电子硬件设计基础知识.docx
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电子硬件设计基础知识
将电子产品抽象成一个硬件的模型，大约有一下组成：
1）输入
2）处理核心
3）输出
输入基本上有一下的可能：
1）键盘
2）串行接口（RS232/485/canbun/以太网/USB）
3）开关量（TTL，电流环路，干接点）
4）模拟量（4~20mA、0~10mA、0~5V（平衡和非平衡信号））
输出基本上有以下组成：
1）串行接口（RS232/485/canbus/以太网/USB）
2）开关量（TTL、电流环路、干接点、功率驱动）
3）模拟量（4~20mA、0~10mA、0~5V（平衡和非平衡信号））
4）LED显示器：
发光管、八字
5）液晶显示器
6）蜂鸣器
处理核心主要有：
1）8位单片机，主要就是51系列
2）32位arm单片机，主要有atmel和三星系列
51系列单片机现在看来，只能做一些简单的应用，说白了，这个芯片也就是做单一的一件事情，做多了，不如使用arm来做；还可以在arm上加一个操作系统，程序及可靠有容易编写。
最近三星的arm受到追捧，价格便宜，以太网和USB的接口也有，周立功的开发系统也便宜，作为学习ARM的产品来说，应该是最好的；作为工业级的控制，是不是合适，在网友中有不同的看法和争议。
本公司使用atmelARM91系列开发的一个室外使用的产品，在北京事儿爱使用，没有任何的通风和加热措施，从去年的5月份到现在，运行情况良好。
已经有个成功应用的案例。
但对于初学者来说，应该从51着手，一方面，51还是入门级的芯片，作为初学者练手还是比较好的，可以将以上的概念走一遍；很多特殊的单片机也是在51的核基础上增加了一些I/O和A/D,D/A;也为今后学习更高一级的单片机和ARM打下基础。
再说了，哪个老板会ARM级别的开发放在连51也没学过的新手中?
在51上面去做复杂的并行扩展是没有必要的，比如，扩展I/O和A/D、D/A等等，可以直接买带有A/DD/A的单片机；或者直接使用ARM，他的I/O口线口多。
可以使用I2C接口的芯片，扩展I/O口和A/DD/A，以及SPI接口扩展LED显示，例如：
MAX7219等芯片。
市面上一些比较古老的属鸡中还有一些并行扩展的例子，如：
RAM、EPROM、A/D、D/A等，我觉得已经没必要去看了，知道历史上有这些事就行了；这些知识是所有产品都具备的要素。
所以要学，在具体应用.
第一课：
51单片机最小系统
实际上，51单片机外围电路是很简单的，一个单片机+一个看门狗+一个晶振+2个瓷片电容；
1.单片机:
atmel的89C51系列、winbond的78E52系列，还有philips的系列，都差不多；仙子阿还有一些有ISP（在线下载的），就更好用了；
2.看门狗：
种类很多，我常用的有max691/ca1161和DS1832等，具体看个人习惯、芯片工作电压、封装等。
Max系列和DS系列，还有IMP公司的，种类很多，一般只需要有最基本的功能既可以了；原来我使用MAX691，但是max691比较贵，因为他有电池切换功能，后来新设计电路板就都采用ca1161了。
很在以前的电路设计中，现在可能还有人使用，使用一个电阻和一个电容达成上电复位电路；但是，这样的复位电路是不可靠，为什么不可靠，网络上能找得到专门论述复位电路的文章；更重要的是，51系列的单片机比较容易受到干扰；没有看门狗电路是不行的，当程序跑飞时回不来就死在那儿了。
常规的做法是买一个专门的看门狗，完成复位电路和看门狗电路的功能。
这些芯片的资料很容易在网上找到。
3.单片机和单片机抗干扰能力是不一样的。
如果你的产品是工作在干扰比较大的环境，可以试试选用不同品牌的单片机；原来我在一个光电所做YAG激光治疗机的控制部分，脉冲激光机的电源放点时能量是很大的，在采取了所有能够想到的光电隔离等措施之后，还是不行；后来选用了intel的8031就可以了，当时philips的单片机抗干扰是最差的，可能跟philips主要做民用领域有关。
现在不知道怎么样了。
单片机的输入输出口线是最容易引进干扰的地方；在严重的情况下所有口线要光电隔离。
晶振：
一般选用11.0592M，因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率；也可以使用36.864M，这个频率是1.8432M的20倍。
这两种晶振很容易买到，价格和12M的一样。
书上说，12M的也能得到9600波特率，但实际会每隔一段时间就出错一次，好像累积误差一样，比较奇怪。
即使你的单片机系统不使用RS232接口，也可以做一个RS232，留着做测试。
4.瓷片电容：
22pf~30pf，可以在书上找晶振频率对应的瓷片电容值。
如果你的单片机系统没有工作，检查步骤如下：
1.检看门狗的复位输出，可能的话在电路板上加一个LED，下拉，这样看起来就更方便；
2.查单片机，看看管脚有没有问题；一般编程器能够将程序写入，说明单片机是好的；最好手头上准备一个验证过的单片机，内部有一个简单的程序，比如，在某个口线上输出一个一秒的占空比的方波等，可以用万用表测量。
设计产品时，在关键的地方：
电源、串口、看门狗的输出和输入、I/O口等加不同颜色的LED指示，便于调试；作为批量发的产品，可以去掉部分LED，一方面是降低成本
、一方面流程保密。
3.再检查瓷片电容，有些质量不行干脆换了；顺便说一下，换器件最好使用吸锡带，将焊盘内的锡吸干净，再将器件拔出，这样就不会伤焊盘内的过孔；
4.最后换晶振了；
5.以上检测时，无关的外围芯片去掉；因为有些外围器件的故障导致单片机系统不工作。
第二课基本的芯片和分立器件
2.1简述
2.274系列
2.3CD4000系列
2.4光耦与光电管
2.5三极管
2.6电容电阻
2.7固态继电器
2.8继电器
2.9变压器和三端稳压器
2.10开关电源芯片
2.11封装知识、芯片批号等
2.12接插件
2.13器件选购的知识
第三课数字量的输入输出
第四课单片机的通讯接口
第五课单片机系统设计的硬件构思
第六课单片机程序的框架（汇编版本）
第七课模拟量的输入输出
……
各位多提宝贵意见。
保证实用。
如果程序里面有一些例程，也是已经经过测试可以拿来就用的；实际上是我早年的一些产品的程序的一部分；不好意思，都是汇编的。
写的时间只有周末会多一些，可以保证做到一周一课；尽量能够提前，但是这要看看工作忙不忙了。
坊间有一些参考书，准备今天上午到北京中发市场转了一圈，我记得以下参考书目较好：
1.周航慈：
《单片机程序设计》
2.徐涵芳：
《MCS-51单片机结构与设计》
3. 何立民：
《......》
有了这些就基本够用了；其它的很多都是资料的翻译；如果英文不好，可以看看；英文好的话，可以不必了，省电钱买开发系统和编程器、开发板什么的，需要什么资料直接下载PDF文件好了。
要想成为电子工程师，需要宽带，在家里安装包月的adsl或者长宽，绝对值得。
实际上，网络上什么都有了，就是一个网络数据库，要好好利用。
网上自有黄金屋，网上自有颜如玉……
第二课基本的芯片和分立器件
2.1简述
2.274系列芯片
74系列的芯片是古老的一族，大部分的芯片现在均已不用了，但是，实际上在目前的系统中还能看到一些芯片，例如：
1、7404——6个反相门
将输入的TTL逻辑反相，如：
0->1,1->0
2、7407-6个集电极开路门
由于集电极开路门可以外接高电压，可以最高到DC30V，电流最大到39mA，通常我用它驱动8字数码管和继电器等大殿里的负载；开路门内部结构是达林顿管，输出逻辑是正的；与其类似的是7406，只不过是反相开路门。
3、74LS573与74LS3738数据锁存器
引入几个概念：
1.真值表
参见74LS373的PDF的第2页：
Dn LE OE On
H H L H
L H L L
X L L Qo
X X H Z
这个就是真值表，表示这个芯片在输入和其它的情况下的输出情况。
每个芯片的数据手册（datasheet）中都有真值表。
布尔逻辑比较简单，在此不赘述；
2.高阻态
就是输出既不是高电平，也不是低电平，而是高阻抗的状态；在这种状态下，可以多个芯片并联输出；但是，这些芯片中只能有一个处于非高阻态，否则将会烧毁芯片；
3数据锁存
当输入的数据消失时，在芯片的输出端，数据仍然保持；
这个概念在并行数据扩展中经常使用到。
4.数据缓冲
加强驱动能力。
74LS244/74LS245/74LS373/74LS573都具备数据缓冲的能力。
OE:
output_enable,输出使能；
LE:
latch_enable,数据锁存使能，latch是锁存的意思；
Dn：
第n路输入数据；
On：
第n路输出数据；
再看这个真值表意思如下：
第四行：
当OE=1时，无论Dn、LE为何，输出端为高阻态；
第三行：
当OE=0时，LE=0时，输出端数据不变；
第二行第一行：
当OE=0、LE=1时，输出端数据等于输入端数据；
结合下面的波形图，在实际应用是这样的：
a.OE=0;
b.先将数据从单片机的口线上输出到Dn；
c.再讲LE从0->1->0;
d.这时，所需要输出的数据就锁存在On上了，输入的数据在变化也影响不到输出的数据了；实际上，单片机现在在忙但别的事情，串行通信、扫描键盘等单片机的自愿有限啊。
在单片机按照RAM方式进行并行数据的扩展时，使用movx@dptr,A这条指令时，这些时序由单片机来实现的。
后面的表格中还有需要时间的参数，你不需要去管它，因为这些参数都是几十ns级别的，对于单片机在12M下的每个指令周期最小是1us的情况下，完全可以实现；如果是你自己来实现这个逻辑，类似的指令如下：
MovP0,A;将数据输出到并行数据端口
ClrLE
SetbLE
ClrLE；上面三条指令完成LE的波形从0->1->0的变化
74LS573跟74LLS373逻辑上完全一样，只是管脚定义不一样，数据输入和输出端各在一侧，PCB容易走线；所以大家更喜欢使用这个芯片。
4、74LS244——数据缓冲器
数据输出能力比较强，输出电流可以到40mA以上；
4个缓冲器分成2组，具有高阻态控制端口
5、74LS245——总线缓冲器
双向数据接口，通常在ISA板上可以看到；
早起的51系统中，为了扩展RAM、eprom、A/D、D/A、I/O等经常可以看到这个片子；
为了增强驱动能力，有时事为了隔离输入和输出，主要是布线方便，象74LS573一样，输入、输出在一侧，经常用到这个片子。
6、74LS138——三-八译码器
在早期的51系统扩展中作为地址选通的片子，可以经常看到。
另外一个类似的芯片是74LS154，是4-16译码器，现在更是少见了。
2.4ULN2003/ULN2008
他的内部结构也是达林顿的，专门用来驱动继电器的芯片，是指在芯片的内部做了一个消线圈反电动势的二极管。
ULN2003的输出端允许通过IC电流200mA，饱和压降Vce约1V左右，耐压BVCEO约为36V。
用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。
Vaiyong集电极开路输出，输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器（SSR）等外接控制器件，可直接驱动低压灯泡。
经常在工控的板卡中见到这个芯片。
有个完全一样的型号：
MC1413，不过现在好像不怎么见到这个型号了，但是管脚与2003完全兼容。
ULN2003可以驱动7个继电器；ULN2008驱动8个继电器。
2.5光耦
光耦用来隔离输入输出的，主要是隔离输入的信号。
若远距离的开关量信号传送到控制器直接接在单片机的I/O上，有以下问题：
1）信号不匹配，输入的信号可能是交流信号、高压信号、按键等干接点信号；
2）比较长的连接线路容易引进干扰、雷击、感应电等，不经过隔离不可靠
所以，需要光耦进行隔离，接入单片机系统。
常见的光耦有：
1）TLP521-1/TLP521-2/TLP512-4，分别是一个光耦、2个光耦和4个光耦，HP公司和日本的东芝公司生产。
2）发光管的工作电流要在10mA时，具有较高的转换速率；
在5V工作时，上拉电阻不小于5K，一般是10k；太小容易损坏光耦；
2）4N25/4N35，motorola公司生产
隔离电压高达5000V；
3）6N136，HP公司生产
要想打开6N136，需要比较大的电流，大概在15~20mA左右，才能发挥高速传输数据的作用。
如果对速率要求不高，其实TLP521－1也可以用，实际传输速率可以到19200波特率。
选择光耦看使用场合，tlp521-1是最常用的，也便宜，大概0.7~1元；
要求隔离电压高的，选用4N25/4N35，大概在3元左右；
要求在通讯中高速传输数据的，选用6N136，大概在4元左右。
光耦应用的原理框图如下所示：
1.输入干接点隔离
2.输入TTL电平隔离
3.输入交流信号隔离
4.输出RS232信号隔离
5.输出RS422信号隔离
光耦除了隔离数字量外，还可以用来隔离模拟量。
将在今后的章节中描述。
2.6.1三极管的4种工作状态
1）饱和导通状态
饱和导通=0
2）截止状态
截止状态=1
3）线性放大状态
作为低频放大器时使用，具体的可参见有关电子线路的书籍；
4）非线性工作状态
在无线电通信系统中，作为混频器等使用。
具体的可参见有关电子线路的书籍；
愚记得南京工学院也就是现在的东南大学在80年代初期有一套《电子线路》5本，是电子专业的书籍，比较难懂；现在，即使是在电子专业的学生中，也应该降低了对三极管的哪些复杂的参数的要求了吧；在实际使用时，即使是模拟电路、非线性电路，也都是集成电路了，谁还使用三极管自己做呢？
如果万一需要，现学也来得及。
这套书很强的。
编写人在那个年代肯定都是牛人。
好多学校都在扩招，很多学生念了4年下来，学了一堆过时的理论，跟实际的东西一点没有接轨，不知道7407是干什么用得，不知道三极管的几个状态；我只能无话可说。
所以，念了4年下来，跟企业的需求还有一段距离，还需要从头来过；聪明的学生赶紧抓住机会去学习，去实习，这样，还可以赶紧补上实际应用的这一课。
言归正传。
参见下图：
当单片机的口线输出电平为1时，三极管的be结导通，ce结导通，输出的电压值为0V；
当单片机的口线输出电平为0时，三极管的be结不导通，ce结截止，输出的电压值为5V；
在这种数字电路的应用中，相当于三极管是一个反相开路门。
计算是否导通，公式如下：
I＝B（放大倍数，希腊字母的贝塔）×Ibe
当Ice相差越大，饱和程度越深，Vce越小，三极管的输出内阻越小；
这个概念要用到光电管中。
设计使用时大概算算，心里有个数；在电路板上试试，行的通，那就是它了。
可以测量Vce值，至少要小于0.1V就可以了。
常用的PNP三极管是2N5551，驱动40mA的LED（电压在24V）、蜂鸣器等均没有问题。
2.6.2三极管的具体应用
实际上，已经有象7407、ULN2003可以取代三极管在数字电路中的作用；但是，有时是受到PCB面积的制约，有时是为了降低成本，有时是因为布局方便，在1~2个输出点时，还是可以使用三极管来做驱动的。
例如：
驱动一个蜂鸣器；往往系统中的蜂鸣器跟其它驱动设备，继电器等，距离较远；这时，没有必要使用一片7407，或者ULN2003来驱动；驱动的接口如下：
2.7光电管
我这里所谓的光电管有2种：
1）反射型光电管
2）对射型光电管
这2种产品在市场上又可分为调理好的和没有调理好的；
这2种光电管在电子产品世界和电子技术应用杂志上都有大量的广告。
随便找一本都有。
我所说的调理好的指的是内部已经加了限流电阻和输出的放大驱动电路了。
它的特点是只有3根线，电源2根，输出信号一根，TTL电平的；但是，有时受到某种限制，需要使用没有调理好的，怎么办呢？
参见下图：
光电管原理框图
这种没有调理好的光电管在使用时，需要做一块小的电路板，在发光管加限流电阻，在光电三极管的集电极加上拉电阻到5V，如下图所示：
光电管工作框图1。
但是，在使用中我发现，输出的信号不稳定，尤其是在使用比较长的电缆传输到单片机的时候；究其原因，我认为是由于反射或者对射的红外光落在光电三极管的靶面上，光强未能导致光电三极管深度饱和，使得输出的内阻偏大，环境的噪声和电缆的干扰信号容易在线路上叠加的缘故；
为了可靠工作，仿照达林顿管的结构，在光电三极管的输出端加一个限流电阻接到NPN的B结，当无光的时候，2N5551饱和导通，输出电压为0V；实际测量小于0.1V；当有光，甚至是弱光时，2N5551截至，输出电压为5V。
将3K电阻换成更大或更小的电阻，可以调整光电三极管的输出的灵敏度。
具体工作过程可以自行分析，做个实验。
2.8电容
2.8.1电容的主要种类
电容有以下几大类：
1）电解电容
2）独石电容
3）磁片电容
4）钽电容
5）涤纶电容等
电容的指标是：
耐压值和电容值。
例如：
220u/50V，就是说，这个电解电容耐压值为50V，容量为220u。
电容值跟电容的介质有关。
顾名思义：
电解电容为电解质作为介质的，铝作为电极；
独石电容是使用石头作为介质的；
磁片电容是磁片作为介质的；
钽电解电容使用电解质作为介质，但是，电极采用钽金属。
涤纶电容采用涤纶作为介质。
2.8.2电容的使用场合
1.电源稳压和滤波
电解电容主要是用来稳压和交流滤波：
高频滤波是使用瓷片电容和独石电容。
当电解电容作为稳压时，接在整流桥和三端稳压器的输出端，起到稳定电压的作用。
其工作机理相当于一个人水库，从上游来的波浪来到了水库就变得平滑了。
但是，铝电解电容的电解质随着时间会干涸，所以设计是需要留有余量，保证系统正常工作到寿命。
有些远端供电的直流电源，街道电路板的输入端时，需要电路板的电源输入端加上一个很大的电解电容，通常可以是220u/25V，这样电路板需要供电时，不是直接从电源处取而是从电容中取电，可以得到稳定的电流供给。
但是点解电容只能滤除低频的波动；对于直流电源中的高频波动，可以加一个0.1u或0.01u的独石电容或者磁片电容。
很多教科书都指出，每个芯片的电源和地连分段接一个0.1u或0.01u的独石电容或瓷片电容，解决芯片的供电过程中，由于电路板走线电感产生的电源开关噪声尖峰。
这种作用下的电容叫去耦电容。
这是电路板的常规的设计。
2.定时参数
对于像555这样需要外接电容产生稳定的脉冲器件，涤纶电容是首选。
可以想象，涤纶一层又一层缠绕，收到温度变化引起的涤纶面积的变化相对值要远远小于独石电容的介质。
3.产生其他电压
有些需要从单一电压产生其他电压的芯片，如:
max232,外接0.1u钽电容才能实现。
2.8.3电容的封装
电容有直插和贴片，贴片封装的通常耐压值不超出25v，电容值不超出100u。
再大只好用直插的了。
2.9电阻和电位器
2.9.1电阻的种类
2.9.1.1普通电阻
电阻种类按照工艺可以分为碳膜电阻和金属膜电阻；
按功率可以分为小功率电阻和大功率电阻，大功率电阻是金属电阻，实际上应该是金属外面加一个金属（铝材料）散热器，所以可以有10W以上的功率；在卖电阻的市场上可以很容易地看见。
金属电阻通常是作为负载，或者作为小设备的室外加热器，如，在CCTV的一些解码器箱和全天候防护罩中可以看到。
电阻在电路中起到限流和分压等作用。
通常1/8W电阻已经俄安全可以满足使用。
但是，在作为7段LED中，要考虑到LED的压降和供电电压之差，再考虑LED的最大电流通常是20mA（超高亮LED），若是2X6（2排6个串联）则电流是40mA。
不同厂家选用不同材料的压降有所不同。
所以需要加上电试一下，但是，不要让LED的电流超过20mA（单只LED），这时加大电流亮度不会增加而寿命会下降，限流电阻的大小就是压降出除以电流。
电阻的功率随之可以算出。
2.9.1.2电位器
电位器就是可调电阻。
他的阻值在1~n之间变化。
N=102、502、103……
102=10*10的2次方，也就是1000欧姆，1K
这种表示的方法跟电容是一样的。
电容104=10*10的4次方pf，电容的基本单位是pf，1u=pf，所以，104=pf=0.1u；
电位器又分单圈和多圈电位器。
单圈的电位器通常为蓝色，调节的旋纽为一字，一字小改锥可调；
多圈电位器又分成顶调和侧调2种，主要是电路板调试起来方便。
有些是仪器仪表设备，通常是模拟电路，有些不确定因素需要调节达到理想效果；有些设备本身就需要输出一个可变的东东，如电压和电流也需要一个电位器。
2.9.1.3排电阻
是sipn的封装，比较常用的就是组织502和103的9脚的电阻排；象sip9就是8个电阻封装在一起，8个电阻有一端连在一起，就是公共端，在排电阻上用一个小白点表示。
排电阻通常为黑色，也有黄色；51系统的P0需要一个排电阻上拉，否则，作为输入的时候，不能正常读入十句；作为输出的时候，接7407是可以的，不需要上拉电阻；但是接其他芯片还是不行。
2.9.1.4光敏电阻
当光强变化时电阻值也变化，显然这是半导体的特性。
可检测光强变化。
2.9.2电阻的封装
电阻的封装有表面贴片和轴向的封装。
轴向封装有：
axial0.4、axial0.6、axial0.8等等；
最常用的就是0805；当然还有更大的；
搞硬件和软件是不同的，搞硬件的人一定要精确。
在硬件上的一个小的错误，都会造成这块板的推倒重来；因为产品不能有飞线的；
什么事精确呢？
1．对你所要实现的工作的目标理解准确；
2．对你的电路图要清楚每一个器件在其中所起的作用；如果不明白，可以找一个专家问问，得到确认；如果不清楚，可以先试试；
3．对每一个器件的封装要严格把握，该是什么形状、外形一定要完全一致；还有考虑到空间是不是对其它的板卡器件有影响；对边缘连接器件与电路板的边缘之间的距离、ISA和PCI的边缘连接件与挡板之间的关系要完全把握才能去做电路板；否则只是浪费金钱和时间；
对边缘器件与边缘之间的距离要是不能有把握的话，可以找3个人，每个人都计算一遍，取个平均值，基本上就差不多了。
4．对单片机的资源能不能作成这件事情一定要有把握，CPU运算速度和字长、内存够不够大、程序存储器够不够大，需要仔细的规划；
5．原理图经过专家认可无误后，画出来的PCB需要做网络检查，做到与原理图完全一致；
2.10继电器、固态继电器
2.10.1继电器
继电器，就是利用继电器的线包在加电后产生的磁力，将2个电极吸合在一起；初中还是高中的物理有它的原理。
有兴趣可以打开一支看看，很好玩的。
继电器有：
1）公共端：
COM
2）常开：
normalopen，NO
3）常闭：
normalclose，NC
继电器主要指标：
工作电压：
工作电压有直流和交流的2种；
在PCB上，通常是直流的；交流的继电器通常是AC24V的居多，当然，还有AC220V的。
交流的继电器国产的比进口的，比如，idec，OMRON，fujitsu便宜很多，当然，质量也差一些。
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