关于51与电子工程师 一、前言
为什么要掌握这些知识？
实际上，电子工程师就是将一堆器件搭在一起，注入思想（程序），完成原来的这些器件分离时无法完成的功能，做成一个成品。所需要的技能越高、功能越复杂、成本越低、市场上对相应的东东的需求越大，就越成功。这就是电子工程师的自身的价值。从成本到产品售出，之间的差价就是企业的追求。作为企业的老板，是在市场上去寻找这样的应用；对电子工程师而言，是将老板提出的需求或者应用按照一定的构思原则（成本最低、可靠性最高、电路板最小、功能最强大等）在最短的时间内完成。最短的时间，跟电子工程师的熟练程度、工作效率和工作时间直接有关。这就是电子工程师的价值。
电子产品的组成
将电子产品抽象成一个硬件的模型，大约有以下组成： 1) 输入 2) 处理核心 3) 输出
输入基本上有以下的可能： 1) 键盘
2) 串行接口（RS232/485/can bus/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/can bus/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：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，程序既可靠又容易编写。 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。但作为工业级的控制，是不是合适，在网友中有不同的看法和争议。本公司使用ATmel ARM91系列开发的1个室外使用的产品，在北京室外使用，没有任何的通风和加热的措施，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的核的基础上增加了一些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，哪个老板会将ARM级别的开发放在连51也没有学过的新手手中？ 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口和A/D、D/A等等，可以直接买带有A/D、D/A的单片机；或者直接使用ARM，它的I/O口线口多。可以使用I2C接口的芯片，扩展I/O口和A/D、D/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书籍中还有一些并行扩展的例子，如：RAM、EPROM、A/D、D/A等，我觉得已经没有必要去看了，知道历史上有这些一回事就行了； 这些知识，是所有产品都具备的要素。所以要学，再具体应用。 第一课：51单片机最小系统
实际上，51单片机核心外围电路是很简单的：一个单片机 ＋ 一个看门狗 ＋ 一个晶振 ＋ 2个磁片电容。
1. 单片机：ATmel的89C51系列、winbond的78E52系列，还有philips的系列，都差不多；现在有一些有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就可以了；原来我使用max691，但是max691比较贵，因为它有电池切换功能，后来新设计电路板，就都采用ca1161了。 很早以前的电路设计中，现在可能还有人使用，使用一个电阻和一个电容达成的上电复位电路；但是，这样的复位电路一个是不可靠，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，回不来了，死在那里。 常规的做法是买一个专门的看门狗电路，完成复位电路和看门狗电路的功能。 抗干扰能力：
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电的时候，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。小声的说：当时的philips的单片机抗干扰性能是最差的，可能跟Philips主要是用在民用领域有关。现在不知道怎么样了，有人知道的话告诉我。 单片机的输入输出口线是最容易引进干扰的地方；在严重干扰的情况下，需要将所有的口线光电隔离。
3. 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，看别人的电路板上用过，我也没有用到。这2种晶振很容易买到，价钱跟12M的一样。书上说，12M的晶振也能得到9600的波特率，但是，实际用的时候，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，或者预留等等，没有坏处。除非你的单片机系统的口线不够用了。
4. 磁片电容：22pf～30pf，可以在有些书上找到什么晶振频率对应什么容量的磁片电容，但是，我都是随便拿来使用，反正在11.0592M下，都没有问题；如果你用到了更高的频率，最好还是找找资料看看。
如果你的单片机系统没有工作，检查步骤如下：
1. 查看门狗的复位输出，可能的话在电路板上加一个LED，下拉，这样看起来就更方便；要是看门狗复位信号有，往下；
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1个1秒占空比的方波等，可以使用万用表测量。 加一句：设计产品时，要在关键的地方：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；作为批量大的产品，可以去掉部分LED，一方面是降低成本、一方面是流程保密；
3. 再查磁片电容，有些瓷片电容质量不行，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，这样不会损伤焊盘内的过孔；再将新的瓷片电容焊接上去的时候，用万用表量量是好的再焊； 4. 最后只有换晶振了；切记要买好的晶振，有些品牌质量比较好。
5. 以上按照以上步骤检测时，将无关的外围芯片去掉；因为有一些是外围器件的故障导致单片机最小系统没有工作。
第二课 基本的芯片和分立器件 2.1 简述
有必要对以下系列的芯片和分立器件进行介绍。
除了单片机作为控制器的核心外，作为一个产品，由很多东西构成；所以，在讲系统之前，先将这些零零碎碎的东西一并交待。就好像一栋房子，有各种各样的构件组成，下面的这些东东就像砖瓦一样，没有不行。
2.2 74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，有些芯片现在还在系统中使用，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电流的负载；开路门内部结构是达林顿管的，输出的逻辑是正的； 与其类似的芯片是7406，只不过是反相开路门。
3、 74LS573与74LS373 - 8 数据锁存器 引入几个概念： 1. 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。 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状态，否则会将芯片烧毁； 高阻态的概念在RS232和RS422通讯中还可以用到。 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是，无论Dn、LE为何，输出端为高阻态； 第三行：当OE＝0、LE＝0时，输出端保持不变；
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，在实际应用的时候是这样做的： a． OE＝0；
b． 先将数据从单片机的口线上输出到Dn； c． 再将LE从0->1->0
d． 这时，你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，单片机现在在忙着干别的事情，串行通信、扫描键盘......单片机的资源有限啊。 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，这些时序是由单片机来实现的。 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： mov P0,A ;将数据输出到并行数据端口 clr LE setb LE
clr LE ;上面三条指令完成LE的波形从0->1->0的变化
74ls573跟74LS373逻辑上完全一样，只不过是管脚定义不一样，数据输入和输出端各在一侧，PCB容易走线；所以大家都喜欢使用这个芯片。 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板卡上可以看到；
早期的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，有时是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系统的扩展中，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。 有兴趣的可以研究一下何立民的经典著作中的有关章节。 知道有这么一个芯片就可以了。
2.3 CD4000系列
CD4000系列的芯片，除了跟74系列的电气特性有所区别外，例如：
1) 电压范围宽，应该可以工作在3V～15V，输入阻抗高，驱动能力差外，跟74系列 的功能基本没有区别；
2) 输入时，1/2工作电压以下为0，1/2工作电压以上为1； 3) 输出时，1=工作电压；0=0V
4) 驱动能力奇差，在设计时最多只能带1个TTL负载； 5) 如果加上拉电阻的话，至少要100K电阻；
6) 唯一现在使用的可能就是计数器，CD4060的计数器可以到14级二进制串行计数/ 分频器，这个74系列的做不到这么高；
2.4 ULN2003/ULN2008
它的内部结构也是达林顿的，专门用来驱动继电器的芯片，甚至在芯片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。采用集电极开路输出，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，也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
光耦是做什么用的？光耦是用来隔离输入输出的，主要是隔离输入的信号。 在各种应用中，往往有一些远距离的开关量信号需要传送到控制器，如果直接将这些信号接到单片机的I/O上，有以下的问题：
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/ TLP521-4，分别是1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。
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 三极管
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 饱和导通=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； 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＝β（放大倍数）×Ibe 当Ice 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) 胆（左金右旦）电解电容 5) 涤纶电容等 电容的指标是：耐压值和电容容量。例如：220u/50V，就是说，这个电解电容耐压值为50V，容量为220u。 电容的容量跟电容的介质有关。 顾名思义： 电解