单片机学习：如何利用单片机设计一个简单产品

前期几天的一篇推文为《如何利用单片机设计产品》(详情点击这里)，文中以设计一款密码锁为例讲了单片机的开发流程，那今天就要实践一下，具体讲解设计过程，希望对初学者起到入门帮助作用，同时也希望大神能给多多指正。

因为本设计只用了12个IO口，所以我又重新选了一款STC的51单片机：STC15W404AS，该单片机总共16个引脚，其中有14个IO，所以完全够用。

0 最小系统

先看单片机的最小系统电路：

1. 单片机最小系统

1 晶振电路

该款单片机有内部晶振，所以在该设计中使用内部晶振。

2 复位电路

该款单片机虽然有复位引脚但是不需要复位电路，在其手册上有说明，可以把复位引脚当做IO口来用。

晶振情况和复位引脚情况见下图：

2. 使用内部晶振

在现在程序时勾选“使用内部IRC时钟”就可以选择内部时钟了，并且时钟频率从5.5296M-33.1776M可选；勾选“复位脚用作I/O口”可以把复位引脚当做IO口来用。

3 电源电路

电源电路选择5V供电，使用DC三脚插座，再加一个开关控制电源的通断。

3. 电源电路

4 下载电路

使用ISP下载方式，USB/TTL的电平转换芯片选择CH340G。

4. 单片机串口下载电路

由于STC单片机在下载程序时需要给单片机断电再重新上电，所以在单片机的供电引脚加了一个跳线，以实现单片机的断电功能。所以就不用买下载器了。

5 蜂鸣器电路

5. 单片机驱动蜂鸣器

采用NPN三极管驱动蜂鸣器，三极管作为开关来用时要将负载接在集电极上，即所谓的射极跟随，这样可以提高驱动能力（三极管用作开关详情点这里）。图中的10K电阻起到下拉的作用，即将基极电位拉倒低电平防止误动作（上下拉电阻详情点这里）。

6 继电器电路

6. 单片机驱动继电器

继电器也采用NPN三极管来驱动，一定要注意的是，线圈上的续流二极管一定不要忘记(三极管驱动继电器详情点这里)。

7 按键检测电路

7. 按键检测电路

按键采用四腿机械式按键，图中的电阻是上拉电阻，在无按键发生时该电阻可以将单片机的IO口上拉倒高电平，当按键按下时单片机的IO口为低电平。

8 LED电路

用了5个IO口驱动了5个LED，采用的是灌电流的方式，单片机有拉电流和灌电流之分，通常灌电流要大于拉电流(单片机的灌电流和拉电流详情点这里)。

9 数码管电路

本设计中要使用4位数码管，为了节省IO口，使用了两片74HC595，74HC595是8位的移位寄存器带锁存功能，只需要三个IO口即可。改天专门介绍一下这款芯片。

以上就是单片机密码锁的硬件设计，讲的不太清楚的地方欢迎大家关注公众号：玩转嵌入式，一起讨论。

本设计内容虽然简单，但都是基础的内容，希望能帮到刚入门的朋友，也希望大神门一起讨论交流。

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单片机系统的设计方法

现阶段，单片机系统在军事、民用、工业产品中的应用越来越广泛.其硬件实现的功能是由软件来完成，体积小巧、功能丰富、智能化程度高，而单片机最为显著的特点是进行数据采集由于各个产业的急速发展，数据采集技术也得到迅猛发展，因此单片机数据采集技术也已成为一种广泛实用的电子技术。随着数字化技术的不断发展，数据采集技术也呈现出速度更快、通道更多、数据量更大的发展趋势。数据采集是工业生产中十分重要的环节，只有对生产现场有关的信号进行检测才能判断生产过程是否正常，是否符合控制要求，才能充分发挥计算机的特点。本文对单片机系统的实际要求做了以下介绍。

系统设计

1.单片机的硬件系统是由单片机、A/D转换器和显示驱动电路等组成。一般在硬件电路设计完成时，应选择标准化、模块化的典型电路和符合单片机应用系统的常规电路在系统中.相关器件以及相关电路一定要做到性能匹配.当外接电路较多时.还应考虑驱动能力。在硬件设计中.必不可少的是可靠性和干扰性.这与自身的硬件系统有关.因此应认真对待。

2.针对于硬件的电路总体设计和各部分电路的组成.系统软件可分为数据采集、数据显示、数据传输和数据存储这4个基本功能。软件系统包括主程序、系统监控、定时/中断等子程序。

主程序为整个通用数据采集系统的主体部分.它由若干个模块组成：自检与初始化模块、MD转换程序模块、显示驱动模块、监控程序模块、按键程序模块、数据上传通讯模块、数据定时存储模块。其中有些模块还包含有子模块，使用时下一级模块被高一级模块调用，各部分既相互独立.又相互联系主程序首先是系统初始化.当运行正常后.进入数据采集软件的主程序运行.使用默认配置参数来设定系统的采集通道数，完成数据采集、数据显示、数据传输及数据定时存储等基本功能

单片机系统的性能指标和加密技术

1.抗十扰特性。 通常，在各种工业设计环境中遇至不同形式的干扰.单片机数据采集系统是软硬件的结合.因此设计者应从软硬两方面消除.结合各种抵抗干扰的方法互相补充和完善.才能确保系统可靠、安全、正确地运行。单片机系统被干扰后会集中表现在几个方面：控制状态失效、采集数据误差大、数据发生乱码以及程序的运行失控这些干扰有内、外因素的干扰.所以软硬件都应当采取有效的措施进行解决。

硬件系统的干扰就是防和抗的概念.即消除和抑制干扰源：降低系统对干扰信号的敏感性;切断干扰对系统的耦合。而相应的措施有隔离、屏蔽、接地、提高信噪比、滤波以及电压保护等软件抗于扰主要是通过软件的合理编制降低单片机系统对干扰的灵敏度。解决的技术有指令冗余技术、软件陷阱技术、“看门狗”技术、数字滤波技术等方法。

2.可靠性。 系统可靠性的关键在于系统本身对运行过程中出现的各种干扰信号及直接来自于系统外部的干扰信号能否进行有效地抑制.有缺陷的系统往往运行过程中采取的措施不足，对可能出现的潜在问题考虑欠佳.当干扰信号真正来临的时候，系统就可能陷人困境因此.可靠性的设计应从避错、容错、合理性、环境适应性等这几方面进行设计。

单片机硬件系统硬件可靠性设计的途径主要有三种：选用高可靠的元器件.这是从硬件本身设计开始着手.从硬件生产步骤上提高可靠性：提高系统设计的合理性.这则是对各类器件的速度、电平、温度性能和可靠等级进行匹配.并且选用合理的选用系统时钟和合理布局.以此提高系统合理性。针对人一环境特性采取相应的可靠性措施.这一点是从人为因素以及环境因素两方面分别采取不同措施提高系统相应的抗干扰措施软件可靠性设计则也是通过提高系统的合理性和针对人一环境特性采取可靠性措施.它的解决方法与提高系统抗干扰性有一定程度上的类似。

3.加密技术。 随着单片机应用领域的不断扩展.产品市场不断扩大.为了确保技术的保密问题.加密技术的开发变成了一项必不可少的工作加密的目的就是为了保护新产品的核心技术.基本原则是采取可行性的办法增加难度.防止原理被测试和软件被修改及仿制.以此来保护产品不被仿制或者减少被仿制的可能。

加密分硬件加密和软件加密两项硬件的加密中心思想是使硬件电路核心部分不能破译因此可以采用总线烧毁法、总线置乱法、RAM替代法、用GAL器件对EPROM中的软件进行加密.以及采用多单片机结构来解决加密的问题软件加密的思想则是通过对程序和数据进行处理.具体的有插入多条跳转指令降低程序可读性、在程序模块之间插入一些加密字节.并且采用模块化的设计方法。

综上所述，单片机系统应满足不同的实用功能.不仅对系统的应用环境要进行细致地了解。而且在系统前端信号的采集和控制输出时不能有丝毫差错只有建立一个可靠的单片机系统，才能为数据采集及处理提供好的应用环境。因此，单片机系统的安全可靠地运行是一项至关重要的工作。

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