MCS-51單片機反插保護電路系統的設計與研究

摘 要 隨著智能化技術的發展，單片機被廣泛應用于各行業的智能控制中。在使用過程中，單片機芯片反插現象時有發生，以致損壞相關電路，造成不可估量的經濟損失。本文講述一種MCS-51單片機反插保護電路的設計與研究。設置監控電路監控MCS-51系列單片機U1是否被反插入插座SK1中。監控電路的場效應晶體管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分別接至監控電路單片機U2（以下簡稱 “監控芯片”）的腳P1.3、P1.2和P1.4 ;監控電路根據此三條引線腳的高低電平來判斷主芯片U1是否被反插，一旦發現反插，立即關斷Vcc電源，保護主芯片和外圍電路。

關鍵詞 MCS-51單片機;監控電路;反插保護電路;場效應晶體管

背景技術

隨著科學技術的不斷發展，人工智能技術正逐步應用于社會的各行各業中。其中MCS-51系列單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫療設備、航空航天和各種專用設備的智能化管理以及過程控制等領域。但是一些初學者在使用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，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 系統設計原理

在現有的技術手段中，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。本系統是針對現有技術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，立即由檢測監控電路輸出“關斷電源”信號，場效應晶體管瞬即轉換為“截止”狀態，關斷主芯片的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 系統電路設計

為解決單片機在電路中的反插問題，設計如下系統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包括電源控制電路、主芯片單片機電路、監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是受電力場效應晶體管Q1導通/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被發現反插時，能快速關斷為之供電的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，其芯片各引線腳可以控制多種外圍設備，單片機電路原理最小系統如圖2所示。

2.3 監控芯片單片機電路

監控芯片單片機電路由STC15W系列單片機組成，該單片機可設置內部晶振、運行速度快、寬電壓設計，簡單實用。監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，如果發現單片機芯片反插，及時關斷供電源Vcc。

2.4 實時聲光告警電路

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

3 監控電路原理設計

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

如上圖，檢測監控電路的監控芯片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位電路。為了能夠實時檢測主芯片U1的狀態，將主芯片U1的引線腳RST、2751501.png和ALE分別連接至監控芯片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呈現高電平，則主芯片U1為“復位”狀態，如果主芯片U1單片機的引線腳2751509.png和ALE應該都是高電平，則判定主芯片U1工作正常;如果主芯片U1的引線腳RST呈現低電平，主芯片引線腳2751516.png和ALE均呈現低電平，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，監控芯片U2立即將此邏輯判斷轉換為硬件執行命令，傳送至串接在供電源線路中的場效應管Q1的控制端G，使該場效應管Q1瞬間轉換為截止狀態，關斷電源引入端子Power的電壓供給;在關斷電源的同時，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生，實現聲音告警。

快速關斷供電電源的命令由監控芯片U2的引線腳P1.5/ADC5發出，傳送至場效應晶體管Q1的柵極G。快速關斷供電源Power的電路由電力場效應晶體管MOSFET完成，電路符號 Q1，電力場效應晶體管的工作原理如下：本系統中使用的是P溝道增強型場效應晶體管，如圖4所示，P溝道增強型場效應管作為開關使用時，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 結束語

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

參考文獻

[1] 康華光.電子技術基礎—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].北京航空航天大學出版社，2015：7.

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

[4] 張云，徐衍亮，李豹.基于動態電源的 MOSFET驅動優化[J].電工技術學報，2013，28（12）：269-275.

作者簡介

葛和平（1984-），男，山東安丘人;講師，電氣專業部專業部長，現就職單位：珠海市理工職業技術學校，研究方向：單片機技術。