深度剖析单片机 3 种主控芯片外围电路设计

在单片机系统中，主控芯片的外围电路起着至关重要的作用，它们就像是芯片的 “助手”，帮助芯片与外界进行有效的交互和控制。下面将详细介绍三种常见的单片机主控芯片外围电路。

第一种：键控指令输入电路

单片机作为电子产品的主控芯片，为了执行用户指令，键控指令输入电路是必不可少的。该电路除了按键之外，还需要供电及保护元件。

• 按键（SW1）：它是用户与单片机交互的直接接口，用户通过按下按键来发送指令。

• 上拉电阻（R1）：上接电源 +3.3V（不同电路电压不同），其作用是将键控电路钳位在高电平。在芯片不触发状态下，维持高电平状态；在触发后，帮助电路回到原状态。

• 无极性滤波电容（C1）：它可以除去高频干扰信号，同时还能防止按键抖动。按键抖动可能会导致单片机误判输入信号，而 C1 的存在可以有效避免这种情况。

• 防静电二极管（ESD，D）：其主要作用是释放静电，防止静电损坏 CPU 内的 I/O 接口电路。在实际应用中，静电可能会通过人体或其他物体传导到电路中，对芯片造成损害，ESD 二极管可以及时将静电释放掉。

• 限流电阻（R2）：它可以防止过大的电流损坏 CPU 内 I/O 接口电路。当电路中出现异常大的电流时，R2 可以限制电流的大小，保护芯片的安全。

第二种：外部信号输入电路

很多设备的主控芯片除了处理按键指令信号外，还需要根据用户需要处理其他输入信号，因此外部信号输入电路就显得尤为重要。这里以 USB 信号输入电路为例，USB 应用广泛，在电脑、电视、游戏机、影音设备等都有应用。

• 供电引脚（①脚）：+5V 输出给 USB 供电，为 USB 设备提供必要的电能。

• 接地引脚（④⑤⑥脚）：将 USB 内电路地与设备地相通，确保电路的电位参考一致，减少干扰。

• 数据传输引脚（②③脚）：为数据传输 D+、D - 输出端，输出的是差分信号给 CPU 处理。差分信号具有抗干扰能力强的特点，可以保证数据传输的准确性。

• 防静电保护二极管（ESD，D5、D6）：作用是释放静电荷，防止静电损坏 CPU 内的 Ⅰ/O 接口电路。与键控指令输入电路中的 ESD 二极管类似，它们可以保护芯片免受静电的影响。

• 旁路电容（C45、C75）：滤除高频干扰信号，保证输入信号的纯净度。高频干扰可能会导致数据传输错误或芯片误操作，旁路电容可以有效地将这些干扰信号滤除。

第三种：输出控制电路

单片机得到用户指令后，需要输出相应的工作状态，因此就有了输出控制电路。这里以设备主控芯片输出继电器驱动电路为例。

• 光耦（U1）：作用是高低压分离，防止高压干扰，实现电气分离，同时输送 CPU 驱动信号给下一级电路。在一些应用中，电路中可能存在高压和低压部分，光耦可以将它们隔离开来，避免高压对低压电路造成干扰。

• 继电器驱动管（Q1）：工作原理如下：主控芯片（CPU）得到人工输入指令后，输出低电平信号，光耦内发光二极管导通发光，光敏三极管导通，+12V 电压沿光耦光敏三极管 Ce 结下行，通过 R5 限流分压给 Q1 基极供电，Q1 导通继电器线圈电流形成通路，K4 闭合，220 交流电沿 k4 送到设备，设备动作。

• 续流保护二极管（D5）：继电器线圈为感性元件，当 CPU 输出高电平时光耦截止，Q1 关闭，线圈电流由于不能突变，会产生反向电动势。通过续流管 D5 回流到 +12V 电源，如果没有 D5，该反相电动势会加在控制管 Q1 上，损坏 Q1 及后级元器件。续流保护二极管可以保护电路中的元件免受反向电动势的损害。