按键原理

单片机最小系统解析

电源

我们要使用 STC89C52RC 单片机的时候，找到它的数据手册第11页，看第二项--工作电压：5.5V ~ 3.4V（5V单片机），这个地方就说明这个单片机正常的工作电压是个范围值，只要电源VCC在5.5V ~ 3.4V 之间都可以正常工作，电压超过5.5V是绝对不允许的，会烧坏单片机，电压如果低于3.4V，单片机不会损坏，但是也不能正常工作。而在这个范围内，最典型、最常用的电压值就是5V，这就是后面括号里“5V单片机”这个名称的由来。

我们获取器件工作参数的一个最重要、也是最权威的途径，就是查阅该器件的数据手册

晶振

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，不需要外接其他器件，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。无源晶振两侧通常会要求个电容，一般其容值都选在10pF~40pF之间，如果手册中有具体电容大小的要求则根据要求来选电容，如果手册没有要求，我们用20pF就是比较好的选择，这是一个长久以来的经验值，具有及其普遍的适用性

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，中间引脚就是晶振的外壳，使用时要接到GND，两侧的引脚就是晶体的2个引出引脚了，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

复位电路

当这个电路处于稳压状态时，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，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。我们的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

从没有电到上电的瞬间，电容C11上方电压是5V，下方是0V，电容C11需要充电，正离子从上往下充电，负离子从GND往上充电，这个时候电容对电路来说相当于一根导线，全部电压去哪不加在了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端口的电压值等于电流值乘以R31的阻值，也就会越来越小了，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

从上电过程来看，加上此电路之后，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”到底是多少才合适嘞？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t=1.2RC，我们用的R是4700欧姆，C是0.0000001法，那么计算出的 t 就是0.000564秒，即 564微妙，远远大雨2个机器周期（2us）在电路设计的时候一般留够余量

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，当按下按键后电路道通，，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类似了，先是电容充电，后电流逐渐减小直到RST电压变成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）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一个电磁干扰，为了抑制这个大电流所引起的干扰，在电容放电回路中串入了一个18欧姆的电阻来限流

按键

独立按键

常用的按键电路有两种形式，独立式按键和矩阵式按键，独立式按键比较简单，它们各自与独立的输入线相连接

4条输入线接到单片机的 IO 口上，当按键 K1 按下时，+5V通过电阻 R1 然后再通过按键 K1 最终进入 GND 形成一条通路，那么这条线路的全部电压都加到了 R1 这个电阻上，KeyIn1 这个引脚就是个低电平。当松开按键后，线路断开，就不会有电流通过，那么 KeyIn1 和 +5V 就是一个等电位，是一个高电平。因此可以通过 KeyIn1 这个 IO 口的高低电平来判断是否有按键按下

我所使用的单片机 IO 口内部，也有一个上拉电阻的存在。按键是接到了 P2 口上，P2 口上电默认是准双向IO口

我们现在绝大多数单片机的 IO 口都是使用 MOS 管而非三极管，但是在这里的 MOS 管其原理和三极管是一样的，因此用三极管的原理来代替 MOS 管来理解

上图方框内的电路都是指单片机内部部分，方框外的就是我们外接的上拉电阻和按键，当我们要读取外部按键信号的时候，单片机必须先给该引脚写“1”，也就是高电平，这样子才能正确读取到外部按键信号，分析如下：

当内部输出是高电平，经过一个反向器变成低电平，NPN三极管不会道通，那么单片机 IO 口从内部来看，由于上拉电阻 R 的存在，所以是一个高电平。当外部没有按键按下将电平拉低的话，VCC也是+5V，它们之间虽然有2个电阻，但是没有压差，就不会有电流，线上所有的位置都是高电平，这个时候就可以正常读取到按键的状态了

当内部输出是一个低电平，经过一个反向器变成高电平，NPN三极管导通，那么单片机内部的 IO 口就是个低电平，这个时候，外部虽然也有一个上拉电阻的存在，但是两个电阻是并联关系，不管按键是否按下，单片机的 IO 口上输入到单片机内部的状态都是低电平，就无法正常读取到按键的状态了

内部和外部，只要有一边是低电位，那么电流就会顺流而下，由于只有上拉电阻，下边没有电阻分压，直接接到GND上，所以不管另一边是高还是低，那电平肯定是低电平了

具有上拉的准双向 IO 口，如果要正常读取外部信号的状态，必须首先保证自己内部输出是1，如果内部输出0，则无论外部信号是1还是0，这个引脚读进来的都是0

矩阵按键

在某一系统设计中，如果需要使用很多的按键时，做成独立按键会大量占用 IO 口，因此引入了矩阵按键的设计

上图一共有4组按键，先看其中的一组，如下图

如果 KeyOut1 输出一个低电平，KeyOut1 就相当于是 GND ，此时就相当于是4个独立按键了（前提是此时其他的 KeyOut 必须是高电平，只有这样子才能保证与它们相连的按键不会对这一个电路产生干扰）