2.1 需要准备哪些

2.1.1 综合素质

一个高水平的单片机系统设计师，需要“修炼”除单片机以外的多方面技能。如图2-2所示的是一个典型的单片机系统——电子血压计，测量时将一个密封的袖带套在上臂上，按下按钮启动血压测量后，单片机控制气泵工作，向袖带中打气从而增加其中的压力。当压力达到200mmHg（毫米汞柱，压力单位的一种）左右时即停止打气并缓慢放气，在气压下降的过程中，压力传感器实时监测袖带中的压力变化，通过ADC进行模数转换后送给单片机分析，从而计算出收缩压（高压）和舒张压（低压）。

以上描述的测量过程不理解也没有什么关系，我们只是用电子血压计展示一下单片机系统在日常生活中都有哪些应用。

如果我们接到研制一台类似如图2-2所示的电子血压计样机的项目，甲方承诺的报酬是5万元，周期为3个月。为了赚到这些钱，同时也为了学习单片机系统开发，我们揽下这个活。只有在赚钱和时间的双重压力下，学习才会更具效率。但是要把这台电子血压计样机设计出来我们需要具备的素质如下。

· 生理学、解剖学。毕竟这是一个与医疗设备有联系的项目，需要知道血压测量的原理是什么、从袖带中测量的压力信号的大致特点是什么。但是并不要求我们的生理学、解剖学知识达到临床医生的水平，而是通过相关的资料获得这一部分的知识即可，必要的时候与有相关经验的行家讨论，可以达到事半功倍的效果。

· 模拟电路、数字电路。模拟电路知识可以教会我们在设计图2-2所示的电子血压计时如何选择压力传感器、如何放大压力信号、如何控制气泵等问题。而数字电路是理解液晶屏、存储器、USB口等工作原理和设计方法的基础。更为全面的模拟、数字电路指导可以参考笔者的《电子设计从零开始》（第2版，清华大学出版社）。

· 单片机。显然，图2-2中各种外部设计都在单片机的控制下协调工作，形成系统功能。单片机如何控制外设、如何分析从压力传感器送来的压力信号等问题都有待在单片机的学习中得到答案。

· 电子工艺。学习和设计单片机系统并不能让一台电子血压计的样机从天上掉下来。把设计“投胎”成一台实际的样机，靠的是电子工艺。就这台电子血压计的样机来说，电子工艺涉及电路原理图设计与绘制、印制电路板设计与绘制、印制电路板的加工及焊装、机壳加工等。

· 系统调试。通过各种工艺把电路板制作出来后，第一次试机不太可能达到设计的要求。这就需要我们对试机时产生的参数、现象进行分析，进行相应的调整后再实验，直到系统的运行参数和功能达到客户的需求为止。

以上几个综合素质是一个高水平单片机设计师所必须具备的，看起来似乎我们欠缺的东西还很多，但是要知道《蒙娜丽莎》并不是达芬奇第一次作画时就完成的，恐怕他生平第一次画画不过是在纸上乱画的一些线条。但是如果没有这些线条，就不会有最后的成功。所以，也不能奢望图2-2所示的电子血压计会在几天之内设计出来，而要先潜心地研究一些“线条”。

边学边实践是快速掌握单片机的捷径。立志于设计单片机系统的朋友千万不要等到阅读完本书的全部内容再开始动手，而应该尽量跟随介绍利用Proteus仿真和使用单片机学习板（网上或电子市场有许多基于51单片机的学习板）进行实训体验，这样就可以自己设计一些简单的单片机系统了。

2.1.2 软件工具

今天无论是学习模拟、数字电路知识，还是单片机系统开发都与20世纪有了根本的变化，因为我们手上有了计算机和网络这两个强有力的伙伴。20世纪可能花一周时间到图书馆才能找到的一个知识点、一个参考电路，今天只要在网上就能轻松获得了。

除了利用计算机获得信息外，一些应用软件可以帮助我们绘制电路图、仿真电路、设计印制电路板图、开发单片机程序。这些应用软件在单片机系统开发中经常涉及。

就拿绘制电路图和设计印制电路板图来说，这是两个非常基本的技能。说了半天的单片机系统设计，有一半以上的功夫都会落在系统的电路设计和电路板的制作上。也就是说为了在3个月内赚到5万元，除了要把电子血压计的电路图设计出来，还要设计印制电路板，并焊装元器件进行调试。最后完成的电子血压计样机，连同系统电路图、印制电路板图、程序代码等都是项目的核心秘密，通常都会转交给甲方。

可以帮助设计电路图、印制电路板图的软件有很多，常用的如Altium Designer（Protel）、AutoCAD、PowerPCB等。这些软件并不比Office一类软件难到哪里去，只要我们知道设计的原理，它们不过是工具而已。由于篇幅有限，本书并不展开讲这些软件的使用方法，有兴趣的朋友可以参考专门介绍电路设计与仿真的参考书。

至于说开发单片机程序的软件，将在第4章中着重介绍。

2.1.3 硬件工具之一：面包板

面包板（breadboard）是一种最常用的电子实验工具，它和我们吃的面包绝对没有任何关系，而是元器件实现电气连接的载体。如图2-3（a）所示是一个定时电路，图（b）是根据这个电路在面包板搭出的实验电路。在面包板上根据电路图描述的电气连接关系插上了实际的元器件和导线，用实际的电子元器件和它们之间的连线实践了电路图。

接通电源，我们就可以在面包板上观察电路的现象是不是与设计的一致。利用面包板进行电路实验，以验证电路图设计的正确性，这在电子电路设计中经常用到。

图2-4（a）是一种常用的面包板（长175mm×宽53mm×厚10mm），如果要实验的器件非常多，一块面包板插不完，可以使用多块面包板并利用它们之间的扣相互挂扣在一起形成一个大面积的面包板（图2-4（b））。

面包板的表面有规则排列的供插装元器件的插孔，如图2-5所示，在面包板中间有一条中心分隔槽把它分成上、下两个部分。电路如果有集成电路，就把它跨在中心分隔槽上。集成电路的上排管脚插到上半部分插孔中，下排管脚插到下半部分插孔中，如图2-5所示的集成电路MCP23S08一样。

面包板上的插孔不是独立的，而是具有一定的电气连接：中心分隔槽把面包板分成上、下两部分，上半部分每列5个插孔之间是导通的，下半部分每列5个插孔之间也是导通的。而上、下部分插孔之间不导通。

另外，在面包板上、下边缘一般还各有两排用于接电源的电源正极排孔和电源负极排孔，每一排的插孔都是互相导通的。有的面包板电源排孔还会分成左、右两个部分，每个部分之间的排孔导通而与另一部分绝缘。

根据面包板自身的电气连接加上导线就可以实现器件与器件之间的电气连接。图2-5中，集成电路MCP23S08的第9管脚插到了某插孔中，由于同列插孔导通，所以在第9管脚同列插孔用一根导线（图中标有“①”的导线）连接到了面包板的电源负极排孔。这样，集成电路MCP23S08的第9管脚就实现了与电源负极相连。按照这种方法，可实现非常灵活的电气连接，从而形成功能电路。

面板上的插孔可以夹住元器件金属管脚，如图2-6所示，只要轻轻地把元器件的管脚推入插孔中即可。面包板的连接非常灵活，如图中的电阻1，它一支管脚插在电源正极排孔上，与电路的电源正极导通；另一支管脚插在下半部分的插孔中，而该插孔下方用一根导线跨接到第3列插孔中，而三极管1的e极插于同列插孔中，这样就实现了电阻1与三极管1的e极的电气连接。

用于插面包板的导线可以使用如图2-7所示的面包板专用跳线（breadboard jumper），这种跳线有不同长度和不同颜色。跳线两头是类似元器件管脚的金属针，具有一定的硬度，所以很容易就插到面包板的插孔中。跳线的使用很方便，在需要进行电气连接的地方用它跨接就可以了。如果没有这种跳线，也可以使用单股的硬芯导线实现连接，只不过要用剥线钳去掉导线两端的绝缘皮而把露出的导线芯插到插孔中。

无论是使用面包板跳线或导线，都要养成使用不同颜色跳（导）线来连接不同电路节点的良好习惯。比如红色一般用来连接电源正极节点；黑色则用来连接电源负极（或地）节点等。按照不同颜色来连接不同节点，可以在电路调试或排除故障时快速定位。

熟练使用面包板进行电路实验，可以使电路的验证及调试更具效率。由于器件和跳（导）线都是临时插在面包板插孔中的，可以很方便地更换器件或改动电气连接，所以在电路的验证和调试阶段常会用到面包板。

2.1.4 硬件工具之二：万用板和印制电路板

万用板（prototype board）是另一种接插元器件的实验工具（见图2-8（a）），它与面包板完全不同。使用时，元器件插在万用板的一面，元器件管脚穿过万用板上的过孔（见图2-8（b）），在万用板另一面使用电烙铁焊接管脚与万用板上的焊盘，然后焊接导线并通过导线实现元器件之间的电气连接。元器件一般都安装在万用板的同一面，导线可以焊接在万用板的任意一面（见图2-8（c））。

万用板上的元器件与导线都是通过焊接固定的，比面包板插元器件和导线来得牢固一些，但是如果要更换元器件或修改导线连接就不像面包板那么方便了。所以可视电路的制作需要选择使用万用板或面包板进行实验。

一般来说，如果只是暂时连接电路验证设计的正确性或常常需要对电路参数进行修改，使用面包板会方便一些；如果电路没有什么缺陷，就可以利用万用板焊接电路以便在样机测试中使用。

面包板和万用板一般只在电路设计、调试时使用，在成熟的电子产品中，电路的载体都是印制电路板（PCB），它是针对电路唯一设计出来的实现元器件焊装及电气连接的电路板。印制电路板是功能电路的最终表现形式，是电路设计的终极目标。

电路原理图在软件中设计出来后，可在同一软件中设计生成印制电路板图。把印制电路板图交给电路板生产厂家就可以把印制电路板加工出来。如图2-9所示为某电子产品的印制电路板，这个印制电路板现在还只是裸板，还没有任何元器件焊装在上面，只是在反面已经通过铜箔预先铺设好了该有的电气连接。而它的正面上印有与电路原理图对应的每一个元器件符号和序号，这样在进行焊装时方便把对应的电子元器件插进过孔并焊接在焊盘上，如图2-10所示大部分元器件已经焊装到印制电路板上，电子产品的电路板已经具备工作的基本条件了。

2.1.5 焊接工具

焊接实现了元器件管脚与焊盘之间的连接与固定，使用万用板实验或制作印制电路板时都离不开焊接。焊接看似简单，但却是电路板制作非常关键的一步，因为焊接质量的好坏直接影响了电路的稳定性。焊接涉及如图2-11所示的常用工具，它们在焊接过程中的作用如下。

· 电烙铁（soldering iron）。焊接主要利用电烙铁发热，把焊锡丝熔化在管脚与焊盘之间，所以电烙铁是焊接必不可少的工具。电烙铁一般使用220V AC供电，通电几秒至几分钟后电烙铁头的温度就可达到焊锡丝的熔化温度（300℃～400℃）。电烙铁有不同的功率，一般可选用15W～40W。注意在使用时一定要接好电烙铁的地线，否则很有可能因漏电而击穿元器件或使人触电。电烙铁通电后烙铁头（金属部分）温度很高，注意不要被烫伤。如果条件许可，还可以选用如图2-12所示的温控电烙铁台，它包括一个电烙铁、温控器、电烙铁架。这种设备可以精确控制电烙铁温度以提高焊接质量，同时保护一些对温度敏感的元器件在焊接中不会被烫坏。

· 电烙铁架（soldering iron stand）。电烙铁通电后温度较高，需要放置在专门的电烙铁架上才不会意外滚落，否则极易导致烫伤或火灾。如果电烙铁长时间不使用或操作人员离开时应当关闭电源，以免发生意外。在电烙铁架的底座上还有一块专门用于擦拭电烙铁头的清洗海绵（sponge pad，图2-11），在焊接过程中，电烙铁头常常会因氧化等原因产生“锅巴”而无法上锡继续焊接，这时可将电烙铁头在浸过水的清洗海绵上轻轻擦拭即可。

· 焊锡丝（cored solder）。焊锡丝是一种导体，是焊接的主要耗材。电烙铁对焊锡丝加热至熔化，当焊锡丝凝固后就会把元器件管脚与焊盘之间焊接起来，在固定的同时实现电气连接。焊锡丝中间已经混合有松香（助焊），所以使用起来非常方便。

· 偏口钳（side-cutter）。用于截断元器件管脚或剪导线，也可用来代替剥线钳去掉导线外的绝缘皮。

· 尖嘴钳（long-nose pliers）。主要用于折弯元器件的管脚。

· 吸锡器（solder sucker）。如果焊接有误或其他原因需要把已经焊接好的元器件从电路板上拔下来，可一边用电烙铁加热焊点使焊锡熔化，同时用吸锡器把熔化的锡吸走。多次重复吸锡过程一般就可以使元器件的管脚与焊盘脱离。

· 镊子（tweezers）。在焊接时可以夹住元器件，也可以用于取拿个头较小的元器件。

2.1.6 焊接方法

准备好上述焊接工具后，就可以开始焊接器件了。从电子市场或网上购买回来的各种元器件，首先使用万用表对质量进行检测，以确保电路制作的成功率。然后按照先小后大的原则，把元器件逐一焊装到万用板或印制电路板上。

焊装元器件只有两个步骤：第一，插元器件入过孔；第二，焊接元器件管脚与焊盘。

除表面贴型外，元器件都有针状的金属管脚，如图2-13所示。所有元器件的管脚在焊接前最好用小刀或什锦锉将其表面的氧化层刮净，防止在焊接时发生虚焊。之后把元器件的管脚折弯使之能插入印制电路板上对应的过孔中，在管脚穿出一侧有焊盘。一般需要使元器件与印制电路板尽量紧贴。

有时受空间等限制，元器件不能像图2-13那样“躺着”焊装，而改用图2-14所示的“站立”式焊装方法。元器件的一个管脚折弯至与另一管脚平行，两个管脚都垂直于印制电路板，插入过孔后焊接。一般在元器件与印制电路板之间留出0.5～3mm的间隙。

焊接时，从个头较小的电阻、瓷介电容等元器件开始（元器件会随后逐步展开介绍）。把元器件插入印制电路板的过孔，并从另一侧伸出。左手拇指和食指捏着焊锡丝，右手拿电烙铁（左撇子可反过来），先在电烙铁头上轻轻蹭一点焊锡以便更好的导热。接着把电烙铁头贴到管脚和焊盘之间，如图2-15所示，等焊盘上的温度升高之后，一般会看到铜黄色的焊盘表面产生微小的泡泡，这时再把焊锡丝推到焊盘上。由于焊盘温度已经可以把焊锡丝熔化，所以焊锡丝很快熔化在管脚和焊盘之间，当焊点形成一个较为圆滑、饱满的锡点后立即把焊锡丝拿走，然后是电烙铁头。不一会，焊锡冷却而形成一个焊点。

最后用偏口钳把过长的管脚剪去。注意先把大量焊锡丝熔化在电烙铁头上再蹭到焊盘上是不正确的。

标准的焊点应该圆润而光滑，如图2-16所示。而如果焊点呈豆腐渣样或在焊点表面出现蜂窝状小坑都是虚焊的表现，这说明焊点之下的元器件管脚和焊盘有可能根本没有焊接上，这在焊接过程中是要绝对避免的。其他的问题，如焊锡过少或过多、出现毛刺等问题可通过多练习以积累控制焊锡量和焊接手法的经验来解决。

除了元器件与印制电路板之间的焊接外，常常还需要焊接两根导线或把导线焊接到接插件上。有一点需要注意，就是先在焊接双方的管脚或线头上上锡。也就是说先用电烙铁加热一方需要焊接的部位，接着用焊锡丝往上蹭一些锡。对焊接另一方也这样先上锡，这样一来，双方焊接部位在对接之前已经挂上了焊锡，接着把焊接部位贴在一起，用电烙铁加热，两者焊锡熔化即焊接在一起，冷却后就实现了电气连接。 bal+KS+Zl3UBvdhiU/8J+ZBZQ1kBVuwKzkhVvBQD+JTwLGVb6mk8bzd5dwCvUv4G