单片机的外围电路有哪些，有什么功能？

单片机系统因干扰复位或掉电后复位均属非正常复位，应进行故障诊断并能自动恢复非正常复位前的状态。

单片机的外围电路是为了让单片机正常工作、与外界交互、实现特定功能而设计的辅助电路。根据功能不同，可以分为以下几大类：

一、核心基础电路 (保证单片机自身工作)

电源电路：
- 功能： 为单片机及整个系统提供稳定、干净的直流工作电压（如 3.3V, 5V 等）。
- 组成： 通常包括电源输入接口（如USB插座、DC插座、电池）、电压转换器件（如线性稳压器 LDO、开关稳压器 DCDC）、滤波电容（去耦电容/旁路电容）、保护器件（如反接保护二极管、保险丝）等。
- 关键作用： 消除电源噪声，防止电压波动导致单片机工作异常或损坏。靠近单片机供电引脚放置的去耦电容（0.1uF）至关重要。
时钟电路：
- 功能： 为单片机提供系统工作所需的时钟信号（心跳），决定指令执行速度、定时器/串口等外设的工作时序。
- 组成：
  - 外部晶体振荡器： 最常用、最精准的方式。由晶体谐振器（晶振）和两个匹配电容组成，连接到单片机的 OSC_IN/OSC_OUT 引脚。
  - 外部陶瓷谐振器： 精度和稳定性略低于晶体振荡器，成本也低一些，用法类似。
  - 内部RC振荡器： 大部分单片机内部集成有 RC 振荡器，无需外部元件即可工作。优点是成本低、占用空间少，缺点是精度和温漂相对较差，适用于对时序要求不高的场合。
- 关键作用： 提供系统运行的节拍基准。选择何种时钟源取决于应用对成本和精度的要求。
复位电路：
- 功能： 在系统上电、电压不稳或需要强制重新启动时，将单片机置于一个确定的初始状态，确保程序从头开始正确执行。
- 组成：
  - 简单RC复位： 由电阻、电容和二极管（可选，用于快速放电）组成。依靠电容的充放电在 RESET 引脚上产生一个延时脉冲。
  - 专用复位芯片： 提供更精确可靠的复位阈值（在电压跌落到一定值时才复位）和复位延时，具备看门狗功能。适用于对稳定性要求高的场合。
  - 手动复位按钮： 连接一个按钮开关，按下时将 RESET 引脚短暂拉低实现手动复位。
- 关键作用： 保证系统可靠的初始化启动，防止程序跑飞后无法恢复。

二、开发调试与通信接口电路

编程/调试接口：
- 功能： 用于将用户编写的程序代码下载到单片机的Flash程序存储器中，或在程序运行时进行在线调试（单步执行、设置断点、查看变量/寄存器）。
- 常见接口：
  - JTAG： 历史悠久，功能强大（支持调试和边界扫描），但占用引脚多（4-5根线）。
  - SWD： ARM Cortex-M 单片机主流接口，仅需2根线（SWDIO， SWCLK），功能强大。
  - UART Bootloader： 利用单片机的串口通过特定协议更新程序，需要预先烧录引导程序（Bootloader）。方便现场升级，速度较慢。
- 关键作用： 开发阶段不可或缺，部分接口也可用于生产编程或维护升级。
通信接口电路：
- 功能： 使单片机与其他设备（如传感器、执行器、另一个单片机、PC、模块等）进行数据交换。
- 常见接口及其信号电平转换/驱动：
  - UART/USART： 异步串口，常用接口。常搭配 RS-232（使用 MAX232 等芯片转换电平）、RS-485（使用 MAX485/MAX3485 等芯片，差分传输，抗干扰强，支持多节点）、TTL 转 USB 芯片（如 CH340G， CP2102）等。
  - I2C： 双线（SDA, SCL）同步串行总线，支持多主多从。通常需要上拉电阻（4.7kΩ - 10kΩ）。
  - SPI： 三线或四线（MOSI, MISO, SCK, CS）同步串行总线，高速，点对点或一主多从。速度快时考虑信号完整性和驱动能力。
  - CAN： 主要用于汽车和工业控制领域的高可靠性差分总线，需要专用收发器芯片（如 TJA1050, SN65HVD230）。
  - USB： 复杂的通信协议，通常需要单片集成USB控制器或外扩USB接口芯片（如串口转USB的 CH340, FT232； OTG 芯片如 ISP1801）。

三、输入/输出接口与扩展电路

通用IO扩展与驱动：
- 功能： 当单片机的IO引脚数量不够或驱动能力（电流/电压）不足时，用于扩展输入通道或增强输出驱动能力。
- 组成：
  - 数字IO扩展： 使用扩展芯片（如 74HC595-移位寄存器输出扩展, 74HC165-移位寄存器输入扩展； I2C 扩展芯片 PCF8574, MCP23017； SPI 扩展芯片 MCP23S17）。
  - 输入缓冲/保护： 使用电阻、光耦（隔离输入）、TVS管（防静电/浪涌）等保护输入脚。
  - 输出驱动： 使用三极管（NPN/PNP）驱动小型继电器或LED；使用达林顿管阵列（如 ULN2003）驱动继电器组或步进电机绕组；使用 MOSFET（如 IRF540N）驱动大功率负载；专门的电机驱动芯片（如 L298N）。
- 关键作用： 适应不同负载的需求，保护单片机IO口。
模数转换接口：
- 功能： 将外部连续变化的模拟信号（如温度、压力、光强、声音的电压表示）转换为单片机可以处理的数字信号。
- 组成：
  - 外部ADC芯片： 当单片机内部ADC精度不够、通道数不足或速度不够时使用（如 ADS1115 - I2C 接口）。
  - 信号调理： 对于微弱或不适合直接输入ADC的信号：包括运放构成的放大器（放大）、衰减器（分压）、滤波器（低通滤波抗混叠，高通滤波去直流）、电平移位电路等。
  - 电压基准： 为ADC提供高精度、稳定的参考电压（Vref），直接影响转换精度。可以使用单片机的内部Vref（精度通常一般）或外部基准源芯片（如 TL431, REF5025）。
  - 模拟开关： 多路复用器（如 CD4051， 74HC4051），用于切换多路模拟信号到单路ADC输入。
- 关键作用： 连接现实世界中的连续量传感器。
数模转换接口：
- 功能： 将单片机内部的数字信号转换成连续的模拟电压或电流输出。
- 组成：
  - 外部DAC芯片： 单片机内部通常没有或只有很简单的DAC（如 PWM 经滤波）。当需要高精度输出时使用（如 MCP4725 - I2C 接口）。
  - 滤波/放大/驱动： DAC输出后通常需要运放构成的低通滤波器（平滑波形）和/或电压跟随器（增强驱动能力）。根据负载需求可能需要功率运放。
  - 电流输出型DAC： 有些DAC设计用于直接输出4-20mA电流信号（常用于工业控制）。
- 关键作用： 控制需要模拟量输入的设备（如比例阀、VCO、音频输出）。
存储器接口：
- 功能： 用于扩展存储空间，存储程序代码（大程序）、用户数据、配置参数等。
- 常见接口：
  - I2C EEPROM： 小容量非易失性存储（如 AT24C02 - 256 Bytes），用于存参数。连接简单（SDA, SCL）。
  - SPI FLASH： 大容量串行FLASH（如 W25Q64 - 8MB）。用于存数据记录、图像、音视频片段、程序代码等。
  - 并行总线存储器： 高速、占用引脚多（地址线、数据线、控制线），如 NOR Flash（存储代码）、 SRAM（高速缓存）、 SDRAM（大容量RAM）。单片机一般通过FSMC/FMC（内存控制器）接口驱动。
- 关键作用： 突破片上存储的限制。

四、辅助与功能电路

人机交互：
- 输入： 按键、矩阵键盘、旋转编码器、触摸按键等及其接口电路（消抖电阻/电容，上拉/下拉电阻）。
- 输出： LED指示灯及其限流电阻；数码管（需要驱动电路/驱动芯片，如 MAX7219）；液晶显示屏 LCD（字符型/点阵型，需要并口或串口驱动模块，可能含控制器如 ST7920, SSD1306/SSD1309 OLED）；蜂鸣器（有源直接驱动，无源需要三极管+PWM）。
电机控制：
- 有刷直流电机： H桥驱动电路（如 L298N 或 MOSFET 搭的H桥）+ PWM信号。
- 步进电机： 驱动芯片（如 ULN2003-驱动五线四相， A4988/DRV8825-驱动两相）。
- 无刷直流电机： 专门的 3 相 MOSFET 驱动器（如 IR2104 加 MOSFET）或集成驱动芯片。
传感器接口： 根据传感器类型设计：如热电偶冷端补偿放大器、称重传感器惠斯通电桥+仪表放大器、光电编码器接口（正交解码/计数器）等。

五、保护与可靠性电路

过流保护： 保险丝、自恢复保险丝、电子保险丝（eFuse IC）。
过压/防反接保护： TVS管、稳压二极管（用于钳位）、肖特基二极管（用于防反接接在电源入口）。
EMC/EMI 抑制： 磁珠（抑制高频噪声）、共模电感、X/Y电容（电源滤波）。

总结：

单片机的外围电路构成了一个完整的嵌入式控制系统。选择哪些外围电路取决于具体的应用需求：基本应用可能只需要电源、时钟、复位、少量IO即可；复杂的应用则可能包含多种通信接口、ADC/DAC、驱动电路、扩展存储和人机交互等。理解每种外围电路的功能和设计要点，是成功构建稳定可靠的单片机系统的关键。在设计时，既要考虑功能实现，也要注重电源完整性、信号完整性和系统的鲁棒性（抗干扰、防误操作、保护）。