單片機(jī)的應(yīng)用與分類-單片機(jī)5V轉(zhuǎn)3.3V電平的方法技巧大全-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-01-17
單片機(jī)（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)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(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80年代，由當(dāng)時(shí)的4位、8位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機(jī)。
單片機(jī)（Microcontrollers）作為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支領(lǐng)域，根據(jù)發(fā)展情況，從不同角度，單片機(jī)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(jī)（Microcontrollers）適用范圍來區(qū)分的。例如，80C51式通用型單片機(jī)，它不是為某種專門用途設(shè)計(jì)的；專用型單片機(jī)是針對(duì)一類產(chǎn)品甚至某一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，例如為了滿足電子體溫計(jì)的要求，在片內(nèi)集成ADC接口等功能的溫度測(cè)量控制電路。
總線型
這是按單片機(jī)（Microcontrollers）是否提供并行總線來區(qū)分的。總線型單片機(jī)普遍設(shè)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(kuò)展并行外圍器件都可通過串行口與單片機(jī)連接，另外，許多單片機(jī)已把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成一片內(nèi)，因此在許多情況下可以不要并行擴(kuò)展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機(jī)稱為非總線型單片機(jī)。
控制型
這是按照單片機(jī)（Microcontrollers）大致應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運(yùn)算能力強(qiáng)；用于家電的單片機(jī)多為專用型，通常是小封裝、低價(jià)格，外圍器件和外設(shè)接口集成度高。 顯然，上述分類并不是惟一的和嚴(yán)格的。例如，80C51類單片機(jī)既是通用型又是總線型，還可以作工控用。
標(biāo)準(zhǔn)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(gè)毫伏的低壓降 （Low Dropout， LDO）穩(wěn)壓器，是此類應(yīng)用的理想選擇。圖 1-1 是基本LDO 系統(tǒng)的框圖，標(biāo)注了相應(yīng)的電流。從圖中可以看出， LDO 由四個(gè)主要部分組成：
1. 導(dǎo)通晶體管
2. 帶隙參考源
3. 運(yùn)算放大器
4. 反饋電阻分壓器
在選擇 LDO 時(shí)，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(hào)是重要的器件參數(shù)。根據(jù)具體應(yīng)用來確定各種參數(shù)，將會(huì)得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)。
LDO電壓穩(wěn)壓器
LDO的靜態(tài)電流IQ是器件空載工作時(shí)器件的接地電流 IGND。 IGND 是 LDO 用來進(jìn)行穩(wěn)壓的電流。當(dāng)IOUT>>IQ 時(shí)， 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(shí)，必須將 IQ 計(jì)入效率計(jì)算中。具有較低 IQ 的 LDO 其輕載效率較高。輕載效率的提高對(duì)于 LDO 性能有負(fù)面影響。靜態(tài)電流較高的 LDO 對(duì)于線路和負(fù)載的突然變化有更快的響應(yīng)。
詳細(xì)說明了一個(gè)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(jiǎn)單的低成本 3.3V穩(wěn)壓器，如圖 2-1 所示。在很多應(yīng)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(duì)負(fù)載敏感的程度要高于 LDO 穩(wěn)壓器。另外，它的能效較低，因?yàn)?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(shí)，二極管的反向電壓也將發(fā)生改變，所以需要仔細(xì)考慮 R1 的值。
R1 的選擇依據(jù)是：在最大負(fù)載時(shí)——通常是在PICmicro MCU 運(yùn)行且驅(qū)動(dòng)其輸出為高電平時(shí)——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(shí)，在最小負(fù)載時(shí)——通常是 PICmicro MCU 復(fù)位時(shí)——VDD 不超過齊納二極管的額定功率，也不超過 PICmicro MCU的最大 VDD。
如下圖詳細(xì)說明了一個(gè)采用 3 個(gè)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(gè)常規(guī)開關(guān)二極管串聯(lián)起來，用其正向壓降來降低進(jìn)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(shè)計(jì)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(fù)載最小時(shí)——通常是 PICmicro MCU 處于復(fù)位或休眠狀態(tài)時(shí)——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(fù)載時(shí)——通常是 PICmicro MCU 運(yùn)行且驅(qū)動(dòng)其輸出為高電平時(shí)——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。
如圖下所示，降壓開關(guān)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(dǎo)通（ON）時(shí)間來實(shí)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(dāng) Q1 在這兩種狀態(tài)期間時(shí)，通過平衡電感的電壓- 時(shí)間，可以建立輸入和輸出電壓之間的關(guān)系。
對(duì)于MOSFET Q1，有下式：
在選擇電感的值時(shí)，使電感的最大峰 - 峰紋波電流等于最大負(fù)載電流的百分之十的電感值，是個(gè)很好的初始選擇。
在選擇輸出電容值時(shí)，好的初值是：使 LC 濾波器特性阻抗等于負(fù)載電阻。這樣在滿載工作期間如果突然卸掉負(fù)載，電壓過沖能處于可接受范圍之內(nèi)。
在選擇二極管 D1 時(shí)，應(yīng)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(gè)工作電壓不同的器件時(shí)，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(yīng)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(shè)計(jì)連接時(shí)，請(qǐng)務(wù)必參考制造商的數(shù)據(jù)手冊(cè)以獲得實(shí)際的閾值電平。
輸入/輸出
將 3.3V 輸出連接到 5V 輸入最簡(jiǎn)單、最理想的方法是直接連接。直接連接需要滿足以下 2 點(diǎn)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(gè)要求得不到滿足，連接兩個(gè)部分時(shí)就需要額外的電路。可能的解決方案請(qǐng)參閱技巧 6、7、 8 和 13。
如果 5V 輸入的 VIH 比 3.3V CMOS 器件的 VOH 要高，則驅(qū)動(dòng)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(shí)，需要考慮兩個(gè)參數(shù)，即：輸入的開關(guān)速度和 R1 上的電流消耗。當(dāng)把輸入從 0切換到 1 時(shí)，需要計(jì)入因 R1 形成的 RC 時(shí)間常數(shù)而導(dǎo)致的輸入上升時(shí)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(guān)速度可通過下式計(jì)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(guān)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(guān)時(shí)間，卻是以增大5V 輸入為低電平時(shí)的電流消耗為代價(jià)的。通常，切換到 0 要比切換到 1 的速度快得多，因?yàn)?N 溝道 MOSFET 的導(dǎo)通電阻要遠(yuǎn)小于 R1。另外，在選擇 N 溝道 FET 時(shí)，所選 FET 的 VGS 應(yīng)低于3.3V 輸出的 VOH。
MOSFET轉(zhuǎn)換器
電子技術(shù)中單片機(jī)的應(yīng)用
1、在家用電器領(lǐng)域的應(yīng)用
現(xiàn)在在家用電器的更新、市場(chǎng)開拓等方面，單片機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，比如電子玩具或者高級(jí)的電視游戲機(jī)中，會(huì)應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)其控制功能;而洗衣機(jī)可以利用單片機(jī)識(shí)別衣服的種類與臟污程度，從而自動(dòng)選擇洗滌強(qiáng)度與洗滌時(shí)間;在冰箱冷柜中采用單片機(jī)控制可以識(shí)別食物的種類與保鮮程度，實(shí)現(xiàn)冷藏溫度與冷藏時(shí)間的自動(dòng)選擇;微波爐也可以通過單片機(jī)識(shí)別食物種類從而自動(dòng)確定加熱溫度與加熱時(shí)間等等，這些家用電器在應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)后，無論是性能還是功能，與傳統(tǒng)技術(shù)相比均有長(zhǎng)足的進(jìn)步。
2、在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用
現(xiàn)代醫(yī)療條件越來越發(fā)達(dá)，人們對(duì)醫(yī)療滅菌消毒技術(shù)也越來越重視，但是一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的小醫(yī)院、小診所其消毒滅菌設(shè)備還十分簡(jiǎn)陋，無法有效的控制消毒質(zhì)量。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其體積較小、功能強(qiáng)大、具有靈活的擴(kuò)展性、應(yīng)用方便的特點(diǎn)也越來越突出，因此在醫(yī)用呼吸機(jī)、分析儀與監(jiān)護(hù)儀、超聲診斷設(shè)備、病床呼叫系統(tǒng)等設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。
3、在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用
其實(shí)最早的單片機(jī)正是從工業(yè)領(lǐng)域開始興起的，至今其在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用仍然十分廣泛，利用單片機(jī)技術(shù)構(gòu)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(bào)警系統(tǒng)等等，均是通過單片機(jī)技術(shù)與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)。
4、在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用
上文中也談到單片機(jī)具備集成度高、體積小、較強(qiáng)的控制功能與擴(kuò)展的靈活性等特點(diǎn)，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(lǐng)域其應(yīng)用也十分廣泛。從某種程度而言，單片機(jī)帶動(dòng)了傳統(tǒng)測(cè)量、控制儀器儀表技術(shù)的一項(xiàng)革命，通過單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了儀器儀表技術(shù)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(qiáng)大，綜合性更突出。
1、單片機(jī)正常工作的三個(gè)條件
單片機(jī)工作的三個(gè)條件分別是電源、時(shí)鐘晶振、復(fù)位。當(dāng)單片機(jī)不能正常工作時(shí)，我們首先就要檢查這三個(gè)條件，用電壓表或者萬用表檢測(cè)他的電源和接地腳，檢測(cè)兩個(gè)引腳之間的電壓是不是5V左右；對(duì)于時(shí)鐘晶體振蕩有沒有正常工作，我們最好用示波器進(jìn)行檢測(cè)，看能否檢測(cè)到相應(yīng)頻率的正弦波脈沖；復(fù)位檢測(cè)比較簡(jiǎn)單，單片機(jī)的復(fù)位電平一般是高電平復(fù)位，單片機(jī)在接通電源的時(shí)候一般復(fù)位引腳上會(huì)出現(xiàn)5V左右的高電平，另外在按下復(fù)位按鍵時(shí)，復(fù)位引腳上也會(huì)出現(xiàn)高電平，用一般的電壓表或者萬用表都可以進(jìn)行檢測(cè)。
2、單片機(jī)內(nèi)部是否正常工作的檢測(cè)
單片機(jī)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(jìn)行檢測(cè)和排查。這個(gè)檢測(cè)需要有“燒入”代碼的硬件和軟件才行，檢測(cè)的原理就是通過“燒入”代碼的硬件和軟件，將一段帶有檢測(cè)功能的正常代碼“燒入”到單片機(jī)。檢查兩個(gè)方面：第一就是能不能將目標(biāo)代碼正常寫入單片機(jī)，不能正常寫入單片機(jī)時(shí)，說明單片機(jī)已經(jīng)損壞，需要更換同型號(hào)的單片機(jī)；第二就是目標(biāo)代碼可以正常寫入單片機(jī)，寫入后的效果是不是就是程序設(shè)定的功能，如果是說明單片機(jī)正常。
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