MCS-51单片机反插保护电路系统的设计与研究

摘 要 随着智能化技术的发展，单片机被广泛应用于各行业的智能控制中。在使用过程中，单片机芯片反插现象时有发生，以致损坏相关电路，造成不可估量的经济损失。本文讲述一种MCS-51单片机反插保护电路的设计与研究。设置监控电路监控MCS-51系列单片机U1是否被反插入插座SK1中。监控电路的场效应晶体管Q1则被串接于单片机的供电源Vcc输入端。MCS-51单片机U1（以下简称 “主芯片”）的脚RST、2751446.png和ALE分别接至监控电路单片机U2（以下简称 “监控芯片”）的脚P1.3、P1.2和P1.4 ;监控电路根据此三条引线脚的高低电平来判断主芯片U1是否被反插，一旦发现反插，立即关断Vcc电源，保护主芯片和外围电路。

关键词 MCS-51单片机;监控电路;反插保护电路;场效应晶体管

背景技术

随着科学技术的不断发展，人工智能技术正逐步应用于社会的各行各业中。其中MCS-51系列单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医疗设备、航空航天和各种专用设备的智能化管理以及过程控制等领域。但是一些初学者在使用MCS-51单片机时，往往不清楚该单片机芯片的引脚排列顺序，很容易把单片机芯片颠倒方向插入（以下简称为“反插”）其双列直插型插座内，造成该单片机及其芯片电路短接，致使单片机芯片及周边电路受损，甚至损毁。

1 系统设计原理

在现有的技术手段中，电源的反接保护电路有很多种，但是芯片的反插保护却寥寥无几。本系统是针对现有技术的不足之处而提出一种通过检测MCS-51单片机在接通电源的复位过程中，正常状况接通电源Vcc和芯片被反插时，主芯片的2751457.png、ALE引脚的输出电压值的变化，来判断所述单片机芯片是否被反插。一旦检测到主芯片被反插，立即由检测监控电路输出“关断电源”信号，场效应晶体管瞬即转换为“截止”状态，关断主芯片的Vcc电源，同时做声、光告警，以微秒级速度对主芯片实施有效保护[1]。

2 系统电路设计

为解决单片机在电路中的反插问题，设计如下系统电路检查单片机的插入情况，电路原理逻辑框图如图1所示。

如图1所示，MCS-51单片机反插保护电路系统包括电源控制电路、主芯片单片机电路、监控芯片单片机电路和实时声光告警电路等。

2.1 电源控制电路

在电源控制电路中，Power为外部供电源，Vcc是受电力场效应晶体管Q1导通/截止控制的电压源，Vcc电连接晶体管Q1的源极S，用于为被保护芯片U1供电;在主芯片单片机U1被发现反插时，能快速关断为之供电的Vcc电压源。

2.2 主芯片单片机电路

主芯片单片机电路是常用的MCS-51系列单片机最小控制系统，其芯片各引线脚可以控制多种外围设备，单片机电路原理最小系统如图2所示。

2.3 监控芯片单片机电路

监控芯片单片机电路由STC15W系列单片机组成，该单片机可设置内部晶振、运行速度快、寬电压设计，简单实用。监控芯片单片机电路包含电平检测电路、存储器电路、逻辑运算电路等三个逻辑职能。其中，电平检测电路由U2的P1.2、P1.3、P1.4组成，这三个引线脚分别检测U1芯片的2751486.png、RST、ALE三个引线脚的高、低电平;存储器电路用于存储控制软件程序，该程序用于判断U1单片机芯片有无反插;逻辑运算电路用于控制电源控制电路，如果发现单片机芯片反插，及时关断供电源Vcc。

2.4 实时声光告警电路

实时声光告警电路由U2监控芯片的P5.4和P1.6组成，分别控制发光二极管和扬声器，当监控芯片U2检测到主芯片U1反插时，在关断供电源的同时实现声光告警[2]。

3 监控电路原理设计

为了能够使主芯片U1单片机安全运行，故设置检测监控电路，监控电路原理如图3所示。

如上图，检测监控电路的监控芯片U2是STC15W401单片机，该系列单片机运行速度快、功耗低、不需要外部晶振和复位电路。为了能够实时检测主芯片U1的状态，将主芯片U1的引线脚RST、2751501.png和ALE分别连接至监控芯片U2的引线脚P1.3/ADC3、P1.2/ADC2和P1.4/ADC4 ，在主芯片U1通电运行时，检测监控芯片U2的引线脚P1.3/ADC3的电平。如果主芯片U1的引线脚RST呈现高电平，则主芯片U1为“复位”状态，如果主芯片U1单片机的引线脚2751509.png和ALE应该都是高电平，则判定主芯片U1工作正常;如果主芯片U1的引线脚RST呈现低电平，主芯片引线脚2751516.png和ALE均呈现低电平，则判定主芯片U1是被反插入该单片机的SK1插座中了[3];

若检测到主芯片U1被反插了，监控芯片U2立即将此逻辑判断转换为硬件执行命令，传送至串接在供电源线路中的场效应管Q1的控制端G，使该场效应管Q1瞬间转换为截止状态，关断电源引入端子Power的电压供给;在关断电源的同时，通过U2单片机P5.4引线脚控制光告警电路，使发光二极管LED-Y闪烁告警，通过U2单片机P1.6引线脚控制蜂鸣器和扬声器同时发生，实现声音告警。

快速关断供电电源的命令由监控芯片U2的引线脚P1.5/ADC5发出，传送至场效应晶体管Q1的栅极G。快速关断供电源Power的电路由电力场效应晶体管MOSFET完成，电路符号 Q1，电力场效应晶体管的工作原理如下：本系统中使用的是P沟道增强型场效应晶体管，如图4所示，P沟道增强型场效应管作为开关使用时，是由Vgs的电压值来控制源极S和漏极D之间的通断。当Vgs之间的电压值为负压时，即Vg

4 结束语

由于MCS-51单片机成本低、性能好，在智能控制领域得到广泛应用。由于多种原因，特别对于单片机初学者，在使用过程中难免出现单片机反插的现象，造成不可估量的直接或间接的经济损失。本系统通过检测单片机引线脚的方法，检测单片机是否反插，在出现反插后及时切断电源，并且实现声光告警，有效地保护控制电路，且给生产和学习来了积极的意义。此方法简单实用、性能稳定、安全可靠，具有良好的监控效果。

参考文献

[1] 康华光.电子技术基础—模拟部分（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2004：19.

[2] 李友全.STC单片机最新教材51单片机轻松入门—基于STC15W4[M].北京航空航天大学出版社，2015：7.

[3] 李广弟，朱月秀，王秀山.单片机基础[M].北京航空航天大学出版社，2004：23.

[4] 张云，徐衍亮，李豹.基于动态电源的 MOSFET驱动优化[J].电工技术学报，2013，28（12）：269-275.

作者简介

葛和平（1984-），男，山东安丘人;讲师，电气专业部专业部长，现就职单位：珠海市理工职业技术学校，研究方向：单片机技术。