第壹部分：硬件知識
壹、 數字信號
1、 TTL和帶緩沖的TTL信號
2、 RS232和定義
3、 RS485/422（平衡信號）
4、 幹接點信號
二、 模擬信號視頻
1、 非平衡信號
2、 平衡信號
三、 芯片
1、 封裝
2、 7407
3、 7404
4、 7400
5、 74LS573
6、 ULN2003
7、 74LS244
8、 74LS240
9、 74LS245
10、 74LS138/238
11、 CPLD(EPM7128)
12、 1161
13、 max691
14、 max485/75176
15、 mc1489
16、 mc1488
17、 ICL232/max232
18、 89C51
四、 分立器件
1、 封裝
2、 電阻：功耗和容值
3、 電容
1) 獨石電容
2) 瓷片電容
3) 電解電容
4、 電感
5、 電源轉換模塊
6、 接線端子
7、 LED發光管
8、 8字（***陽和***陰）
9、 三極管2N5551
10、 蜂鳴器
五、 單片機最小系統
1、 單片機
2、 看門狗和上電復位電路
3、 晶振和瓷片電容
六、 串行接口芯片
1、 eeprom
2、 串行I/O接口芯片
3、 串行AD、DA
4、 串行LED驅動、max7129
七、 電源設計
1、 開關電源：器件的選擇
2、 線性電源：
1) 變壓器
2) 橋
3) 電解電容
3、 電源的保護
1) 橋的保護
2) 單二極管保護
八、 維修
1、 電源
2、 看門狗
3、 信號
九、 設計思路
1、 電源：電壓和電流
2、 接口：串口、開關量輸入、開關量輸出
3、 開關量信號輸出調理
1) TTL―>繼電器
2) TTL―>繼電器（反向邏輯）
3) TTL―>固態繼電器
4) TTL―>LED（8字）
5) 繼電器―>繼電器
6) 繼電器―>固態繼電器
4、 開關量信號輸入調理
1) 幹接點―>光耦
2) TTL―>光耦
5、 CPU處理能力的考慮
6、 成為產品的考慮：
1) 電路板外形：大小尺寸、異形、連接器、空間體積
2) 電路板模塊化設計
3) 成本分析
4) 器件的冗余度
1. 電阻的功耗
2. 電容的耐壓值等
5) 機箱
6) 電源的選擇
7) 模塊化設計
8) 成本核算
1. 如何計算電路板的成本？
2. 如何降低成本？選用功能滿足價格便宜的器件
十、 思考題
1、 如何檢測和指示RS422信號
2、 如何檢測和指示RS232信號
3、 設計壹個4位8字的顯示板
1) 電源：DC12
2) 接口：RS232
3) 4位3”8字（連在壹起）
4) 亮度檢測
5) 二級調光
4、 設計壹個33位1”8字的顯示板
1) 電源：DC5V
2) 接口：RS232
3) 3排 11位8字，分4個、3個、4個3組，帶行與行之間帶間隔
4) 單片機最小系統
5) 譯碼邏輯
6) 顯示驅動和驅動器件
5、 設計壹個PCL725和MOXA C168P的接口板
1) 電源：DC5V
2) 接口：PCL725/MOXA 8個RS232
1. PCL725，直立DB37，孔
2. MOXA C168P，DB62彎
3) 開關量輸出信號調理：6個固態繼電器和8個繼電器，可以被任何壹路信號控制和驅動，接口：固態繼電器5.08直立，繼電器3.81直立
4) 開關量輸入調理：幹接點閉合為1或0可選，接口：3.81直立
5) RS232調理：
1. LED指示
2. 前4路RS232全信號，後4路只需要TX、RX、0
3. 無需光電隔離
4. 接口形式：DB9（針）直立
第二部分：軟件知識
壹、 匯編語言
二、 C51
該部分可以從市場上買到的N種開發板上學到，至於第壹部分，需要人來帶吧。
為什麽要掌握這些知識？
實際上，電子工程師就是將壹堆器件搭在壹起，註入思想（程序），完成原來的這
些器件分離時無法完成的功能，做成壹個成品。所需要的技能越高、功能越復雜、
成本越低、市場上對相應的東東的需求越大，就越成功。這就是電子工程師的自身
的價值。從成本到產品售出，之間的差價就是企業的追求。作為企業的老板，是在
市場上去尋找這樣的應用；對電子工程師而言，是將老板提出的需求或者應用按照
壹定的構思原則（成本最低、可靠性最高、電路板最小、功能最強大等）在最短的
時間內完成。最短的時間，跟電子工程師的熟練程度、工作效率和工作時間直接有
關。這就是電子工程師的價值。
將電子產品抽象成壹個硬件的模型，大約有以下組成：
1) 輸入
2) 處理核心
3) 輸出
輸入基本上有以下的可能：
1) 鍵盤
2) 串行接口（RS232/485/can bus/以太網/USB）
3) 開關量（TTL，電流環路，幹接點）
4) 模擬量（4~20ma、 0~10ma、0~5V（平衡和非平衡信號））
輸出基本上有以下組成：
1) 串行接口（RS232/485/can bus/以太網/USB）
2) 開關量（TTL、電流環路、幹接點、功率驅動）
3) 模擬量（4~20ma， 0~10ma，0~5V（平衡和非平衡信號））
4) LED顯示：發光管、八字
5) 液晶顯示器
6) 蜂鳴器
處理核心主要有：
1) 8位單片機，主要就是51系列
2) 32位arm單片機，主要有atmel和三星系列
51系列單片機現在看來，只能做壹些簡單的應用，說白了，這個芯片也就是做單壹
的壹件事情，做多了，不如使用arm來做；還可以在arm上加壹個操作系統，程序既
可靠又容易編寫。
最近三星的arm受到追捧，價格便宜，以太網和USB的接口也有，周立功的開發系統
也便宜，作為學習ARM的產品來說，應該是最好的；作為工業級的控制，是不是合
適，在網友中有不同的看法和爭議。本公司使用atmel ARM91系列開發的1個室外使
用的產品，在北京室外使用，沒有任何的通風和加熱的措施，從去年的5月份到現
在，運行情況良好。已經有個成功應用的案例。
但對於初學者來說，應該從51著手，壹方面，51還是入門級的芯片，作為初學者練
手還是比較好的，可以將以上的概念走壹遍；很多特殊的單片機也是在51的核的基
礎上增加了壹些I/O和A/D、D/A；也為今後學習更高壹級的單片機和ARM打下基礎。
再說了，哪個老板會將ARM級別的開發放在連51也沒有學過的新手手中？
在51上面去做復雜的並行擴展是沒有必要的，比如，擴展I/O口和A/D、D/A等等，
可以直接買帶有A/D、D/A的單片機；或者直接使用ARM，它的I/O口線口多。可以使
用I2C接口的芯片，擴展I/O口和A/D、D/A，以及SPI接口擴展LED顯示，例如：
MAX7219等芯片。
市面上壹些比較古老的書籍中還有壹些並行擴展的例子，如：RAM、EPROM、A/D、
D/A等，我覺得已經沒有必要去看了，知道歷史上有這些壹回事就行了；
這些知識，是所有產品都具備的要素。所以要學，再具體應用。
說壹個小的故事：野人獻曝。
從前，有壹個農民，冬天幹了活後，休息曬太陽。好舒服呀。
他想，這麽舒服的享受，我要獻給國王，讓他也能得到享受。
於是他興沖沖地到了王宮，將他的寶貴經驗獻給了國王。
我現在就象這個農民，把自己認為很寶貴的經驗獻給大家。希望大家多提寶貴意見
；拍板磚也可以，罵我也無所謂，呵呵，隨便。
第壹課：51單片機最小系統
實際上，51單片機核心外圍電路是很簡單的，壹個單片機＋壹個看門狗＋壹個晶振
＋2個磁片電容；
1. 單片機：atmel的89C51系列、winbond的78E52系列，還有philips的系列，都差
不多；現在有壹些有ISP（在線下載的），就更好用了；
2. 看門狗：種類很多，我常用的有max691/ca1161和DS1832等，具體看個人習慣、
芯片工作電壓、封裝等。Max系列和DS系列，還有IMP公司的，種類很多，壹般只需
要有最基本的功能就可以了；原來我使用max691，但是max691比較貴，因為它有電
池切換功能，後來新設計電路板，就都采用ca1161了。
很早以前的電路設計中，現在可能還有人使用，使用壹個電阻和壹個電容達成的上
電復位電路；但是，這樣的復位電路壹個是不可靠，為什麽不可靠，網絡上能找得
到專門論述復位電路的文章；更重要的是，51系列的單片機比較容易受到幹擾；沒
有看門狗電路是不行的，當程序跑飛時，回不來了，死在那裏。
常規的做法是買壹個專門的看門狗電路，完成復位電路和看門狗電路的功能。
這些芯片的資料很容易在網絡上找到，通常使用百度搜索就可以了；看見有PDF的
字樣，就點擊下載；使用網際快車flashget下載也是最好的；
這些資料通常是pdf格式的文件，所以，還需要壹個pdf的閱讀器。
百度網址：.com/soft/879.html
PDF閱讀器下載網址：/download.htm
實際上，有了百度和其它的搜索引擎，很方便下載到這些芯片的資料，比光盤還方
便，不需要去到處找。
單片機和單片機抗幹擾能力是不壹樣的。如果妳的產品是工作在幹擾比較大的環境
，可以試試選用不同品牌的單片機；原來我在壹個光電所，做YAG激光治療機的控
制部分，脈沖激光機的電源放電的時候，能量是很大的，在采取了所有能夠想到的
光電隔離等措施之後，還是不行；後來，選用了intel的8031，就可以了。小聲的
說：當時的philips的單片機抗幹擾性能是最差的，可能跟Philips主要是用在民用
領域有關。現在不知道怎麽樣了，有人知道的話告訴我。
單片機的輸入輸出口線是最容易引進幹擾的地方；在嚴重幹擾的情況下，需要將所
有的口線光電隔離。
3. 晶振：壹般選用11.0592M，因為可以準確地得到9600波特率和19200波特率；也
可以使用36.864M，這個頻率是1.8432M的20倍，看別人的電路板上用過，我也沒有
用到。這2種晶振很容易買到，價錢跟12M的壹樣。書上說，12M的晶振也能得到
9600的波特率，但是，實際用的時候，會每隔壹段時間就出錯壹次，好像累積誤差
壹樣，比較奇怪。
即使妳的單片機系統不使用RS232接口，也可以做壹個Rs232，留著做測試，或者預
留等等，沒有壞處。除非妳的單片機系統的口線不夠用了。
4. 磁片電容：22pf～30pf，可以在有些書上找到什麽晶振頻率對應什麽容量的磁
片電容，但是，我都是隨便拿來使用，反正在11.0592M下，都沒有問題；如果妳用
到了更高的頻率，最好還是找找資料看看。
參見以下電路圖：
如果妳的單片機系統沒有工作，檢查步驟如下：
1. 查看門狗的復位輸出，可能的話在電路板上加壹個LED，下拉，這樣看起來就更
方便；要是看門狗復位信號有，往下；
2. 查單片機，看看管腳有沒有問題；壹般編程器能夠將程序寫入，說明單片機是
好的；最好手頭上準備壹個驗證過的單片機，內部有壹個簡單的程序，比如，在某
個口線上輸出1個1秒占空比的方波等，可以使用萬用表測量。
加壹句：設計產品時，要在關鍵的地方：電源、串口、看門狗的輸出和輸入、I/O
口等加不同顏色的LED指示，便於調試；作為批量大的產品，可以去掉部分LED，壹
方面是降低成本、壹方面是流程保密；
3. 再查磁片電容，有些瓷片電容質量不行，幹脆換了；順便說壹下，換器件最好
使用吸錫帶，將焊盤內的錫吸幹凈，再將器件拔出，這樣不會損傷焊盤內的過孔；
再將新的瓷片電容焊接上去的時候，用萬用表量量是好的再焊；
4. 最後只有換晶振了；切記要買好的晶振，有些品牌質量比較好。
5. 以上按照以上步驟檢測時，將無關的外圍芯片去掉；因為有壹些是外圍器件的
故障導致單片機最小系統沒有工作。
第二課 基本的芯片和分立器件
2.1 簡述
2.2 74系列
2.3 CD4000系列
2.4 光耦與光電管
2.5 三極管
2.6 電容電阻
2.7 固態繼電器
2.8 繼電器
2.9 變壓器和三端穩壓器
2.10 開關電源芯片
2.11 封裝知識、芯片批號等
2.12 接插件
2.13 器件選購的知識
第三課 數字量的輸入輸出
第四課 單片機的通訊接口
第五課 單片機系統設計的硬件構思
第六課 單片機程序的框架（匯編版本）
第七課 模擬量的輸入輸出
……
各位多提寶貴意見。
保證實用。如果程序裏面有壹些例程，也是已經經過測試可以拿來就用的；實際上
是我早年的壹些產品的程序的壹部分；不好意思，都是匯編的。
寫的時間只有周末會多壹些，可以保證做到壹周壹課；盡量能夠提前，但是這要看
看工作忙不忙了。
坊間有壹些參考書，準備今天上午到北京中發市場轉了壹圈，我記得以下參考書目
較好：
1. 周航慈：《單片機程序設計》
2. 徐涵芳：《MCS-51單片機結構與設計》
3. 何立民：《......》
有了這些就基本夠用了；其它的很多都是資料的翻譯；如果英文不好，可以看看；
英文好的話，可以不必了，省電錢買開發系統和編程器、開發板什麽的，需要什麽
資料直接下載PDF文件好了。
要想成為電子工程師，需要寬帶，在家裏安裝包月的adsl或者長寬，絕對值得。
實際上，網絡上什麽都有了，就是壹個網絡數據庫，要好好利用。
網上自有黃金屋，網上自有顏如玉……
第二課 基本的芯片和分立器件
2.1 簡述
有必要對以下系列的芯片和分立器件進行介紹。
除了單片機作為控制器的核心外，作為壹個產品，由很多東西構成；所以，在講系
統之前，先將這些零零碎碎的東西壹並交待。就好像壹棟房子，有各種各樣的構件
組成，下面的這些東東就像磚瓦壹樣，沒有不行。
2.2 74系列芯片
74系列的芯片的下載地址：
/TTLDATASHEET.htm
.tw/asp/class36_40.htm
/download/digitpdf/74xx/default.htm
74系列的芯片是古老的壹族，大部分的芯片現在均已不用了，但是，實際上，在目
前的系統中，還能看到壹些芯片，有些芯片現在還在系統中使用，例如：
1、 7404 – 6個反相門
下載地址：
/document/detail.asp?pdid=125533
將輸入的TTL邏輯反相，如：0->1，1->0
2、 7407 – 6個集電極開路門
下載地址：
/document/detail.asp?pdid=125518
由於集電極開路門可以外接高電壓，可以最高到DC30V，電流最大到39mA，通常我
用它驅動8字數碼管和繼電器等大電流的負載；開路門內部結構是達林頓管的，輸
出的邏輯是正的；
與其類似的芯片是7406，只不過是反相開路門。
3、 74LS573與74LS373 – 8 數據鎖存器
74LS373下載地址：
/document/detail.asp?pdid=129171
74LS573下載地址：
/download/digitpdf/74xx/74F244.pdf
數據輸出能力比較強，輸出電流可以到40mA以上；
4個緩沖器分成2組，具有高阻態控制端口
5、 74LS245 – 總線緩沖器
/download/digitpdf/74xx/74F245.pdf
雙向數據接口，通常在ISA板卡上可以看到；
早期的51系統中，為了擴展RAM、eprom、A/D、D/A、I/O等經常可以看到這個片子
；
為了增強驅動能力，有時是為了隔離輸入和輸出，主要是布線方便，象74LS573壹
樣，輸入、輸出在壹側，經常用到這個片子
6、 74LS138 – 三－八譯碼器
/download/digitpdf/74xx/74F138.pdf
在早期的51系統的擴展中，作為地址選通的片子，可以經常看到。
另外壹個類似的芯片是74LS154，是4-16譯碼器，現在更是少見了。
有興趣的可以研究壹下何立民的經典著作中的有關章節。
知道有這麽壹個芯片就可以了。
2.3 CD4000系列
CD4000系列的芯片，除了跟74系列的電氣特性有所區別外，例如：
1) 電壓範圍寬，應該可以工作在3V～15V，輸入阻抗高，驅動能力差外，跟74系列
的功能基本沒有區別；
2) 輸入時，1/2工作電壓以下為0，1/2工作電壓以上為1；
3) 輸出時，1=工作電壓；0=0V
4) 驅動能力奇差，在設計時最多只能帶1個TTL負載；
5) 如果加上拉電阻的話，至少要100K電阻；
6) 唯壹現在使用的可能就是計數器，CD4060的計數器可以到14級二進制串行計數/
分頻器，這個74系列的做不到這麽高；
下載地址：
.tw/asp/class36_40.htm
.tw/pdf_file/CD4060.PDF
2.4 ULN2003/ULN2008
它的內部結構也是達林頓的，專門用來驅動繼電器的芯片，甚至在芯片內部做了壹
個消線圈反電動勢的二極管。ULN2003的輸出端允許通過IC 電流200mA，飽和壓降
VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V。用戶輸出口的外接負載可根據以上參數估算
。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可以直接驅動繼電器或固體繼電器(SSR)
等外接控制器件，也可直接驅動低壓燈泡。
經常在工控的板卡中見到這個芯片。
有個完全壹樣的型號：MC1413，不過現在好像不怎麽見到這個型號了，但是管腳與
2003完全兼容。
ULN2003可以驅動7個繼電器；ULN2008驅動8個繼電器。
ULN2003下載地址：
/document/detail.asp?pdid=148212
ULN2008下載地址：
沒有找到。奇怪啊。
2.5 光耦
光耦是做什麽用的？光耦是用來隔離輸入輸出的，主要是隔離輸入的信號。
在各種應用中，往往有壹些遠距離的開關量信號需要傳送到控制器，如果直接將這
些信號接到單片機的I/O上，有以下的問題：
1) 信號不匹配，輸入的信號可能是交流信號、高壓信號、按鍵等幹接點信號；
2) 比較長的連接線路容易引進幹擾、雷擊、感應電等，不經過隔離不可靠
所以，需要光耦進行隔離，接入單片機系統。
常見的光耦有：
1) TLP521-1/ TLP521-2/ TLP521-4，分別是1個光耦、2個光耦和4個光耦，HP公司
和***的東芝公司生產。
下載地址：
.tw/pdf_file/TLP521-1-2,4.PDF
發光管的工作電流要在10mA時，具有較高的轉換速率；
在5V工作時，上拉電阻不小於5K，壹般是10K；太小容易損壞光耦；
2) 4N25/4N35，motorola公司生產
下載地址：
.tw/pdf_file/4N25-8,35-7,H11A1-5.PDF
隔離電壓高達5000V；
3) 6N136，HP公司生產
下載地址：
.tw/pdf_file/6N135-6.PDF
要想打開6N136，需要比較大的電流，大概在15~20mA左右，才能發揮高速傳輸數據
的作用。
如果對速率要求不高，其實TLP521－1也可以用，實際傳輸速率可以到19200波特率
。
選擇光耦看使用場合，tlp521-1是最常用的，也便宜，大概0.7~1元；
要求隔離電壓高的，選用4N25/4N35，大概在3元左右；
要求在通訊中高速傳輸數據的，選用6N136，大概在4元左右。
光耦應用的原理框圖如下所示：
1. 輸入幹接點隔離
2. 輸入TTL電平隔離
3. 輸入交流信號隔離
4. 輸出RS232信號隔離
5. 輸出RS422信號隔離
光耦除了隔離數字量外，還可以用來隔離模擬量。將在今後的章節中描述。
2.6 三極管
2.7 光電管
2.8 電容
2.9 電阻
2.10 固態繼電器
2.11 繼電器
2.12 變壓器與整流橋
2.13 三端穩壓器
2.14 開關電源芯片
2.15 封裝知識、芯片批號等
2.16 接插件
2.17 器件選購的知識
2.6 三極管
2.6.1 三極管的4種工作狀態
1) 飽和導通狀態
飽和導通=0
2) 截止狀態
飽和導通=1
3) 線性放大狀態
作為低頻放大器時使用，具體的可參見有關電子線路的書籍；
4) 非線性工作狀態
在無線電通信系統中，作為混頻器等使用。具體的可參見有關電子線路的書籍；
愚記得南京工學院也就是現在的東南大學在80年代初期有壹套《電子線路》5本，
是電子專業的書籍，比較難懂；現在，即使是在電子專業的學生中，也應該降低了
對三極管的哪些復雜的參數的要求了吧；在實際使用時，即使是模擬電路、非線性
電路，也都是集成電路了，誰還使用三極管自己做呢？如果萬壹需要，現學也來得
及。這套書很強的。編寫人在那個年代肯定都是牛人。
學三極管這些參數很繁瑣的，要是現在的非電子類的大學生或者大專生們還學這些
玩意，我只能說是學校在誤人子弟了。
好多學校都在擴招，很多學生念了4年下來，學了壹堆過時的理論，跟實際的東西
壹點沒有接軌，不知道7407是幹什麽用得，不知道三極管的幾個狀態；我只能無話
可說。
所以，念了4年下來，跟企業的需求還有壹段距離，還需要從頭來過；聰明的學生
趕緊抓住機會去學習，去實習，這樣，還可以趕緊補上實際應用的這壹課。
言歸正傳。
參見下圖：
當單片機的口線輸出電平為1時，三極管的be結導通，ce結導通，輸出的電壓值為
0V；
當單片機的口線輸出電平為0時，三極管的be結不導通，ce結截止，輸出的電壓值
為5V；
在這種數字電路的應用中，相當於三極管是壹個反相開路門。
計算是否導通，公式如下：
I＝B（放大倍數，希臘字母的貝塔）×Ibe
當Ice<I時，即為飽和導通；
相差越大，飽和程度越深，Vce越小，三極管的輸出內阻越小；
這個概念要用到光電管中。
設計使用時大概算算，心裏有個數；在電路板上試試，行的通，那就是它了。可以
測量Vce值，至少要小於0.1V就可以了。
常用的PNP三極管是2N5551，驅動40mA的LED（電壓在24V）、蜂鳴器等均沒有問題
。
2.6.2 三極管的具體應用
實際上，已經有象7407、ULN2003可以取代三極管在數字電路中的作用；但是，有
時是受到PCB面積的制約，有時是為了降低成本，有時是因為布局方便，在1~2個輸
出點時，還是可以使用三極管來做驅動的。
例如：驅動壹個蜂鳴器；往往系統中的蜂鳴器跟其它驅動設備，繼電器等，距離較
遠；這時，沒有必要使用壹片7407，或者ULN2003來驅動；驅動的接口如下：
Re:從51初學者到電子工程師（轉帖）
2.7 光電管
我這裏所謂的光電管有2種：
1) 反射型光電管
2) 對射型光電管
這2種產品在市場上又可分為調理好的和沒有調理好的；
這2種光電管在電子產品世界和電子技術應用雜誌上都有大量的廣告。隨便找壹本
都有。
我所說的調理好的指的是內部已經加了限流電阻和輸出的放大驅動電路了。它的特
點是只有3根線，電源2根，輸出信號壹根，TTL電平的；但是，有時受到某種限制
，需要使用沒有調理好的，怎麽辦呢？
參見下圖：光電管原理框圖
這種沒有調理好的光電管在使用時，需要做壹塊小的電路板，在發光管加限流電