51单片机最小系统原理图、PCB及组成原理详解「建议收藏」

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单片机:单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。

先上原理图和PCB，原理介绍在后面：

原理图：（如有错误欢迎留言，

PCB:

3D效果图：

最小系统组成：

51单片机最小系统：单片机、复位电路、晶振（时钟）电路、电源

最小系统用到的引脚

1、主电源引脚（2根） VCC：电源输入，接＋5V电源 GND：接地线

2、外接晶振引脚（2根） XTAL1：片内振荡电路的输入端 XTAL2：片内振荡电路的输出端

3、控制引脚（4根） RST/VPP：复位引脚，引脚上出现2个机器周期(如果用11.0592Mhz的晶振，一个机器周期为1us,一个机器周期等于12个时钟周期)的高电平将使单片机复位,

电源：

电脑端输出232电平，单片机是TTL电平，需要USB转换模块对其转换

复位电路：分为高电平和低电平复位。上电复位、按键复位、看门狗复位。

单片机的复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用过程中死机，按下重启按钮电脑内部的程序开始从头执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮，内部程序从头开始执行。

（包括上电复位和按键复位）

当这个电路处于稳态时，电容起到隔离直流的作用，隔离了+5V，而左侧的复位按键是弹起状态，下边部分电路就没有电压差的产生，所以按键和电容C11 以下部分的电位都是和GND 相等的，也就是 0V。我们这个单片机是高电平复位，低电平正常工作，所以正常工作的电压是 0V，没有问题。

我们再来分析从没有电到上电的瞬间，电容 C11 上方电压是 5V，下方是 0V，根据我们初中所学的知识，电容 C11 要进行充电，正离子从上往下充电，负电子从 GND 往上充电，这个时候电容对电路来说相当于一根导线，全部电压都加在了 R31 这个电阻上，那么 RST端口位置的电压就是 5V，随着电容充电越来越多，即将充满的时候，电流会越来越小，那RST 端口上的电压值等于电流乘以 R31 的阻值，也就会越来越小，一直到电容完全充满后，线路上不再有电流，这个时候RST 和 GND 的电位就相等了也就是 0V 了。

从这个过程上来看，我们加上这个电路，单片机系统上电后，RST 引脚会先保持一小段时间的高电平而后变成低电平，这个过程就是上电复位的过程。那这个“一小段时间”到底是多少才合适呢？每种单片机不完全一样，51 单片机手册里写的是持续时间不少于 2 个机器周期的时间。复位电压值，每种单片机不完全一样，我们按照通常值 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 0.000564 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。

按键复位（即手动复位）有 2 个过程，按下按键之前，RST 的电压是 0V，当按下按键后电路导通，同时电容也会在瞬间进行放电，RST 电压值变化为 4700VCC/(4700+18)，会处于高电平复位状态。当松开按键后就和上电复位类似了，先是电容充电，后电流逐渐减小直到 RST 电压变 0V 的过程。我们按下按键的时间通常都会有几百毫秒，这个时间足够复位了。

按下按键的瞬间，电容两端的 5V 电压（注意不是电源的 5V 和 GND 之间）会被直接接通，此刻会有一个瞬间的大电流冲击，会在局部范围内产生电磁干扰，为了抑制这个大电流所引起的干扰，我们这里在电容放电回路中串入一个 18 欧的电阻来限流。

晶振（时钟电路）：

晶振通常分为无源晶振和有源晶振两种类型，无源晶振一般称之为 crystal（晶体），而有源晶振则叫做 oscillator（振荡器）。

有源晶振是一个完整的谐振振荡器，它是利用石英晶体的压电效应来起振，所以有源晶振需要供电，当我们把有源晶振电路做好后，不需要外接其它器件，只要给它供电，它就可以主动产生振荡频率，并且可以提供高精度的频率基准，信号质量也比无源信号要好。

无源晶振自身无法振荡起来，它需要芯片内部的振荡电路一起工作才能振荡，它允许不同的电压，但是信号质量和精度较有源晶振差一些。相对价格来说，无源晶振要比有源晶振价格便宜很多。无源晶振两侧通常都会有个电容，一般其容值都选在10pF~40pF 之间，我们用 20pF 就是比较好的选择，这是一个长久以来的经验值，具有极其普遍的适用性。

有源晶振通常有 4 个引脚，VCC，GND，晶振输出引脚和一个没有用到的悬空引脚（有些晶振也把该引脚作为使能引脚）。无源晶振有 2 个或 3 个引脚，如果是 3 个引脚的话，中间引脚接是晶振的外壳，使用时要接到 GND，两侧的引脚就是晶体的 2 个引出脚了，这两个引脚作用是等同的，就像是电阻的 2 个引脚一样，没有正负之分。对于无源晶振，用我们的单片机上的两个晶振引脚接上去即可，而有源晶振，只接到单片机的晶振的输入引脚上，输出引脚上不需要接，如图所示。

总结：

1. 51单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10~30uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。

2. 51单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。

3. 51单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用10~40pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好

4. P0口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。

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