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单片机小白学步(9) 用万用焊板搭建实验电路

单片机小白学步 4,004℃ 7 4年前 (2014-10-09)

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。

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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。

我们所使用的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。

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PCB设计图

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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。

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玻纤材质的单面单孔万用板(有覆铜的反面)

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电木材质单面单孔万用板(有覆铜的反面)

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电木材质单面单孔万用板(无覆铜的正面)

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万用板作品,万用板正面可以用导线连接电路。

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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。

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自制PCB做的USB声卡,正面是直插元件

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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

我们实际搭建的电路和电路图上画的,在电路连接上来看是一致到,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。

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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);然后尽可能减少电路交叉连接,并且尽可能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)

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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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可以看到USB-TTL转接板上也有排针,用上一篇介绍的杜邦线就可以方便的进行连接了

这里还要说明的是IC座(集成电路,IC=Integrated Circuit)。原本单片机可以直接焊接在电路板上,但是我们自己焊接时,常会用到IC插座。我们把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。一是焊接时如果不熟练,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。二是如果单片机坏了,我们可以直接把单片机从插座上取下来更换。三是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,我们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。

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《单片机小白学步》系列教程(原名《单片机入门指南》)介绍

本系列教程从最基本的入门知识开始,逐步深入介绍单片机系统设计,内容包括:
1、入门篇:单片机等基本概念、各种电子设计基本知识
2、思想篇:单片机/计算机系统设计的工程思想
3、学习篇:单片机学习过程、方法和技巧,以51单片机为例介绍,并推广到其他单片机
4、应用篇:遵循规范的工程方法,设计单片机系统实例(计划设计的系统有:计算器、电子表、密码锁、简易手机,具体看有没有时间再确定)
5、原理篇:从模拟电路、数字电路开始,逐步深入介绍单片机/计算机系统原理,并自行设计简易的CPU(由于个人水平有限,这部分没有把握写好,具体内容视情况而定)

教程特点

1、技术知识点全面,从入门到精通

包含了各种基本知识,尤其是对单片机基本概念的介绍、为什么要用单片机等,在很多同类书籍教程中都被忽略了。同时也包含了一些深入的知识,包括原理篇考虑对单片机的基本原理进行介绍,有助于深入理解单片机。

本系列教程以51单片机为例进行介绍。通过51介绍完单片机的基本知识,我会再把430进行简要介绍,尤其是对比两者之间的优缺点,让大家很快感受到430的巨大优势,而学习51正好为快速了解430打下了坚实的基础。

2、除了单片机知识,还有思想、方法、技巧的介绍

本系列教程中,介绍单片机各种模块编程知识的主要是学习篇,而学习篇只是整个教程的一部分。在学习篇中我会贯穿各种方法技巧,如何理解一些模块功能,怎么看时序图,严格遵守工程思想进行编程,程序发生了错误怎么调试等等。而在思想篇中会总体介绍很多重要的思想,为后面的学习做好准备工作。

3、知识先后顺序的设计

单片机学习过程中,涉及大量的知识,而且很多知识之间相互依赖,关联很强。

本系列教程对知识的先后顺序进行比较明确的规划,尽最大可能符合人的认知过程。但是实际规划时发现,无论怎么调整知识的顺序,总有一些知识之间相互依赖,关系复杂。例如开始讲IO口的时候肯定会提到寄存器,而寄存器这个词的理解,需要深厚的背景知识。但是这些背景知识在没有进行实践的时候也很难理解。

初学者常常就会在这样的地方感觉疑惑不解,不知所措。而每次遇到类似这样的知识,我会向初学者指出,应该如何对待。这个知识是应该自己去学习补充,还是等到学完原理篇再做理解,而现在又应该怎么去看待这个名词。

另外,在整个教程的学习前,需要掌握一定的C语言等基础知识,具体可参考教程第〇篇《序》中的相关说明
http://www.paincker.com/mcu-primer-0

4、语言通俗易懂

本系列教程力求语言通俗易懂,而不会用一堆新手不懂的词语去解释另一个不懂的词语。但是受限于个人语言表达能力,可能有些地方表述的比较繁琐,或者不清楚,希望大家能够帮忙指出。

其他问题

如果觉得我写的对你有帮助,欢迎多多反馈,包括写的不正确、不合理、不太明白都可以指出来,这样方便我对其进行完善。

更多可参见:《如何以学习单片机为契机,逐步成为优秀的工程师》
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评论7条

  1. dzfslt 回复

    大神学长太赞了

  2. 匿名 回复

    学长,支持你!

  3. 匿名 回复

    优质青年啊,支持一下!!

    1. 多谢支持~~在修改网站,现在账号已经混乱了 :cry: :cry:

  4. 匿名 回复

    评论来啦,赞一个2个3个

  5. jzj1993 回复

    《单片机入门指南系列(九) 用万用焊板搭建实验电路》终于更新啦~~~
    由于这篇涉及了很多电子制作的知识,配了很多图,所以也花了我好长时间(今天上午起来到现在,基本上就干这事了。大部分图还得自己拍,拍完了还得裁剪调整。。感觉真心费时间,要是没几个人看真是白写了)。
    这一篇讲了电路板和布线、焊接及其注意事项、PCB、包括很多人问过的IC座有什么用、单片机最小系统板制作等知识,欢迎阅读,尤其欢迎大家评论、转发分享,指出里面的问题,或者读完之后有什么收获等等,能给我个反馈算是对我最大的支持吧,不用担心把我的网站搞坏了……
    网址是: http://www.paincker.com/mcu-primer-9

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