念

前言说到，单片机是我国嵌入式系统中最为常见且应用最为广泛的一种，其主要表现在通讯、智能设备、电子仪器等多个领域。较之其它的嵌入式系统，单片机具备体积较小、耗能低、延伸性广、集成性能高等多个优点。单片机的中央处理器主要是由CPU、RAM、ROM等多个部分组成，其内部还包括了计数器、多类I/0接口，由这些部分最终组成了单片机。因其内部组成含有多种计数器和I/0接口，所以单片机可以同时处理大量的数据，由此可见，单片机在智能化数据处理上是占很大优势的。

2最小单片机系统

单片机又称单片微控制器，是在一块芯片中集成了中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、定时器/计数器和多种功能输入/输出（I/O）接口的集成电路芯片。单片机可以完成复杂的运算、逻辑控制和通信等功能，现已被广泛的应用于社会各个领域，如仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、智能化管理、过程控制、网络通信、汽车电子产品等领域。在生活中，我们希望我们的生活越来越智能化，如家庭安全报警、测距、温湿度显示及报警、PM2.5检测等等，最小单片机系统的应用就能让我们轻松解决上述问题，从而给我们的生活带来了非常巨大便利。最小单片机系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少元件组成的可以完成最基本工作的单片机系统。最小单片机系统虽然简单，但却是大多数控制系统所必不可少的关键部分。

3最小单片机系统组成及设计

3.1最小单片机系统组成

对于MCS-51单片机，其内部已经包含了一定数量的程序存储器和数据存储器，在外部只要增加少量电路即可构成单片机最小系统。对MCS-51系列单片机来说，最小单片机系统一般包括：电源、时钟电路和复位电路。

3.1.1电源电路

在电子设计中，我们需要有一个供电模块，这个供电模块能够为系统提供电源。既然是电源，就必须可靠，能够维持整个电子设计，只有这样，电子系统才可以正常运行。电源电路就是单片机的供电电路，一般是3.3V或者5V，具体多少要参考各种型号的单片机的工作电压，通常情况下是5V。

3.1.2时钟电路

微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，单片机指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

3.1.3复位电路

单片机在上电时候状态并不稳定，为了解决这个问题，单片机需要一个复位逻辑信号，它可以把单片机初始化到某个确定的状态。除了由专门的复位芯片构成的复位电路以外，最简单的复位电路就是RC复位电路，复位信号分高电平有效和低电平有效两种，具体可参看所选用的单片机芯片手册。复位电路的工作原理是把电容和电阻外接在单片机的复位引脚RST上，这样就可以达到上电复位。

3.2最小单片机系统计

最小单片机系统设计过程如下：(1)首先采用Proteus软件绘制51单片机最小系统仿真原理图；(2)为了测试所需，再绘制测试模块；(3)绘制完成后，为了仿真，再采用Keil软件编写测试代码并生成hex文件；(4)烧录hex文件，查看仿真结果；(5)选择电子元器件和相关工具；(6)采用万用板进行焊接；(7)实物测试。包括电源模块和下载模块；(8)打开单片机程序烧录软件，进行烧录。

4最小单片机系统的创新应用

单片机主要擅长系统控制，但对于高中生来讲，复杂控制系统还难以完成。但在我们日常生活中，有些基本的控制任务，由于其控制目标简单，因此易实现。因此，这些控制任务就可以采用最小单片机系统来实现，从而实现性价比最佳目标。如超声波测距、智能防近视、灯光防盗报警、红外热释家庭防盗报警、烟雾火灾检测报警、可燃气体检测报警、温度上下限报警控制、电子无线病床病房呼叫器、智能窗帘窗户控制、恒温水箱温度控制系统、心率脉搏计检测系统、太阳能手机充电器和PM2.5空气质量粉尘检测系统等等。以太阳能手机充电器为例说明。太阳能手机充电器是将太阳能转换成电能，然后基于最小单片机系统，最终实现手机充电和显示功能。充电器由硬件和软件两部分设计组成。硬件由单片机最小系统、太阳能充电电路、ADC0832转换模块、太阳能充电电池、液晶显示模块和电源模块组成。具体工作原理为太阳能充电板在阳光的照耀下产生电荷，存储太阳能电池板的电荷，经过稳压芯片稳压后给芯片提供电源和充电电池充电。软件设计的程序先对STC89C52系统初始化，液晶屏定时器初始化；然后给出开机显示，接着打开定时器开始定时，同时开启模数转换器采集锂电池电压的数据值，且把采集的数据在液晶屏上进行显示。综上，此简易太阳能充电站制作简单、安装简单、性价比高及性能稳定。

5单片机在电子技术中的开发

5.1基于计算机的开发

依据现阶段来看，国内的单片机都有通讯接口，以便达成和计算机之间的信息传递，以此来为计算机系统提供可靠、精准的数据信息。在当今社会，几乎所有的通讯设备都已经装置了单片机，以此来达成智能管控，在我们生活中，最为常见的就是手机通信、无线对讲机等通讯设施。

5.2基于C语言的程序优化

现阶段国内应用于工业领域的单片机都是隶属于嵌入式系统的研发，其数据处理与智能管控都极具复杂性。特别是软件设计，工作量大的同时并且过度复杂。单片机的系统CPU因其内部结构简单、内部储存空间较小等问题，所以单片机系统的硬件资源的容量较小。因此现阶段的C语言程序优化将研究点着重于单片机系统内部储存量的扩展上。

结语

总之，最小单片机系统因其可靠性高，便于扩展，控制功能强，低电压，低功耗，集成度高，体积小，性价比高等优点广泛应用于社会生活各个角落。对于学生而言，通过5l单片机最小系统的学习，结合生活中的各类应用，既能锻炼学生电子工艺的实践能力，也能克服传统空洞理论单片机教学，还能加深对工程实践过程的了解，从而提高学生分析应用及实践创新能力。

参考文献

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