第3章

硬件基础知识学习




第3章视频

通过第2章的学习，我们貌似成功地点亮了一个LED小灯，但是有一些知识大家还没彻底搞明白。单片机是根据硬件电路图的设计来编写代码的，所以不仅仅要学习编程知识，还要学习基本的硬件知识，本章就来穿插介绍电路硬件知识。

3.1电磁干扰
首先介绍一下去耦电容的应用背景，这个背景就是电磁干扰，也就是传说中的EMI(Electromagnetic Interference)。
(1) 冬天的时候，尤其是空气比较干燥的内陆城市，很多朋友都有这样的经历，手触碰到计算机外壳、铁柜子等物品的时候会被电击，这就是“静电放电”现象，也称之为ESD。
(2) 不知道你有没有这样的经历，早期使用电钻这种电机设备，并且同时在听收音机或者看电视的时候，收音机或者电视会出现杂音，这就是“快速瞬间群脉冲”的效果，也称之为EFT。
(3) 以前的老计算机，有的性能不是很好，带电热插拔优盘、移动硬盘等外围设备的时候，内部会产生一个百万分之一秒的电源切换，直接导致计算机出现蓝屏或者重启现象，就是热插拔的“浪涌”效果，称之为Surge。
电磁干扰的内容有很多，这里不能一一列举，但是有些内容非常重要，后边要一点点地了解。这些问题大家不要认为是小问题，比如一个简单的静电放电，用手能感觉到的静电，可能已经达到3kV以上了，如果用眼睛能看得到的，至少是5kV了，只是因为这个电压虽然很高，能量却非常小，持续的时间非常短，因此不会对人体造成伤害。但是应用这些半导体元器件就不一样了，一旦瞬间电压过高，就有可能造成器件的损坏。即使不损坏，在(2)、(3)里边介绍的两种现象，也已经严重干扰到设备的正常使用了。
基于以上的这些问题，就诞生了电磁兼容(EMC)这个名词。本章仅仅讲一下去耦电容的应用，电磁兼容的处理在今后设计电路，对PCB画板布局中应用尤为重要。
3.2去耦电容的应用
首先来看图31，前面已经见过USB接口和供电电路。


图31USB接口和供电电路


在图31(a)，过了保险丝以后，接了一个470μF的电容C16，在图31(b)中，经过开关后，接了一个100μF的电容C19，并且并联了一个0.1μF的电容C10。其中C16和C19起到的作用是一样的，C10的作用和它们两个不一样，先来介绍这两个大一点的电容。
容值比较大的电容，理论上可以理解成水缸或者水池子，同时，大家可以直接把电流理解成水流，其实大自然万物的原理都是类似的。
(1) 缓冲作用。当上电的瞬间，电流从电源处流下来的时候，不稳定，容易冲击电子器件，加个电容可以起到缓冲作用。就如同直接用水龙头的水浇地，容易冲坏花花草草。只需要在水龙头处加个水池，让水经过水池后再缓慢流进草地，就不会冲坏花草，起到有效的保护作用。
(2) 稳定作用。电路中后级电子器件的功率大小都不一样，而器件正常工作的时候，所需电流的大小也不是一成不变的。比如后级有个器件还没有工作的时候，电流消耗是100mA，突然它参与工作了，电流猛的增大到了150mA，这个时候如果没有一个水缸，电路中的电压(水位)就会直接突然下降，比如5V电压突然降低到3V了。而系统中有些电子元器件，必须高于一定的电压才能正常工作，

图32铝电解电容

电压太低就直接不工作了，这个时候水缸就必不可少了。电容会在这个时候把存储在里边的电量释放一下，稳定电压，当然，随后前级的电流会及时把水缸充满的。
有了这个电容，可以说电压和电流就会很稳定了，不会产生大的波动。这种电容常用的有如图32~图34所示。



图33钽电容




图34陶瓷电容

这三种电容是最常用的。其中第一种个头大，占空间大，单位容量价格最便宜，第二种和第三种个头小，占空间小，性能一般也略好于第一种，但是价格也贵不少。当然，除了价格，还有一些特殊参数，在通信要求高的场合也要考虑很多，这里暂且不说。板子上现在用的是第一种，在同样的符合条件的耐压值和容值下，第一种470μF的电容不到一角钱，而第二种和第三种可能要一元钱左右了。
电容的选取，第一个参数是耐压值的考虑。我们用的是5V系统，电容的耐压值要高于5V，一般推荐1.5倍到2倍即可，有些场合稍微再高点也可以。我们板子上用的是10V耐压的。第二个参数是电容容值，这个就需要根据经验来选取了，选取的时候，要看这个电容起作用的整套系统的功率消耗情况，如果系统耗电较大，波动可能比较大，那么容值就要选大一些，反之可以小一些。
刚开始设计电路也是要模仿别人，别人用多大自己也用多大，慢慢积累。比如上边讲电容作用(2)的时候，电流从100mA突然增大到150mA的时候，其实即使加上这个电容，电压也会轻微波动，比如从5V波动到4.9V，但是只要板子上的器件在电压4.9V以上也可以正常工作，这点波动是被容许的，如果不加或者加的很小，电压波动比较大，有些器件的工作就会不正常了。如果加的太大，占空间并且价格也高，所以这个地方电容的选取多参考经验。
再来看图31中的另一种电容C10，它容值较小，是0.1μF，也就是100nF，是用来滤除高频信号干扰的。比如ESD、EFT等。初中学过电容的特性——可以通交流隔直流，但是电容的参数对不同频率段的干扰的作用是不一样的。这个100nF的电容，是前辈们根据干扰的频率段、板子的参数、电容本身的参数所总结出来的一个值。也就是说，以后大家在设计数字电路的时候，在电源处的去耦高频电容，直接用这个0.1μF就可以了，不需要再去计算和考量太多。
还有一点，大家可以仔细观察KST51开发板，在电路中需要较大电流供给的器件附近，会加一个大电容，比如在1602液晶左上角的C18，靠近单片机的VCC以及1602液晶背光的VCC，起到稳定电压的作用，而图31中的C19的实际位置也是放在了在左上角电机和蜂鸣器附近，因为它们所需的电流都比较大，而且工作时电流的波动也很大。还有在所有的IC器件的VCC和GND之间，都会放一个0.1μF的高频去耦电容，特别在布板的时候，这个0.1μF电容要尽可能的靠近IC，尽量很顺利地与这个IC的VCC和GND连到一起，这个大家先了解，细节以后再讨论。
3.3三极管在数字电路中的应用
三极管在数字电路和模拟电路中都有大量的应用，在KST51开发板上也用了多个三极管。在板子上的LED小灯部分，就有这个三极管的应用了，图35的LED电路中的 Q16就是一个PNP型的三极管。


图35LED电路


3.3.1三极管的初步认识
三极管是一种很常用的控制和驱动器件，常用的三极管根据材料分有硅管和锗管两种，原理相同，压降略有不同，硅管用的较普遍，而锗管应用较少，本书就用硅管的参数来进行讲解。三极管有两种类型，分别是PNP型和NPN型，如图36所示。

图36三极管示意图



三极管一共有3个极，从图36来看，横向左侧的引脚叫作基极(base)，中间有一个箭头，一头连接基极，另外一头连接的是发射极e(emitter)，那剩下的一个引脚就是集电极c(collector)了。这是必须记住的内容，死记硬背即可，后边慢慢用得多了，每死记硬背一次，多次以后就会深入脑海了。
3.3.2三极管的原理
三极管有截止、放大、饱和三种工作状态。放大状态主要应用于模拟电路中，且用法和计算方法也比较复杂，暂时用不到。而数字电路主要使用的是三极管的开关特性，只用到了截止与饱和两种状态，所以只来讲解这两种用法。三极管的类型和用法作者给大家总结了一句口诀，大家要把这句口诀记牢了： 箭头朝内PNP，导通电压顺箭头过，电压导通，电流控制。
下面来一句一句解析口诀。大家可以看图36，三极管有两种类型，箭头朝内就是PNP，那箭头朝外的自然就是NPN了，在实际应用中，要根据实际电路的需求来选择到底用哪种类型，大家多用几次也就会了，很简单。

图37三极管的用法

三极管的用法特点，关键点在于b极(基极)和e级(发射极)之间的电压情况，对于PNP而言，e极电压只要高于b级0.7V以上，这个三极管e级和c级之间就可以顺利导通。也就是说，控制端在b和e之间，被控制端是e和c之间。同理，NPN型三极管的导通电压是b极比e极高0.7V，总之是箭头的始端比末端高0.7V就可以导通三极管的e极和c极。这就是关于“导通电压顺箭头过，电压导通”的解释。

以图37为例，三极管基极通过一个10kΩ的电阻接到了单片机的一个I/O口上，假定是P1.0，发射极直接接到5V的电源上，集电极接了一个LED小灯，并且串联了一个1kΩ的限流电阻最终接到了电源负极GND上。
如果P1.0由程序给一个高电平1，那么基极b和发射极e都是5V，也就是说e到b不会产生一个0.7V的压降，这个时候，发射极和集电极也就不会导通，那么竖着看这个电路在三极管处是断开的，没有电流通过，LED2小灯也就不会亮。如果程序给P1.0一个低电平0，这时e极还是5V，于是e和b之间产生了压差，三极管e和b之间也就导通了，三极管e和b之间大概有0.7V的压降，那还有(5-0.7)V的电压会在电阻R47上。这个时候，e和c之间也会导通了，那么LED小灯本身有2V的压降，三极管本身e和c之间大概有0.2V的压降，忽略不计。那么在R41上就会有大概3V的压降，可以计算出来，这条支路的电流大概是3mA，可以成功点亮LED。
最后一个概念，电流控制。前边讲过，三极管有截止、放大、饱和三个状态，截止就不用说了，只要e和b之间不导通即可。要让这个三极管处于饱和状态，就是所谓的开关特性，必须满足一个条件。三极管都有一个放大倍数β，要想处于饱和状态，b极电流就必须大于e和c之间电流值除以β。这个β对于常用的三极管大概可以认为是100。那么上边的R47的阻值必须要计算一下了。
刚才算过了，e和c之间的电流是3mA，那么b极电流最小就是3mA除以100等于30μA，大概有4.3V电压会落在基极电阻上，那么基极电阻最大值就是4.3V/30μA=143kΩ。电阻值只要比这个值小就可以，当然也不能太小，太小会导致单片机的I/O口电流过大烧坏三极管或者单片机，STC89C52的I/O口输入电流最大理论值是25mA，推荐不要超过6mA，用电压和电流算一下就可以算出最小电阻值，图37取的是经验值。
3.3.3三极管的应用
三极管在数字电路里的开关特性，最常见的应用有两个： 一个是控制应用，另一个是驱动应用。所谓的控制就是图37里边介绍的，可以通过单片机控制三极管的基极来间接控制后边的小灯的亮灭，用法大家基本熟悉了。还有一个控制就是进行不同电压之间的转换控制，比如单片机是5V系统，它现在要跟一个12V的系统对接，如果I/O直接接12V电压就会烧坏单片机，所以加一个三极管，三极管的工作电压高于单片机的I/O口电压，用5V的I/O口来控制12V的电路，如图38所示。
图38中，当I/O口输出高电平5V时，三极管导通，OUT输出低电平0V，当I/O口输出低电平时，三极管截止，OUT则由于上拉电阻R2的作用而输出12V的高电平，这样就实现了低电压控制高电压的工作原理。
所谓的驱动，主要是指电流输出能力。再来看如图39所示中两个电路之间的对比。


图38三极管实现电压转换





图39LED小灯控制方式对比


图39中上边的LED灯，和前面讲过的LED灯是一样的，当I/O口是高电平时，小灯熄灭，当I/O口是低电平时，小灯点亮。那么下边的电路呢，按照这种推理，I/O口是高电平的时候，应该有电流流过并且点亮小灯，但实际上却并非这么简单。
单片机主要是个控制器件，具备四两拨千斤的特点。就如同杠杆必须有一个支点一样，想要撑起整个地球必须有力量承受的支点。单片机的I/O口可以输出一个高电平，但是它的输出电流却很有限，普通I/O口输出高电平的时候，大概只有几十到几百μA的电流，达不到1mA，也就

图310三极管驱动LED小灯

点不亮这个LED小灯或者是亮度很低，这时如果用高电平点亮LED，就可以用上三极管来处理了，板上的这种三极管型号，可以通过500mA的电流，有的三极管通过的电流还更大一些，如图310所示。

图310中，当I/O口是高电平，三极管导通，因为三极管的电流放大作用，c极电流就可以达到mA以上了，就可以成功点亮LED小灯。
虽然用I/O口的低电平可以直接点亮LED，但是单片机的I/O口作为低电平，输入电流就可以很大吗？这个大家都能猜出来，当然不可以。单片机的I/O口电流承受能力，不同型号不完全一样，就STC89C52来说，官方手册的81页有对电气特性的介绍，整个单片机的工作电流，不要超过50mA，单个I/O口总电流不要超过6mA。即使一些增强型51的I/O口承受电流大一点，可以到25mA，但是还要受到总电流50mA的限制。下面来看电路图的8个LED小灯这部分电路，如图311所示。


图311LED电路图(一)


这里要学会看电路图的一个知识点，电路图右侧所有的LED下侧的线最终都连到一根黑色的粗线上去了，大家注意，这个地方不是实际的完全连到一起，而是一种总线的画法，画了这种线以后，表示这是个总线结构。而所有的名字一样的节点是一一对应地连接到一起，其他名字不一样的，是不连在一起的。比如左侧

图312LED电路图(二)

的DB0和右侧的最右边的LED2小灯下边的DB0是连在一起的，而和DB1等其他线不是连在一起的。
把图311中现在需要讲解的这部分单独摘出来看，如图312所示。

现在通过312的电路图来计算一下，5V的电压减去LED本身的压降，减掉三极管e和c之间的压降，限流电阻用的是330Ω，那么每条支路的电流大概是8mA，那么8路LED如果全部同时点亮的话电流总和就是64mA。这样如果直接接到单片机的I/O口，那单片机肯定是承受不了的，即使短时间可以承受，长时间工作就会不稳定，甚至导致单片机烧毁。
有的用户会提出来可以加大限流电阻的方式来降低这个电流。比如改到1kΩ，那么电流不到3mA，8路总的电流就是20mA左右。首先，降低电流会导致LED小灯亮度变暗，小灯的亮度可能关系还不大，但因为同样的电路接了数码管，后边要讲数码管还要动态显示，如果数码管亮度不够，那视觉效果就会很差，所以降低电流的方法并不可取。其次，对于单片机来说，它主要是起到控制作用，电流输入和输出的能力相对较弱，P0的8个口总电流也有一定限制，所以如果接一两个LED小灯观察，可以勉强直接用单片机的I/O口来接，但是接多个小灯，从实际工程的角度去考虑，就不推荐直接接I/O口了。如果要用单片机控制多个LED小灯该怎么办呢？
除了三极管之外，其实还有一些驱动IC，这些驱动IC可以作为单片机的缓冲器，仅仅是电流驱动缓冲，不起到任何逻辑控制的效果，比如板子上用的74HC245这个芯片，这个芯片在逻辑上起不到什么别的作用，就是当作电流缓冲器的，通过查看其数据手册，74HC245稳定工作在70mA电流是没有问题的，比单片机的8个I/O口大多了，所以可以把它接在小灯和I/O口之间做缓冲，如图313所示。


图31374HC245功能图


从图313来分析，其中VCC和GND就不用多说了，细心的读者会发现这里有个0.1μF的去耦电容。
74HC245是个双向缓冲器，1引脚DIR是方向引脚，当这个引脚接高电平的时候，右侧所有的B编号的电压都等于左侧A编号对应的电压。比如A1是高电平，那么B1就是高电平，A2是低电平，B2就是低电平等。如果DIR引脚接低电平，得到的效果是左侧A编号的电压都会等于右侧B编号对应的电压。因为这个地方控制端是左侧接的是P0口，要求B等于A的状态，所以1脚直接接的5V电源，即高电平。图313中还有一排电阻R10到R17是上拉电阻，这个电阻的用法将在后边介绍。
还有最后一个使能引脚19引脚OE，叫作输出使能，这个引脚上边有一横，表明是低电平有效，当接了低电平后，74HC245就会按照刚才上边说的起到双向缓冲器的作用，如果OE接了高电平，那么无论DIR怎么接，A和B的引脚是没有关系的，也就是74HC245功能不能实现出来。
从图314可以看出来，单片机的P0口和74HC245的A端是直接接起来的。这个地方，有个别读者有疑问，就是明明在电源VCC那地方加了一个三极管驱动了，为何还要再加245驱动芯片呢？这里大家要理解一个道理，电路上从正极经过器件到地，首先必须有电流才能正常工作，电路中任何一个位置断开，都不会有电流，器件也就不会参与工作了。其次，和水流一个道理，从电源正极到负极的电流水管的粗细都要满足要求，任何一个位置的管子过细，都会出现瓶颈效应，电流在整个通路中细管处会受到限制而降低，所以在电路通路的每个位置上，都要保证通道足够畅通，这个74HC245的作用就是消除单片机I/O这一环节的瓶颈。


图314单片机与74HC245的连接


3.474HC138三八译码器的应用
在设计单片机电路的时候，单片机的I/O口数量是有限的，有时满足不了设计需求，比如STC89C52一共有32个I/O口，但是为了控制更多的器件，就要使用一些外围的数字芯片，这种数字芯片由简单的输入逻辑来控制输出逻辑，比如74HC138这个三八译码器，图315是74HC138在原理图上的一个应用。


图31574HC138应用原理图


从这个名字来分析，三八译码器就是把3种输入状态翻译成8种输出状态。从图315所示能看出来的，74HC138有1~6一共是6个输入引脚，但是其中4、5、6这三个引脚是使能引脚。使能引脚和前边讲74HC245的OE引脚是一样的，这三个引脚如果不符合规定的输入要求，Y0到Y7不管输入的1、2、3引脚是什么电平状态，总是高电平。所以要想让这个74HC138正常工作，ENLED那个输入位置必须输入低电平，ADDR3位置必须输入高电平，这两个位置都是使能控制端口。不知道大家是否记得在前面的程序有这么两句： 

ENLED = 0； ADDR3 = 1； 
就是控制使这个74HC138使能的。
这类逻辑芯片，大多都是有使能引脚的，使能符合要求了，那下面就要研究控制逻辑了。对于数字器件的引脚，如果一个引脚输入的时候，有0和1两种状态； 对于两个引脚输入的时候，就会有00、01、10、11这四种状态了，那么对于3个输入的时候，就会出现8种状态了，大家可以看下边的这个真值表(见图316)，其中输入是A2、A1、A0的顺序，输出是从Y0，Y1，…，Y7的顺序。


图31674HC138真值表


从图316可以看出，任一输入状态下，只有一个输出引脚是低电平，其他的引脚都是高电平。在前面的电路中已经看到，8个LED小灯的总开关三极管Q16基极的控制端是LEDS6，也就是Y6输出一个低电平的时候，可以开通三极管Q16，从右侧的希望输出的结果，可以推导出A2、A1、A0的输入状态应该是110，如图317所示。
那么再整体捋一遍点亮LED小灯的过程，首先看74HC138，要让LEDS6为低电平才能导通三极管Q16，所以

ENLED = 0;ADDR3 = 1;
保证74HC138使能。然后

ADDR2 = 1; ADDR1 = 1; ADDR0 = 0;

这样保证了三极管Q16这个开关开通，5V电源加到LED上。
而74HC245左侧是通过P0口控制，让P0.0引脚等于0，就是DB_0等于0，而右侧DB0等于DB_0的状态，也是0，那么这样在这一排共8个LED小灯当中，只有最右侧的小灯和5V之间有压差，有压差就会有电流通过，有电流通过LED2就会发光了。








图317LED小灯整体电路图



74HC245左侧可以看出来，是直接接到P0口上的，而74HC138的ADDR0~ADDR3接在何处呢？来看图318。


图318显示译码与步进电机的选择跳线


跳线是大家以后经常会接触到的一个器件，它就是2根或者3根靠在一起的排针，然后可以用一个叫作跳线帽的东西连接其相邻的2根针。

图319跳线实物图

它的作用就是起到导线的作用，可以通过跳线帽来实现连接线的切换，如图319所示。

从图中可以看出，跳线帽本身可以占两个针的位置，现在是把右侧和中间的针连到了一起，这样实现的就是图318中的P1.0和ADDR0连接到一起，P1.1和ADDR1接一起，P1.2和ADDR2接一起，P1.3和ADDR3接一起，这样就可以透彻理解前面的程序了。
好了，大家认真再回顾一下前面的那个程序，再领悟一下这几个数字器件的用法。
3.5LED闪烁程序
点亮LED小灯的程序就是让LED=0。熄灭小灯的程序也很简单，就是LED=1。点亮和熄灭都会了，那么如果在亮和灭中间加个延时，反复不停地点亮和熄灭小灯，就成了闪烁了。
首先复习一下Keil写程序的过程，建立工程→保存工程→建立文件→添加文件到工程→编写程序→编译→下载程序。
LED闪烁程序对于有C基础的读者来说很简单，那先写出来，大家可以先看下。没有C语言基础的读者也可以跟着抄一遍，下面会补充部分C语言基础知识，这样先抄一遍，再跟着看C语言基础知识也比较容易理解透彻。



#include<reg52.h>



sbit LED = P0^0;

sbit ADDR0 = P1^0;

sbit ADDR1 = P1^1;

sbit ADDR2 = P1^2;

sbit ADDR3 = P1^3;

sbit ENLED = P1^4;






void main()//void即函数类型

{

//以下为声明语句部分

unsigned int i = 0;//定义一个无符号整型变量i，并赋初值0



//以下为执行语句部分

ENLED = 0; //U3、U4两片74HC138总使能

ADDR3 = 1; //使能U3使之正常输出

ADDR2 = 1; //经U3的Y6输出开启三极管Q16

ADDR1 = 1;

ADDR0 = 0;

while (1)

{

LED = 0; //点亮小灯

for (i=0; i<30000; i++);//延时一段时间

LED = 1; //熄灭小灯

for (i=0; i<30000; i++);//延时一段时间

}

}



大家把这个程序编译一下，下载到单片机里，就会发现LED2这个小灯会闪烁了。
3.6练习题
1. 深刻理解电容的意义，并且在今后的学习电路过程中要多多注意并且参考别人电路中所用到的去耦电路，积累经验。
2. 完全背过三极管的导通原理，并且熟练掌握NPN和PNP这两种三极管在开关特性下的应用方法。
3. 学习并且掌握74HC245和74HC138的应用原理，能够在设计电路中正确应用。
4. 能够独立实现点亮开发板上的每一个小灯，并且可以实现小灯点亮和关闭以及闪烁功能。