單片機的應用與分類(lèi)-單片機5V轉3.3V電平的方法技巧大全-KIA MOS管
信息來(lái)源:本站 日期:2019-01-17
單片機(Microcontrollers)是一種集成電路芯片,是采用超大規模集成電路技術(shù)把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時(shí)器/計數器等功能(可能還包括顯示驅動(dòng)電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路)集成到一塊硅片上構成的一個(gè)小而完善的微型計算機系統,在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應用。從上世紀80年代,由當時(shí)的4位、8位單片機,發(fā)展到現在的300M的高速單片機。
單片機(Microcontrollers)作為計算機發(fā)展的一個(gè)重要分支領(lǐng)域,根據發(fā)展情況,從不同角度,單片機大致可以分為通用型/專(zhuān)用型、總線(xiàn)型/非總線(xiàn)型及工控型/家電型。
通用型
這是按單片機(Microcontrollers)適用范圍來(lái)區分的。例如,80C51式通用型單片機,它不是為某種專(zhuān)門(mén)用途設計的;專(zhuān)用型單片機是針對一類(lèi)產(chǎn)品甚至某一個(gè)產(chǎn)品設計生產(chǎn)的,例如為了滿(mǎn)足電子體溫計的要求,在片內集成ADC接口等功能的溫度測量控制電路。
總線(xiàn)型
這是按單片機(Microcontrollers)是否提供并行總線(xiàn)來(lái)區分的??偩€(xiàn)型單片機普遍設置有并行地址總線(xiàn)、 數據總線(xiàn)、控制總線(xiàn),這些引腳用以擴展并行外圍器件都可通過(guò)串行口與單片機連接,另外,許多單片機已把所需要的外圍器件及外設接口集成一片內,因此在許多情況下可以不要并行擴展總線(xiàn),大大減省封裝成本和芯片體積,這類(lèi)單片機稱(chēng)為非總線(xiàn)型單片機。
控制型
這是按照單片機(Microcontrollers)大致應用的領(lǐng)域進(jìn)行區分的。一般而言,工控型尋址范圍大,運算能力強;用于家電的單片機多為專(zhuān)用型,通常是小封裝、低價(jià)格,外圍器件和外設接口集成度高。 顯然,上述分類(lèi)并不是惟一的和嚴格的。例如,80C51類(lèi)單片機既是通用型又是總線(xiàn)型,還可以作工控用。
標準三端線(xiàn)性穩壓器的壓差通常是 2.0-3.0V。要把 5V 可靠地轉換為 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)穩壓器,是此類(lèi)應用的理想選擇。圖 1-1 是基本LDO 系統的框圖,標注了相應的電流。從圖中可以看出, LDO 由四個(gè)主要部分組成:
1. 導通晶體管
2. 帶隙參考源
3. 運算放大器
4. 反饋電阻分壓器
在選擇 LDO 時(shí),重要的是要知道如何區分各種LDO。器件的靜態(tài)電流、封裝大小和型號是重要的器件參數。根據具體應用來(lái)確定各種參數,將會(huì )得到最優(yōu)的設計。
LDO電壓穩壓器
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(lái)進(jìn)行穩壓的電流。當IOUT>>IQ 時(shí), LDO 的效率可用輸出電壓除以輸入電壓來(lái)近似地得到。然而,輕載時(shí),必須將 IQ 計入效率計算中。具有較低 IQ 的 LDO 其輕載效率較高。輕載效率的提高對于 LDO 性能有負面影響。靜態(tài)電流較高的 LDO 對于線(xiàn)路和負載的突然變化有更快的響應。
詳細說(shuō)明了一個(gè)采用齊納二極管的低成本穩壓器方案。
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穩壓器,如圖 2-1 所示。在很多應用中,該電路可以替代 LDO 穩壓器并具成本效益。但是,這種穩壓器對負載敏感的程度要高于 LDO 穩壓器。另外,它的能效較低,因為 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。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,所以需要仔細考慮 R1 的值。
R1 的選擇依據是:在最大負載時(shí)——通常是在PICmicro MCU 運行且驅動(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),在最小負載時(shí)——通常是 PICmicro MCU 復位時(shí)——VDD 不超過(guò)齊納二極管的額定功率,也不超過(guò) PICmicro MCU的最大 VDD。
如下圖詳細說(shuō)明了一個(gè)采用 3 個(gè)整流二極管的更低成本穩壓器方案。
二極管電源
我們也可以把幾個(gè)常規開(kāi)關(guān)二極管串聯(lián)起來(lái),用其正向壓降來(lái)降低進(jìn)入的 PICmicro MCU 的電壓。這甚至比齊納二極管穩壓器的成本還要低。這種設計的電流消耗通常要比使用齊納二極管的電路低。
所需二極管的數量根據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。連接 R1 是為了避免在負載最小時(shí)——通常是 PICmicro MCU 處于復位或休眠狀態(tài)時(shí)——PICmicro MCU VDD 引腳上的電壓超過(guò)PICmicro MCU 的最大 VDD 值。根據其他連接至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 的選擇依據是:在最大負載時(shí)——通常是 PICmicro MCU 運行且驅動(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(mǎn)足 PICmicro MCU 的最低 VDD 要求。
如圖下所示,降壓開(kāi)關(guān)穩壓器是一種基于電感的轉換器,用來(lái)把輸入電壓源降低至幅值較低的輸出電壓。輸出穩壓是通過(guò)控制 MOSFET Q1 的導通(ON)時(shí)間來(lái)實(shí)現的。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換成較低的輸出電壓。
當 Q1 在這兩種狀態(tài)期間時(shí),通過(guò)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載電阻。這樣在滿(mǎn)載工作期間如果突然卸掉負載,電壓過(guò)沖能處于可接受范圍之內。
在選擇二極管 D1 時(shí),應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)穩壓器
數字連接
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,可根據應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。在設計連接時(shí),請務(wù)必參考制造商的數據手冊以獲得實(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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)足,連接兩個(gè)部分時(shí)就需要額外的電路??赡艿慕鉀Q方案請參閱技巧 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,即:輸入的開(kāi)關(guān)速度和 R1 上的電流消耗。當把輸入從 0切換到 1 時(shí),需要計入因 R1 形成的 RC 時(shí)間常數而導致的輸入上升時(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(kāi)關(guān)速度可通過(guò)下式計算:
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(kāi)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(kāi)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,因為 N 溝道 MOSFET 的導通電阻要遠小于 R1。另外,在選擇 N 溝道 FET 時(shí),所選 FET 的 VGS 應低于3.3V 輸出的 VOH。
MOSFET轉換器
電子技術(shù)中單片機的應用
1、在家用電器領(lǐng)域的應用
現在在家用電器的更新、市場(chǎng)開(kāi)拓等方面,單片機的應用越來(lái)越廣泛,比如電子玩具或者高級的電視游戲機中,會(huì )應用單片機實(shí)現其控制功能;而洗衣機可以利用單片機識別衣服的種類(lèi)與臟污程度,從而自動(dòng)選擇洗滌強度與洗滌時(shí)間;在冰箱冷柜中采用單片機控制可以識別食物的種類(lèi)與保鮮程度,實(shí)現冷藏溫度與冷藏時(shí)間的自動(dòng)選擇;微波爐也可以通過(guò)單片機識別食物種類(lèi)從而自動(dòng)確定加熱溫度與加熱時(shí)間等等,這些家用電器在應用單片機技術(shù)后,無(wú)論是性能還是功能,與傳統技術(shù)相比均有長(cháng)足的進(jìn)步。
2、在醫用設備領(lǐng)域的應用
現代醫療條件越來(lái)越發(fā)達,人們對醫療滅菌消毒技術(shù)也越來(lái)越重視,但是一些偏遠地區的小醫院、小診所其消毒滅菌設備還十分簡(jiǎn)陋,無(wú)法有效的控制消毒質(zhì)量。隨著(zhù)單片機技術(shù)的發(fā)展,其體積較小、功能強大、具有靈活的擴展性、應用方便的特點(diǎn)也越來(lái)越突出,因此在醫用呼吸機、分析儀與監護儀、超聲診斷設備、病床呼叫系統等設備中得到了廣泛的應用。
3、在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用
其實(shí)最早的單片機正是從工業(yè)領(lǐng)域開(kāi)始興起的,至今其在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用仍然十分廣泛,利用單片機技術(shù)構成多種多樣的數據采集系統與智能控制系統,比如工廠(chǎng)流水線(xiàn)的智能化管理、智能化電梯、報警系統等等,均是通過(guò)單片機技術(shù)與計算機聯(lián)網(wǎng)構成二級控制系統。
4、在儀器儀表領(lǐng)域的應用
上文中也談到單片機具備集成度高、體積小、較強的控制功能與擴展的靈活性等特點(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)域其應用也十分廣泛。從某種程度而言,單片機帶動(dòng)了傳統測量、控制儀器儀表技術(shù)的一項革命,通過(guò)單片機技術(shù)實(shí)現了儀器儀表技術(shù)的數字化、智能化、綜合化以及多功能化,與傳統的電子電路或者數字電路相比,其功能更強大,綜合性更突出。
1、單片機正常工作的三個(gè)條件
單片機工作的三個(gè)條件分別是電源、時(shí)鐘晶振、復位。當單片機不能正常工作時(shí),我們首先就要檢查這三個(gè)條件,用電壓表或者萬(wàn)用表檢測他的電源和接地腳,檢測兩個(gè)引腳之間的電壓是不是5V左右;對于時(shí)鐘晶體振蕩有沒(méi)有正常工作,我們最好用示波器進(jìn)行檢測,看能否檢測到相應頻率的正弦波脈沖;復位檢測比較簡(jiǎn)單,單片機的復位電平一般是高電平復位,單片機在接通電源的時(shí)候一般復位引腳上會(huì )出現5V左右的高電平,另外在按下復位按鍵時(shí),復位引腳上也會(huì )出現高電平,用一般的電壓表或者萬(wàn)用表都可以進(jìn)行檢測。
2、單片機內部是否正常工作的檢測
單片機內部有沒(méi)有正常工作,我們主要是通過(guò)寫(xiě)入程序的方式來(lái)進(jìn)行檢測和排查。這個(gè)檢測需要有“燒入”代碼的硬件和軟件才行,檢測的原理就是通過(guò)“燒入”代碼的硬件和軟件,將一段帶有檢測功能的正常代碼“燒入”到單片機。檢查兩個(gè)方面:第一就是能不能將目標代碼正常寫(xiě)入單片機,不能正常寫(xiě)入單片機時(shí),說(shuō)明單片機已經(jīng)損壞,需要更換同型號的單片機;第二就是目標代碼可以正常寫(xiě)入單片機,寫(xiě)入后的效果是不是就是程序設定的功能,如果是說(shuō)明單片機正常。
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