MCS-51單片機反插保護電路系統(tǒng)的設(shè)計與研究

摘 要 隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，單片機被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的智能控制中。在使用過程中，單片機芯片反插現(xiàn)象時有發(fā)生，以致?lián)p壞相關(guān)電路，造成不可估量的經(jīng)濟損失。本文講述一種MCS-51單片機反插保護電路的設(shè)計與研究。設(shè)置監(jiān)控電路監(jiān)控MCS-51系列單片機U1是否被反插入插座SK1中。監(jiān)控電路的場效應(yīng)晶體管Q1則被串接于單片機的供電源Vcc輸入端。MCS-51單片機U1（以下簡稱 “主芯片”）的腳RST、2751446.png和ALE分別接至監(jiān)控電路單片機U2（以下簡稱 “監(jiān)控芯片”）的腳P1.3、P1.2和P1.4 ;監(jiān)控電路根據(jù)此三條引線腳的高低電平來判斷主芯片U1是否被反插，一旦發(fā)現(xiàn)反插，立即關(guān)斷Vcc電源，保護主芯片和外圍電路。

關(guān)鍵詞 MCS-51單片機;監(jiān)控電路;反插保護電路;場效應(yīng)晶體管

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人工智能技術(shù)正逐步應(yīng)用于社會的各行各業(yè)中。其中MCS-51系列單片機廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)療設(shè)備、航空航天和各種專用設(shè)備的智能化管理以及過程控制等領(lǐng)域。但是一些初學(xué)者在使用MCS-51單片機時，往往不清楚該單片機芯片的引腳排列順序，很容易把單片機芯片顛倒方向插入（以下簡稱為“反插”）其雙列直插型插座內(nèi)，造成該單片機及其芯片電路短接，致使單片機芯片及周邊電路受損，甚至損毀。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

在現(xiàn)有的技術(shù)手段中，電源的反接保護電路有很多種，但是芯片的反插保護卻寥寥無幾。本系統(tǒng)是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提出一種通過檢測MCS-51單片機在接通電源的復(fù)位過程中，正常狀況接通電源Vcc和芯片被反插時，主芯片的2751457.png、ALE引腳的輸出電壓值的變化，來判斷所述單片機芯片是否被反插。一旦檢測到主芯片被反插，立即由檢測監(jiān)控電路輸出“關(guān)斷電源”信號，場效應(yīng)晶體管瞬即轉(zhuǎn)換為“截止”狀態(tài)，關(guān)斷主芯片的Vcc電源，同時做聲、光告警，以微秒級速度對主芯片實施有效保護[1]。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計

為解決單片機在電路中的反插問題，設(shè)計如下系統(tǒng)電路檢查單片機的插入情況，電路原理邏輯框圖如圖1所示。

如圖1所示，MCS-51單片機反插保護電路系統(tǒng)包括電源控制電路、主芯片單片機電路、監(jiān)控芯片單片機電路和實時聲光告警電路等。

2.1 電源控制電路

在電源控制電路中，Power為外部供電源，Vcc是受電力場效應(yīng)晶體管Q1導(dǎo)通/截止控制的電壓源，Vcc電連接晶體管Q1的源極S，用于為被保護芯片U1供電;在主芯片單片機U1被發(fā)現(xiàn)反插時，能快速關(guān)斷為之供電的Vcc電壓源。

2.2 主芯片單片機電路

主芯片單片機電路是常用的MCS-51系列單片機最小控制系統(tǒng)，其芯片各引線腳可以控制多種外圍設(shè)備，單片機電路原理最小系統(tǒng)如圖2所示。

2.3 監(jiān)控芯片單片機電路

監(jiān)控芯片單片機電路由STC15W系列單片機組成，該單片機可設(shè)置內(nèi)部晶振、運行速度快、寬電壓設(shè)計，簡單實用。監(jiān)控芯片單片機電路包含電平檢測電路、存儲器電路、邏輯運算電路等三個邏輯職能。其中，電平檢測電路由U2的P1.2、P1.3、P1.4組成，這三個引線腳分別檢測U1芯片的2751486.png、RST、ALE三個引線腳的高、低電平;存儲器電路用于存儲控制軟件程序，該程序用于判斷U1單片機芯片有無反插;邏輯運算電路用于控制電源控制電路，如果發(fā)現(xiàn)單片機芯片反插，及時關(guān)斷供電源Vcc。

2.4 實時聲光告警電路

實時聲光告警電路由U2監(jiān)控芯片的P5.4和P1.6組成，分別控制發(fā)光二極管和揚聲器，當監(jiān)控芯片U2檢測到主芯片U1反插時，在關(guān)斷供電源的同時實現(xiàn)聲光告警[2]。

3 監(jiān)控電路原理設(shè)計

為了能夠使主芯片U1單片機安全運行，故設(shè)置檢測監(jiān)控電路，監(jiān)控電路原理如圖3所示。

如上圖，檢測監(jiān)控電路的監(jiān)控芯片U2是STC15W401單片機，該系列單片機運行速度快、功耗低、不需要外部晶振和復(fù)位電路。為了能夠?qū)崟r檢測主芯片U1的狀態(tài)，將主芯片U1的引線腳RST、2751501.png和ALE分別連接至監(jiān)控芯片U2的引線腳P1.3/ADC3、P1.2/ADC2和P1.4/ADC4 ，在主芯片U1通電運行時，檢測監(jiān)控芯片U2的引線腳P1.3/ADC3的電平。如果主芯片U1的引線腳RST呈現(xiàn)高電平，則主芯片U1為“復(fù)位”狀態(tài)，如果主芯片U1單片機的引線腳2751509.png和ALE應(yīng)該都是高電平，則判定主芯片U1工作正常;如果主芯片U1的引線腳RST呈現(xiàn)低電平，主芯片引線腳2751516.png和ALE均呈現(xiàn)低電平，則判定主芯片U1是被反插入該單片機的SK1插座中了[3];

若檢測到主芯片U1被反插了，監(jiān)控芯片U2立即將此邏輯判斷轉(zhuǎn)換為硬件執(zhí)行命令，傳送至串接在供電源線路中的場效應(yīng)管Q1的控制端G，使該場效應(yīng)管Q1瞬間轉(zhuǎn)換為截止狀態(tài)，關(guān)斷電源引入端子Power的電壓供給;在關(guān)斷電源的同時，通過U2單片機P5.4引線腳控制光告警電路，使發(fā)光二極管LED-Y閃爍告警，通過U2單片機P1.6引線腳控制蜂鳴器和揚聲器同時發(fā)生，實現(xiàn)聲音告警。

快速關(guān)斷供電電源的命令由監(jiān)控芯片U2的引線腳P1.5/ADC5發(fā)出，傳送至場效應(yīng)晶體管Q1的柵極G。快速關(guān)斷供電源Power的電路由電力場效應(yīng)晶體管MOSFET完成，電路符號 Q1，電力場效應(yīng)晶體管的工作原理如下：本系統(tǒng)中使用的是P溝道增強型場效應(yīng)晶體管，如圖4所示，P溝道增強型場效應(yīng)管作為開關(guān)使用時，是由Vgs的電壓值來控制源極S和漏極D之間的通斷。當Vgs之間的電壓值為負壓時，即Vg

4 結(jié)束語

由于MCS-51單片機成本低、性能好，在智能控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于多種原因，特別對于單片機初學(xué)者，在使用過程中難免出現(xiàn)單片機反插的現(xiàn)象，造成不可估量的直接或間接的經(jīng)濟損失。本系統(tǒng)通過檢測單片機引線腳的方法，檢測單片機是否反插，在出現(xiàn)反插后及時切斷電源，并且實現(xiàn)聲光告警，有效地保護控制電路，且給生產(chǎn)和學(xué)習(xí)來了積極的意義。此方法簡單實用、性能穩(wěn)定、安全可靠，具有良好的監(jiān)控效果。

參考文獻

[1] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)—模擬部分（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2004：19.

[2] 李友全.STC單片機最新教材51單片機輕松入門—基于STC15W4[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2015：7.

[3] 李廣弟，朱月秀，王秀山.單片機基礎(chǔ)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2004：23.

[4] 張云，徐衍亮，李豹.基于動態(tài)電源的 MOSFET驅(qū)動優(yōu)化[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013，28（12）：269-275.

作者簡介

葛和平（1984-），男，山東安丘人;講師，電氣專業(yè)部專業(yè)部長，現(xiàn)就職單位：珠海市理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，研究方向：單片機技術(shù)。