单片机原理与应用：C语言实践指导

在学习单片机的过程中，必须要强调动手的重要性。在动手制作单片机的过程中，我们会遇到各种各样的问题，比如如何选购元器件、如何使用工具、焊接的方法是什么等。本节将从搭建8051单片机的最小系统开始，带你步入学习制作单片机的旅程。

1.3.1 元器件布放基础

电子元器件应当有一个稳固的安放环境，这样才能保证设备的可靠运行。在电子管的时代，元器件安装在铁制的框架上，每一个电子管的下方有一个陶瓷的基座，各元器件之间使用导线进行连接。随着晶体管和集成电路时代的到来，元器件的安置方法有了很大的改变。在单片机学习时常用的基础电路板有面包板、万能板和PCB板（又称印刷电路极）。

1.面包板

面包板（万用线路板）由于板子上有很多小插孔，很像面包中的小孔，因此得名。面包板用于制作供测试用的临时电路。面包板不需要焊接，因此可以很容易地改变连接和更换元件，而且不会破坏元件，因此之后还可以重新利用这些元件。它分为单面包板、组合面包板和无焊面包板等。

1）常用面包板的结构

整板使用热固性酚醛树脂制造，板底有金属条，在板上对应位置打孔使得元件插入孔中时能够与金属条接触，从而达到导电目的。母板使用带铜箔导电层的玻璃纤维板，作用是把无焊面包板固定，并且引出电源接线柱。SYB-118型面包板的外观如图1-16所示。

图1-16 SYB-118型面包板

其中一组为4行59列，每一个纵列都是用字母来表示的，在每一个纵列中，A～E 5个孔是导通的，F～J 5个孔也是导通的，每条金属簧片上有5个插孔，因此插入这5个孔内的导线就被金属簧片连接在一起，簧片之间在电气上彼此绝缘。中间两行之间使用一个条形凹槽分隔开，这是为了方便安装集成电路而设计的。插孔间及簧片间的距离均与双列直插式（DIP）集成电路管脚的标准间距2.54 mm（0.1″）相同，因而适于插入各种数字集成电路，集成电路的引脚就分别插在凹槽两边的小孔上，如图1-17所示。

图1-17 面包板示意图

插座上下边各一排（即X和Y排），在电气上是分段相连的55个小孔，分别作为电源与地线插孔用。

2）布线用的工具

布线用的工具主要有剥线钳、偏口钳、扁嘴钳和镊子。偏口钳与扁嘴钳配合用来剪断导线和元器件的多余引脚。钳子刃面要锋利，将钳口合上，对着光检查时应合缝不漏光。

剥线钳用来剥离导线绝缘皮。

扁嘴钳用来弯直和理直导线，钳口要略带弧形，以免在勾绕时划伤导线。

镊子是用来夹住导线或元器件的引脚送入面包板指定位置的。

3）面包板的使用方法及注意事项

（1）安装分立元件时，应便于看到其极性和标志，将元件引脚理直后，在需要的地方折弯。为了防止裸露的引线短路，必须使用带套管的导线，一般不剪断元件引脚，以便于重复使用。一般不要插入引脚直径大于0.8 mm的元器件，以免破坏插座内部接触片的弹性。

（2）对多次使用过的集成电路的引脚，必须修理整齐，引脚不能弯曲，所有的引脚应稍向外偏，这样能使引角与插孔可靠接触。要根据电路图确定元器件在面包板上的排列方式，目的是走线方便。为了能够正确布线并便于查线，所有集成电路的插入方向要保持一致，不能为了临时走线方便或缩短导线长度而把集成电路倒插。

（3）根据信号流程的顺序，采用边安装边调试的方法。元器件安装完之后，先连接电源线和地线。为了查线方便，连线尽量采用不同颜色。例如，正电源一般采用红色，负电源采用蓝色，地线采用黑线，信号线采用黄色，也可根据条件选用其他颜色。

（4）面包板宜使用直径为0.6 mm左右的单股导线。根据导线的距离以及插孔的长度剪断导线，要求线头剪成45°斜口，线头剥离长度约为6 mm左右，要求全部插入底板以保证接触良好。裸线不宜露在外面，防止它与其他导线短路。

（5）连线要求紧贴在面包板上，以免碰撞弹出面包板，造成接触不良。必须使连线在集成电路周围通过，不允许跨接在集成电路上，也不得使导线互相重叠在一起，尽量做到横平竖直，这样有利于查线，更换元器件及连线。

（6）最好在各电源的输入端和地之间并联一个容量为几十微法的电容，这样可以减少瞬变过程中电流的影响。为了更好地抑制电源中的高频分量，应该在该电容两端再并联一个高频去耦电容，一般取0.01～0.047 µF的独石电容。

（7）在布线过程中，要求把各元器件放置在面包板上的相应位置以及所用的引脚号标在电路图上，保证调试和查找故障的顺利进行。

（8）所有的地线必须连接在一起，形成一个公共参考点。典型连接如图1-18所示。

图1-18 面包板典型连线示意图

面包板是专为电子电路的无焊接实验设计制造的，各种电子元器件可根据需要随意插拔，免去了焊接的麻烦，而且元件可以重复使用，所以非常适合初学者学习电子电路的组装、调试等使用。

2.万能板

1）认识万能板

万能板是一种按照标准IC（集成电路）间距（2.54 mm）布满焊盘的电路板，看起来整个板子上都是小洞，所以它也被称为“洞洞板”，如图1-19所示。它是可按自己的意愿插装元器件及连线的印制电路板。

图1-19 洞洞板

万能板有单孔和连孔两种，一般电路中元件的引脚常常需要连接很多根线，这时如果有多个焊孔连接在一起就要方便一些，所以连孔板更适合模拟、数字电路的安装和焊接。

连孔万能板中连接在同一条铜皮上的焊孔是等电位点（短路），如果电路原理图中两个器件的引脚连接在一起，在万能板焊装时就焊在连孔上。如果连孔不够多，可以用元件腿或者焊锡短接邻近的焊孔，以增加短路焊孔。

万能板的四周和中间往往有一些全部连接在一起的焊孔，这些焊孔一般用作电源焊孔和地线焊孔，便于各器件能够就近接地或者连接电源。注意，电源焊孔和地线焊孔任何时候都不能短路，否则电路不仅不能正常工作，还会损害电源和器件。

相比工厂专业制造的PCB，洞洞板具有成本低、使用方便、扩展灵活等特点，所以也称其为“万能电路板”或“实验板”，对于还处于研发阶段的产品，使用洞洞板搭建实验电路无疑是一个快速而有效的方法。

2）在万能板上布局元器件

在万能板上焊装的电路外形可能不能和电路原理图完全一样，但电气连接必须相同。在安装之前，必须先在万能板上布局元器件，以保证电路能够正常安装，连接线稳定可靠，焊装方便。布局遵循以下原则：

（1）元器件布局要合理，事先一定要规划好，不妨在纸上先画画，模拟一下走线的过程。

（2）走线要规整，边焊接边在原理图上做出标记。

（3）分步进行焊装，做好一部分就可以进行测试、调试，不要等到全部电路都制作完成后再测试，否则不利于调试和排错。

（4）注意焊接工艺。尤其是待焊引脚的镀锡处理。

（5）假如万能板的焊盘上面已经氧化，那么需要用水纱皮过水打磨，砂亮为止，吹干后，涂抹酒精松香溶液，晾干后待用。

（6）元器件引脚如果氧化，应用刀片等工具刮掉氧化层后，做镀锡处理待焊接。

（7）导线剥开后，绝缘层剥离长度要控制，以免焊接后容易和别的线短路。

图1-20是万能板布局和焊接的典型图片。

图1-20 万能板布局和焊接的典型图片

3）电源线和地线的安装调试

万能板电路要分步进行焊装，做好一部分就可以进行测试、调试。第一步要考虑的就是电源和地线。如图1-21所示，万能板上一般有长条连接在一起的焊孔，用作电源焊孔和地线非常方便。

图1-21 电源和地线的位置

考虑好电源和地线的位置后，就可以焊装外接电源插座和电源开关，如图1-22所示。

图1-22 电源线和地线焊装

焊好电源、开关、电源指示灯和地线后，立刻检查调试，确保电源正确，再开始后续电路安装。电源测试步骤：

（1）电源开关关闭，万用表打到电阻挡，测量GND和＋5 V接点之间电阻，应为开路或很大的电阻值。如果阻值很小或为0，则电源短路，切不可打开电源开关，必须仔细检查，排除错误。

（2）GND和＋5 V接点之间电阻正常时，打开电源开关，观察电源指示灯是否点亮，如果不亮，则应关电检查。

（3）当电源指示灯正常时，将万用表打到20 V电压挡，黑表笔接地线中某一焊孔，红表笔接电源线中某一焊孔，观察电压是否正常，图中应为5 V。

（4）黑表笔不动，红表笔依次测量各位置电源焊孔，观察各位置电源线是否正常，为后续电路接电源和接地打下基础。

4）单片机的安装调试

用DIP40的STC单片机，该单片机的脚距为2.54 mm，和万能板孔距完全吻合。如果采用多孔板，布局时要保证两排焊孔跨接在不同的铜条焊孔上，可以参考面包板的制作方法，不能有短路，如图1-23所示。

图1-23 单片机安装

注意旁边的小芯片AT24C04，上下两排管脚也要跨接在不同铜条上，保证垂直方向上管脚不会短路。

图1-24所示为单片机最小系统，只要31脚和40脚接电源，9脚的复位电阻和电容接好，20脚接地，18脚和19脚之间的晶体和振荡电容接好，单片机系统就可以正常工作了。为了能够测试单片机是否正常，可以在其中一个管脚接电阻和LED发光管，通过发光管的亮灭状态来测试电路硬件是否正常。

图1-24 单片机最小系统

若发光管能发亮，则说明单片机最小系统能正常工作，可以进行下一步的工作。

3.印制电路板（PCB）

PCB又称为印制电路板，是电子元器件安放和电气连接的提供者。早在1925年，美国的Charles Ducas在绝缘的基板上印制出线路图案，再以电镀的方式建立导体并作为电路的载体，随着电子工业批量化生产的要求，PCB也逐渐占据了主导地位。

PCB以绝缘板为基材，切割成一定尺寸，板上附有导电图形，并布有孔（如元件孔、紧固孔、金属化孔等），用来代替以往装置电子元器件的底盘，并且实现电子元器件之间的相互连接。由于板上的电路和符号是基于印刷术制作的，故被称为“印刷电路板”。PCB按照导电层的数量不同可以分为单层板、双层板、四层板、六层板等，双层PCB的外观如图1-25所示。

图1-25 双层PCB(www.chuimin.cn)

PCB通常由专业的工厂根据用户的设计文件制造而成，PCB的设计由专用的软件来完成，目前较为流行的PCB设计软件有Altium Designer和PowerPCB等，本教材使用的Proteus也能进行PCB设计，读者可以学习使用。

1.3.2 工具和材料

1.焊接的工具

焊接是电子试验和生产的必要环节，通过焊接，可以使元器件牢固地安置在PCB基板上并且实现电气的连通。产品的小型化和高可靠性需求促进了焊接工艺的不断进步，在传统的手工焊接基础上，发展出了如回流焊、波峰焊等众多先进的焊接工艺。在电路的实验阶段，只需要掌握好手工焊接的方法即可。

在开始焊接前，需要准备一些必要的工具和材料，如电烙铁、焊锡丝、助焊剂、电烙铁支架等。焊接工具的基本配置如图1-26所示。

图1-26 焊接的基本工具

1）电烙铁

电烙铁通过内部的电热丝加热焊头，将热量传递到需要焊接的金属接点处。电烙铁头部的温度可以达到370～425 °C，可以融化焊剂达到焊接的目的。在电子实验中，由于焊接的物件一般都比较小，所以我们一般选择功率在30～40W、头部是尖形的电烙铁，以方便轻小元器件的焊接。电烙铁的外观如图1-27所示。

图1-27 电子焊接用电烙铁

注意：加热后的电烙铁的温度足以使任何接触它的纸张、衣物或塑料点燃，在使用时务必注意人身安全并防止引发火灾。

2）焊锡丝

焊锡是锡和铅的混合物，混合比一般为68∶32。使用焊锡可以将元器件的引脚牢牢地固定在电路板上，并且能实现可靠的电气连接。为了方便使用，电子焊接使用的焊锡通常被制成丝状，中间包裹着助焊剂，助焊剂是一种能够在焊接过程中还原金属表面氧化物的一种化学物质，可以大大提高焊点的质量。在焊接元器件时，通常使用0.8～1.0 mm的焊锡丝。成品的焊锡丝有两种常见的包装，一种是缠绕在一个线轴上的，这种焊锡丝通常数量较多，适用于长期大量焊接作业；另一种是螺旋管状的，放置在一个小筒里，小筒一端开口以方便取用焊锡，这种包装的焊锡丝又称为锡笔，锡笔容纳的焊锡数量较少，适用于临时少量的焊接作业。不同包装的焊锡丝如图1-28所示。

图1-28 焊锡丝

3）助焊剂

助焊剂是一种在加热条件下具有还原作用的化学物质，可以将因高温而氧化的金属还原以利于焊接。早期在电子焊接中，常用松香作为助焊剂，但松香助焊剂在焊接后很难清洗，所以目前助焊剂大多使用合成的化学物质。除了焊锡丝的内芯包裹的助焊剂以外，还有单独的助焊剂，在难于焊接的结点或表面上涂上少许助焊剂再行焊接，往往会得到非常满意的焊接效果。电子焊接常用的助焊剂（焊油）外观如图1-29所示。

图1-29 助焊剂

助焊剂只能还原被氧化了的金属，如果焊接的部件很脏，污染物会阻止热量在金属表面的扩散，使焊点温度不够，因此在焊接前，需要对表面进行打磨，露出光亮的金属表面。通常，电子元器件的引脚已经做了助焊处理，一般不需要再次打磨就可以可靠地完成焊接。

注意：在焊接电子产品时，不可以使用具有酸性成分的助焊剂或酸性内芯的焊料，因为酸性助焊剂会随着时间的推移腐蚀电子元器件的引脚或PCB上的焊盘，从而破坏电气连接，给电子产品的可靠性带来隐患。

4）电烙铁支架

电烙铁工作时温度很高，可以轻而易举地引燃与之接触的纸张、衣物或者塑料，所以在使用的空闲时间，需要一个专用的架子来支撑和存放加热后的电烙铁。电烙铁支架的外观如图1-30所示。

图1-30 电烙铁支架

在焊接时，除了以上的几种必要的工具和材料外，也可以准备以下几种工具：

1）清洁海绵

在焊接的过程中，电烙铁头部会经常被氧化物覆盖，这些物质会在烙铁头部积聚成块，阻止热传递，影响焊接质量。在购买电烙铁支架时，通常里面会附带一小块海绵，这块海绵是清洁电烙铁的耐高温专用海绵。在使用前先用纯净水将海绵打湿，再用力将多余的水挤出，在焊接前，将电烙铁头部在海绵上轻轻摩擦几下，电烙铁头部就会变得光亮如新，这样的电烙铁头部是优质焊接的前提。电烙铁专用清洁海绵如图1-31所示。

图1-31 电烙铁专用清洁海绵

还有一种清洁电烙铁头部的方法是使用无水的黄铜海绵或黄铜丝球。黄铜是一种质地较软的金属，在清洁电烙铁头部时不会对其产生损伤，但目前很多电烙铁头部都具有复合的涂层，因此不建议使用黄铜类的清洁材料，更不能使用砂纸或锉刀一类的工具来打磨电烙铁头部表面。

2）吸锡线

如果在焊接处施加了过多的焊料，将其移除是一件让人非常头痛的事情。多余的焊料会造成相邻的引脚间的短路或影响焊点的美观，这时可以使用吸锡线来吸除多余的焊料。使用时将吸锡线与多余焊料及元器件引脚一起加热，并反复移动吸锡线，由于吸锡线对焊锡具有很好的亲和力，多余的焊锡就会转移到吸锡线上来。吸锡线的外观如图1-32所示。

图1-32 吸锡线

3）吸锡器

还有一种情况是当你想要从PCB上拆下一个已经焊好的元器件时，如果恰好该器件有多个引脚且都已经焊接在PCB上，用一把电烙铁很难将这些焊点同时加热，所以要想拆下这样的器件绝非易事。解决的办法是使用吸锡器，如图1-33所示。

图1-33 吸锡器

吸锡器的使用方法是先将吸锡器的活塞向下压至卡住，用电烙铁加热焊点至焊料熔化，移开电烙铁的同时，迅速将吸锡器嘴贴上焊点，并且按动吸锡器的吸锡按钮，这时吸锡器内部活塞会向上运动并在吸嘴处产生负压，熔化的焊锡会从吸嘴进入吸锡器内部，如果一次吸不干净，可以多次重复以上步骤，但要注意加热时间，防止元器件的损坏。

4）剥线钳

在焊接一些金属导线时，如何快速方便地除掉导线外的绝缘材料也是一件令人头痛的事情。但如果恰好有一把剥线钳效果就大不同了。剥线钳通常可以剥芯线直径为0.6～2.6 mm的单股或多股导线，并可以完成导线的切割或元器件的夹持作业。剥线钳的外观如图1-34所示。

图1-34 剥线钳

5）电子钳

直插类的元器件在焊接到电路板上后，会有多余的引脚留在PCB之外，既影响美观又可能会造成引脚短路，使用电子钳可以将引脚的多余部分剪掉。电子钳的外观如图1-35所示。

图1-35 电子钳

6）镊 子

电子元器件通常比较细小，在移动和焊接时需要有镊子的帮助才能可靠地夹持。用于电子焊接的镊子如图1-36所示。

图1-36 镊子

2.焊接的方法

焊接的技能常被电子维修师傅所津津乐道。的确，焊接既是一门学问，又是一项技能，更是一门艺术。手工焊接的质量要求是焊点光滑圆润，用锡量少，导电性好。好的焊接技术不仅能完成直插元器件的焊接，也能完成对于引脚排列紧密的集成电路（如SSOP封装）可靠的焊接。初次拿起电烙铁，也许不能马上可靠地焊接具有100个引脚的芯片，但掌握正确的方法是日后精进焊接技艺的前提。焊接的方法通常包括以下步骤：

（1）预热。标准的焊接过程应该从加热电烙铁开始，首先将电烙铁放置在烙铁架上，并确保电烙铁周围没有易燃或其他杂物。将电烙铁连接至电源，预热3～5 min，这时烙铁头的温度已经上升至足够融化焊锡的程度，就可以开始焊接。

（2）清理。烙铁头需要经常清理才能上锡，将预热后的烙铁头放到耐高温海绵上反复擦拭，使烙铁头表面看起来光亮如新，之后将清理后的烙铁头短暂地接触一下焊锡丝，使少量的焊锡丝融化并吸附在烙铁头上，用以保护烙铁头不被继续氧化。

（3）同步加热。用烙铁头接触元器件引脚和铜箔，使二者同步加热，再将焊锡丝接触烙铁头及加热后的引脚和铜箔，焊锡会立即融化并扩散到元器件的引脚和铜箔上，形成光亮平滑的焊点，这表明焊接已经成功完成。直插元器件焊接的方法如图1-37所示。

图1-37 直插元器件的焊接

在焊接贴片元器件时，可以先给元器件的一个焊盘上锡，用镊子夹持住元器件，使元器件的一个引脚接触已经上锡的焊盘，用电烙铁同时加热引脚和焊盘，当焊料熔化后即可完成这个引脚的焊接。之后再用电烙铁同时加热另外的引脚和与之对应的焊盘，并将焊锡丝接触二者，待焊料熔化并渗入引脚和焊盘之间即可完成焊接。贴片元器件的焊接方法如图1-38所示。

图1-38 贴片元器件的焊接

3.测量工具

电看不见也摸不着，有时我们需要分析问题或排除故障，就必须了解电路的工作状态，这时就必须得借助测量工具才行。电子实验常用的测量工具有万用表、逻辑笔和示波器等。

1）万用表

万用表是从事电子行业的基础测量工具，可以测量电压、电流、电阻及电容等。常用的万用表有两种，一种是指针式的，一种是数字式的，二者的测量原理一样，只是表示读数的方法不同。指针式万用表的表头为磁电系测量机构，测量值由表头指针指示读取，指针的指示不仅可以读取所测量的数值，而且通过指针的摆动情况，还可以对电路的情况做出定性的判断。数字式万用表采用液晶屏的显示方式，数值清晰直观，符合人们的读数习惯，其准确度也高于指针式万用表。数字式万用表的外观如图1-39所示。

图1-39 数字式万用表

数字万用表的功能非常强大，一般可以测量如直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、电阻、晶体管发射极电流放大系数、电容量、电感量、频率等诸多参数。在使用万用表测量时，双手分别握住万用表的红黑两个表笔，通常将黑表笔与测量的基准点（地）相接触，红表笔与被测点接触，这时所测量的值会在液晶屏上显示出来。

万用表在使用时首先要注意的是测量安全，不能用手接触表笔的金属部分，这样做既可以在测量高电压、大电流时保证人身安全，又可以保证测量的准确性；其次要注意的是选择合适的量程，测量前应当对所测量的种类和数值范围有一个大致的估算，并且将万用表的挡位提前置于合适的位置，并且要注意不能在测量的同时换挡，这一点尤其在测量高电压、大电流时更应该注意。在测量中途如需换挡，应先断开表笔，换挡后再测量。

2）逻辑笔

逻辑笔用于检测电路中数字电路的逻辑状态，即数字信号的0和1。逻辑笔通常采用不同颜色的指示灯来表示数字电平的高低，红灯一般表示高电平，绿灯一般表示低电平，黄灯表示所测信号为脉冲信号。目前市场上出售的逻辑笔也有用液晶屏替代LED指示的，其功能除了测量电路中的逻辑状态外，还能对电压、电流和电阻等进行测量，并将测量的结果显示在多功能显示屏上。

3）示波器

示波器是可以直观地显示电路中电信号特性的测量仪器。早期的示波器大多采用阴极射线管作为显示器件，在数字化盛行的今天，示波器这一传统的测量工具也已经数字化了，并且具有更高的带宽、更多的测量通道和更高的测量精度，是完成复杂电路设计和调试工作的利器。