51单片机入门 - 自己动手搭建实验板

前面介绍了几种准备实验板的方案。这里先介绍方案一，我将同大家一起搭建一块简易的单片机实验板，一起感受动手实践的乐趣。

我们有两种自己搭建实验板的方案，一是用面包板，二是用万用焊板。本篇我们介绍面包板搭建电路。

面包板和面包板线

面包板是一种用于电路实验的器材，上面有很多孔，我们可以将元器件和导线插进去，组成我们需要的电路。如果发现电路有错，拔下元件和导线重新插接即可。电路做完后，所有元件还可以拔下来再次使用。

面包板搭建电路简单易行，节省时间和材料。但是缺点在于，面包板只能搭建一些比较简单的电路，而且是对电气连接要求不高的电路。如果电路太复杂，面包板上全是各种导线，出现某些导线或元件松动的情况，不容易找到；有些电路对电气连接要求比较高，比如要通过很大电流，微弱信号处理，高频电路等，由于元件是简单的插进去的，与面包板之间的电阻值较大等原因，效果就不理想了。

下图展示了面包板线和一种常用的面包板。面包板线可以用粗细合适的普通硬导线，也可以使用图中所示的专用线，会更方便。

图中的面包板，外侧标有红线和蓝线的整个竖排是分别连在一起的，一般用于接电源。中间每一横排五个孔分别连在一起的，用于插接各种元件。

准备材料

下面转入正题，搭建简易单片机实验板。前面介绍了单片机最小系统电路是单片机正常运行的最小电路，这里我们就要从最小系统开始搭建。需要准备如下工具材料：

• 面包板，面包板线、导线、杜邦线若干

• DIP40封装的STC89C52RC单片机（STC89C5x均可）

• 11.0592MHz晶振、30pF电容两个（用于时钟电路）

• 10uF电容、10k电阻（用于复位电路）

• USB-TTL下载线（用于程序烧写，后面文章会详细介绍）

• 六脚自锁开关（作为电源开关，可以省略，而使用插拔导线的方式代替）

图中的元件用于复位电路和时钟电路。上面是10k色环电阻，具体读法请自行学习；然后是10uF点解电容，电解电容有正负极，图中表皮上标有白色箭头的管脚为负极，如果是如图所示全新的电解电容，正极的引脚更长；下面左边是两个瓷片电容，没找到30pF我用比较接近的27pF代替，具体容量读法也请自行学习；右下角是晶振，正面标注了11.0592，即晶振的频率为11.0592MHz。

搭建好的电路

图中是搭建好的最小系统，两根白线用来把两侧的正负极连接到一起。

USB-TTL转接板和程序下载电路

一端公头（插针），一端母头（插孔）的杜邦线

USB-TTL转接板正面

USB-TTL转接板反面（连接了杜邦线母头）

杜邦线

杜邦线母头连接了USB-TTL转接板（以下简称转接板），杜邦线的公头插在面包板上和单片机最小系统相连接：

• 转接板上5V连接面包板的电源（我的转接板上有5V和3.3V两个供电电压，有的转接板只有一个VCC，那就接VCC）

• GND连接面包板负极，即单片机的GND。VCC和GND两根线可以给单片机供电

• 转接板上的TXD连接单片机的RXD（P3.0）、RXD连接单片机的TXD（P3.1）（可参考之前介绍的51单片机管脚分布图），这两根线是用来进行串口通信和下载程序的，后面会详细介绍。

图中我已经连接好了电路，并且在P1.0上接了一个LED和电阻，用电脑下载了LED闪烁的程序。可以看到照片中绿色LED正处于点亮的状态。

这一篇我们继续上篇的话题，讲解自己搭建电路的另一种方法：用万用焊板搭建电路。在此之前，先普及几点基础知识。

电路板

首先我们了解下电路板。前面介绍了面包板可以搭建电路，但是在实际制作出来的电子设备中，我们用的通常都是电路板。电路板主要用于固定元器件，对元器件之间进行可靠的连接。

电路板基板常用不易燃烧的玻璃纤维、酚醛树脂、电木等材料制作。电路连接使用附着在其表面的铜皮实现，相当于导线；元件的管脚通过熔化并凝固的金属与铜皮之间连接。这里用到的金属通常是焊锡，这个连接元件和电路板的过程称为焊接。电路板上与元件管脚进行连接的那部分铜皮称为焊盘，在焊接之前都是暴漏在外面的；而那些不是焊盘的铜皮，在工业化生产的电路板上，通常会提前涂上绝缘漆，以免氧化，同时也方便了焊接（因为焊接的时候，熔化的焊锡很容易黏在铜皮上，涂上绝缘漆就不会黏在上面，这样焊锡就只在焊盘上有）。

单层电路板只有一面有覆铜，双面板两面都有，简单电路用单层或者双层就已经能满足要求了。而对于一些复杂电路，可能要用到更多层的电路板，在电路板内部还有铜层，比如电脑和手机的主板通常就有很多层。

之前有介绍直插式和贴片式元件封装。直插式封装的器件，需要在电路板上打孔，电路板的一面有铜皮焊盘，而元件管脚从另一面插进去，并通过焊锡和焊盘连接。而贴片式器件，不需要打孔，焊盘在电路板一面，元件也放在这一面，和焊盘对准直接用焊锡连接。

图中最上面那几个管脚很密的是贴片元件，其他的是直插元件，图中红色的地方是涂了绝缘漆的覆铜，右侧XIN和XOUT字符左边还有几个没有焊接的焊盘。

PCB

电路板按照通用性来分，有两种，一种是专用于一种电路的印刷电路板（PCB = Printed circuit board），另一种是通用的万用焊板。

批量生产的电子产品，通常都是用PCB实现的。PCB首先由电脑软件设计好，然后通过一定的工艺，批量生产出来，电路板上的铜皮被加工成特性的形状（就像是打印机打印上去的图案一样），并且在设计好的地方打好孔。然后这种的PCB直接就行元件的焊接装配就好了，焊接装配也可以用流水线让机器人自动完成，大大提高的生产效率。

PCB设计图

做好的PCB

万用焊板

实际上我们自己制作一些简单电路，用的更多的是万用焊板。万用焊板也叫洞洞板，是一种通用电路板，万用焊板也可以算是一种特殊的PCB。和面包板有点像，万用焊板上面有很多孔，可以用来插接元器件，然后根据需要组成各种不同的电路。不同的是，万用焊板是用焊接进行连接的，工作会稳定可靠很多，但是相比起来制作会麻烦一点。万用焊板上通常规则的分布了很多焊盘，并且焊盘之间相互独立没有连接，或者每几个焊盘按规则连接在一起（具体使用时要注意这一点）。万用焊板常用导线或焊锡对元件之间进行连接。

玻纤材质的单面单孔万用板（有覆铜的反面）

电木材质单面单孔万用板（有覆铜的反面）

电木材质单面单孔万用板（无覆铜的正面）

万用板作品，万用板正面可以用导线连接电路

万用板作品，万用板反面用焊锡或导线进行电路连接，同时可以焊接一些贴片元件

自制PCB

因为万用焊板做电路总是要用导线和焊锡自己进行连接，焊接起来会比较麻烦，万用焊板也有局限性（比如一些贴片器件不好焊上去）。有必要我们也可以自制PCB，或者设计好PCB请工厂帮忙加工制造出来。整体过程相对复杂，尤其设计PCB比较费时间，但是一旦设计好了制作一块电路板很快，所以适合批量制作。常用的一种制作PCB的方法是热转印法，大家可以在网上找找，我的博客里也有相关的文章。

自制PCB做的USB声卡，正面是直插元件

自制PCB做的USB声卡，反面是覆铜和贴片元件

面包板和电路板

通常面包板用于进行电路的实验，实验完成确定电路可以工作了，然后用电路板做成成品。如果大家看过乔布斯传，就可以了解到，当初设计第一代苹果电脑的时候，负责电路设计的人是沃兹，而乔布斯就是负责帮助沃兹组装面包板的。面包板搭建的电路验证通过后，就可以实际制作电路板了。

焊接

焊接是通过高温等方式，熔化并连接金属或塑料等热塑性材料的过程。焊接有很多种，这里我们说到的是铅焊。铅焊通过熔化导电的焊锡，将电路元件与电路板进行连接。

手工焊接通常使用的是含铅焊锡，主要成分为铅和锡，锡是一种熔点较低的金属，而掺入铅形成合金之后，熔点变得更低，且熔化后容易与铜等金属紧密结合。一般含有约40%的重金属铅，另外焊锡丝中间一般灌有松香等助焊剂（可以让焊锡附着性更强，同时让焊点表面光滑）。虽然也有无铅焊锡，但是通常无铅焊锡中含有银等贵重金属，价格昂贵，且手工焊接效果不太好。

焊锡中的工业松香主要是用于油漆、造纸、橡胶制造等。本身对人体毒性不大，但是因为常常含有铅等重金属和有毒化合物，以及氧化后产生的过氧化物会影响人体健康。

含铅焊锡在加热的时候，部分松香会挥发成蒸汽，同时也有少量铅升华，成为铅蒸汽；这两种物质均有微量毒性。因此，焊接的时候注意尽量减少吸入这些气体，加强通风。焊接完应及时洗手。

不过也不用太担心，微毒且微量，不会有很大危害。但是为了身体健康，还是要注意通风，尽量减少吸入。

具体的焊接操作技巧可参考网上的资料，这里不做介绍。

布线

画好的电路图和实际搭建的电路，在电路连接上来看是一致的，但是在具体器件排列等方面却是不一样的。

电路图的绘制原则就是尽可能简洁易读，所以接地都用接地符号，而电源都用VCC符号，并标注电压或另作说明，并不一定全部画的连到一起。集成电路管脚顺序有时候也是乱的，比如下图电子表电路用的就是AT89C52单片机，但管脚并没有按照实际单片机管脚顺序排列。

于是对照电路图进行实际电路的制作时，我们就需要给电路布线。对于PCB设计来说，最主要的任务就是布线。

布线原本是个很复杂的问题。导线是有电阻的，对于一些大电流电路来说，有电阻就会使得电压在导线上损耗掉，还可能导致导线过热烧坏；对于微弱电流的电路（比如心电图采集）来说，外面很小的干扰就会对电路造成影响；而对于高频率的电路来说，元器件上还会有电磁场产生，可能会互相干扰。用过收音机或者老式天线电视机的同学可以发现，有时人走近天线就有可能对接收的广播信号质量产生影响，这就是因为人体相当于一个大的导体，对电磁波的传输有干扰。

但是大家不必担心这个问题。对于51单片机电路来说，我们布线基本上只要考虑几点：首先电路的连接正确，没有短路和断路；然后焊接可靠，没有虚焊（看上去焊上了实际上没有连接起来）；尽可能减少电路交叉连接，并保持电路整体美观就可以了。

要准备的材料和工具

• 大小合适的万用焊板，导线、排针若干

• DIP40封装的STC89C52RC单片机（STC89C5x均可）、配套DIP40封装的IC座

• 11.0592MHz晶振、30pF电容两个（用于时钟电路）

• 10uF电容、10k电阻（用于复位电路）

• USB-TTL下载线（用于程序烧写，后面文章会详细介绍）

• 六脚自锁开关（作为电源开关，可以省略，而使用插拔导线的方式代替）

• 焊接工具：电烙铁（或焊台）、焊锡丝、助焊剂（松香等）

排针焊在电路板上，母头杜邦线可以直接插上去，然后和USB-TTL转接板进行连接

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这里还要说明的是IC座（IC=Integrated Circuit，集成电路）。原本单片机可以直接焊接在电路板上，但是手工焊接时，常会用到IC插座。把IC座焊在原先单片机所在的位置（IC座上也有个缺口，最好和单片机的缺口对准），焊完后再把单片机插在IC座上。

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多种IC座

使用IC座有几个好处：

1. 焊接时如果不熟练，焊接时间过长，会导致元器件过热，可能损坏集成电路；而焊接IC座而不是集成电路，就会好很多，IC座只是金属和塑料组成，不容易损坏，焊完了再把单片机插上去。

2. 如果单片机坏了，可以直接把单片机从插座上取下来更换。

3. 单片机相对而言毕竟还是比较贵，如果做完一个电路就不用了，有点浪费。使用插座，可以在做完这个电路之后把单片机取下来，放在别的电路上重新利用。

最小系统板

下面是一块焊接好的最小系统板，供大家参考（由于时间原因我没有亲自焊好拍照，这张是从网上找到的，用的是双面万用板，两面都有焊盘，一般建议用单面板，元件在没有焊盘的一面插进去，再另一面焊接）。

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万用板焊接的最小系统板

后面将会继续介绍准备实验板的另外两种方式。