简易超声波蜂鸣器的制作方法

The piezoelectricity ceramics have quickly respond, the energy densityhigher characteristic, in domain and so on precision machinery,speaker, absorption of shock noise reduction obtained the widespreadapplication, in the intelligent structure, its function may notsubstitute in particular. But the traditional pressure ceramicsactually have the obvious insufficiency, because actuation strain toosmall, is very difficult to satisfy the actual project application theneed. In order to obtain the bigger actuation strain, the peoplestudied the many kinds of piezoelectricities actuation part, likedouble curved piezoelectricity driver, " Mooine" Brass -PZTcombination driver, kind of alone stone structure actuation part andso on. But these all belong to the machinery to enlarge the mechanismthe application, while obtains a bigger strain, also reduced thedriving influence, from essentially solves the problem by no means.

The piezoelectricity ceramics application is extremely widespread, themost typical application is the buzzer and the security alarmapparatus, after 素坯 rolls over the ceramics the image formationpaper same thin slice to fire, makes the electrode in its both sides,then the polarization, such ceramics had the piezoelectricity, then itwith the tinsel agglutinated again in together, made a buzzer. Whenelectrode circular telegram, the piezoelectricity ceramics because thecounter piezoelectric effect has the vibration, makes sound which theperson ear may hear. Through the electronic circuit control, may havethe different frequency vibration, thus makes the different sound, thebuzzer most early uses on the electronic toy, now also uses in thefire engine, the ambulance, the safe cabinet and so on place takes thealarm apparatus. Can transform using the piezoelectricity ceramics themechanical energy the electrical energy the characteristic, but alsomay make " Ceramic ear " . In front of the common earthquakebecause the earth's crust interior unusual games sends out 地声, theceramic ear may the sound which hears turn the electrical signal inputcomputer, like this may 地声 forecast the earthquake through themonitor.

The sound motor is in the piezoelectricity ceramics application anoticeable new domain. It is uses the piezoelectricity ceramics thecounter piezoelectric effect, directly transforms the electricalenergy the mechanical energy output not to need the magnet coil thenew electrical machinery, compares with the ordinary electromagnetismmotor, it has the structure simply, starts, the volume quickly young,the power loss is low and so on the characteristic. Moreover, becauseit is directly transforms from the electrical energy into themechanical energy but does not transform through themagnetoelectricity, therefore, does not have the magnetism disturbancenot to fear the magnetism disturbance. It also may the low speedmovement but not use the reduction gear. This kind of miniatureelectrical machinery in the aviation, astronautics, the precisionmachinery, the instrument measuring appliance, the automatic control,the robot, the scanning electricity mirror moves slightly, thephotographic camera automatic focusing, the magnetic head moves, themotor vehicle windshield wiper and the electrically operated switchglass and so on many areas of technology has the broad applicationprospect.

The former piezoelectricity ceramics were by several microns thepolytropism material which was composed to several dozens micronsmulti- domains crystal grains, the size have not been able to meetthe needs. Reduces the particle size to an Asian micron level, mayimprove the material the workability, may do the substrate is thinner,may enhance the array frequency, reduces the transducer array theloss, enhances the component the mechanical strength, reducesmultilayered component each level thickness, thus reduces the slavingvoltage, this to enhances folds the level transformer, the brake allis beneficial. Reduces the particle size to have the above so manyadvantage, but simultaneously also brought reduced the piezoelectriceffect the influence. In order to overcome this kind of influence, thepeople changed the traditional doping craft, makes 细晶粒 thepiezoelectricity ceramics piezoelectric effect to increase to and粗晶粒 the piezoelectricity ceramics suitable level. Nowmanufactured 细晶粒 the material cost to be possible to competewith the ordinary ceramics. In recent years, the people carried onwith 细晶粒 the piezoelectricity ceramics have cut grind theresearch, and manufactured some high frequency transducers, the microbrake and the thin buzzer (porcelain piece 20-30um is thick), hasproven 细晶粒 the piezoelectricity ceramics superiority. Along withthe nanotechnology development, 细晶粒 the piezoelectricity ceramicmaterial research and the application development was still theshort-term hot spot. Moreover, the piezoelectricity body is the launchand the receive ultrasonic wave ideal material. When the alternationelectrical signal function to the piezoelectricity body, has thedeformation because of the counter piezoelectric effect, gets off anaircraft 电耦合 the resonance in the suitable frequency to launchthe ultrasonic wave, thus the constitution launch pokes head in, butwhen the ultrasonic wave does uses in the piezoelectricity body, as aresult of the undulation mechanical power function, can because of thepiezoelectric effect but in the piezoelectricity body correspondingsurface produce the electrical signal to output, the constitutionreceive pokes head in. Pokes head in with this kind to be allowed tomanufacture the ultrasonic flaw detector survey object interior theflaw, but also may make the supersonic microscope, the supersonicthickness gauge and so on.

（晶体结构）一端接上一段细导线，此导线与在打火机

出气口处的金属材料形成一个缺口，通过机械机构使撞

击块的撞击时与气源开启同步。当撞击块以一定的冲击

能量或力撞击压电材料块的另一端时，压电材料的内部

分子就会强烈振动，并将振动能量传递到导线中。由于

导线的截面积与压电材料块的截面积之比悬殊很大，在

导线中分子的振动就有了很大的加强趋势。当导线的端

点分子强烈的振动撞击缺口处的空气分子时，空气分子

也就产生强烈振动。空气分子振动的运动轨迹就是我们

看见的电火星（电弧光）。这些电火星（电弧光）实际

上就是导线分子强烈振动并向打火机出气口处的金属材

料传递能量时空气分子振动的运动轨迹，说明缺口处的

空气分子振动很厉害。按照振动理论的说法振动强烈就

是物质温度很高，当这个温度超过打火机内的液化气的

燃点时，跑出来的气体就会被点燃，形成火焰，火焰就

是剧烈振动着的气体物质分子影象。这就是打火机的基

本工作原理，其他电子打火装置的道理与此相同。

第二

压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶

体材料。

目录

基本介绍 材料原理 材料分类 无机压电材料 有机压电材

料

材料应用 换能器 压电驱动器 传感器上的应用 在机器人

接近觉中的应用

发展现状 细晶粒压电陶瓷 PbTiO3系压电材料 压电陶

瓷-高聚物复合材料 压电性特异的多元单晶压电体

基本介绍 材料原理 材料分类 无机压电材料 有机压电材

料

材料应用 换能器 压电驱动器 传感器上的应用 在机器人

接近觉中的应用

发展现状 细晶粒压电陶瓷 PbTiO3系压电材料 压电陶

瓷-高聚物复合材料 压电性特异的多元单晶压电体

展开

编辑本段基本介绍

受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。

1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把

重物放在石英晶体上，晶体

压电材料

某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象

被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效

应，即在外电场作用下压电体会产生形变。压电效应的

机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作

用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷

中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电

荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电

材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，

压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导

致材料变形。

利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交

流电的互相转换。因而压电材料广泛用于传感器元件

中，例如地震传感器，力、速度和加速度的测量元件以

及电声传感器等。现在，这类材料被广泛运用，举一个

很生活化的例子，打火机的火花即运用此技术。

编辑本段材料原理

压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。那

么，什么是压电效应呢？ 当你在点燃煤气灶或热水

器时,就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产

厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用

户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压

电陶瓷上，使它产生很高的电压,进而将电能引向燃气的

出口放电。于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的

这种功能就叫做压电效应。

压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会

产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压,则产

生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频

震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电

陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我

们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机

械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这

压电石英晶体材料

种相互对应的关系确实非常有意思。

压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用

产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材

料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用

来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有

自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行

器设计中占有重要的地位。

编辑本段材料分类

无机压电材料

分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶

体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要

成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的

固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成

的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是

铁电陶瓷。在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电

畴由自发极化方向反向平行的180 畴和自发极化方向互

相垂直的90畴组成，这些电畴在人工极化（施加强直流

电场）条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤

消外电场后保持剩余极化强度，因此具有宏观压电性。

如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸

铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。这类材料的

研制成功，促进了声换能器，压电传

压电材料

感器的各种压电器件性能的改善和提高。

压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程

有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此

具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、

锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。

相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加

工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳

定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应

用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压

电性弱，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但

稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准频率控制

的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高

频、高温超声换能器等。近来由于铌镁酸铅Pb(Mg1/

3Nb2/3)O3单晶体（Kp ≥90%, d33≥900×10-3C/N,

ε≥20,000）性能特异，国内外上都开始这种材料的研

究，但由于其居里点太低，离使用化尚有一段距离。

有机压电材料

又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及

其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及

其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等

优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测

量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是

压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受

到很大的限制。

换能器

第三类是复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底

材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成

的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛

的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压

响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深

度。

编辑本段材料应用

压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和

超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器，水声

换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应

用。 换能器

换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生

机械振动的器件压电聚合物电声器件利用了聚合物的横

向压电效应，而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片

或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动，利用上述原

理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声

器。目前对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利用

压电聚合物的特点，研制运用其它现行技术难以实现

的、而且具有特殊电声功能的器件，如抗噪声电话、宽

带超声信号发射系统等。

压电聚合物水声换能器研究初期

超声波传感器

均瞄准军事应用，如用于水下探测的大面积传感器阵列

和监视系统等，随后应用领域逐渐拓展到地球物理探

测、声波测试设备等方面。为满足特定要求而开发的各

种原型水声器件，采用了不同类型和形状的压电聚合物

材料，如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等，以充分

发挥压电聚合物高弹性、低密度、易于制备为大和小不

同截面的元件、而且声阻抗与水数量级相同等特点，最

后一个特点使得由压电聚合物制备的水听器可以放置在

被测声场中，感知声场内的声压，且不致由于其自身存

在使被测声场受到扰动。而聚合物的高弹性则可减小水

听器件内的瞬态振荡，从而进一步增强压电聚合物水听

器的性能。

压电聚合物换能器在生物医学传感器领域，尤其是超声

成像中，获得了最为成功的应用、PVDF薄膜优异的柔

韧性和成型性，使其易于应用到许多传感器产品中。

压电驱动器

压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机

械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，

包括利用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双

晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移

产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用，还需

要进行大量研究。电子束辐照P（VDF-TrFE）共聚合物

使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而为研制新

型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜在国防应用前景

的推动下，利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声

发射装置的研究，在美国军方的大力支持下正在系统地

进行之中。除此之外，利用辐照改性共聚物的优异特

性，研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用，还

需要进行大量的探索。 传感器上的应用

1.压电式压力传感器

压电式压力传感器是利用压电材料所具有的压电效应所

制成的。压电式压力传感器的基本结构如右图所示。由

于压电材料的电荷量是一定的，所以在连接时要特别注

意，避免漏电。压电式压力传感器的优点是具有自生信

号，输出信号大，较高的频率响应，体积小，结构坚

固。其缺点是只能用于动能测量。需要特殊电缆，在受

到突然振动或过大压力时，自我恢复较慢。

2.压电式加速度传感器

压电元件一般由两块压电晶片组成。在压电晶片的两个

表面上镀有电极，并引出引线。在压电晶片上放置一个

质量块，质量块一般采用比较大的金属钨或高比重的合

金制成。然后用一硬弹簧或螺栓，螺帽对质量块预加载

荷，整个组件装在一个原基座的金属壳体中。为了隔离

试件的任何应变传送到压电元件上去，避免产生假信号

输出，所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来

制造，壳体和基座的重量差不多占传感器重量的一半。

测量时，将传感器基座与试件刚性地固定在一起。当传

感器受振动力作用时，由于基座和质量块的刚度相当

大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性

很小。因此质量块经受到与基座相同的运动，并受到与

加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一

正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。由于压电晶

片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生交变电

荷（电压），当加速度频率远低于传感器的固有频率

时，传感器给输出电压与作用力成正比，亦即与试件的

加速度成正比，输出电量由传感器输出端引出，输入到

前置放大器后就可以用普通的测量仪器测试出试件的加

速度；如果在放大器中加进适当的积分电路，就可以测

试试件的振动速度或位移。 在机器人接近觉中的应用

机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，

在接触对象物体之前，获得必要的信息，为下一步运动

做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中

有无障碍物。如发现有障碍，则及时采取一定措施，避

免发生碰撞；其三，为获取对象物体表面形状的大致信

息。

超声波是人耳听见的一种机械波，频率在20KHZ以上。

人耳能听到的声音，振动频率范围只是20HZ－

20000HZ。超声波因其波长较短、绕射小，而能成为声

波射线并定向传播，机器人采用超声传感器的目的是用

来探测周围物体的存在与测量物体的距离。一般用来探

测周围环境中较大的物体，不能测量距离小于30mm的

物体。

超声传感器包括超声发射器、超声接受器、定时电路和

控制电路四个主要部分。它的工作原理大致是这样的：

首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声

波。发射器发出一连串超声波后即自行关闭，停止发

射。同时超声接受器开始检测回声信号，定时电路也开

始计时。当超声波遇到物体后，就被反射回来。等到超

声接受器收到回声信号后，定时电路停止计时。此时定

时电路所记录的时间，是从发射超声波开始到收到回声

波信号的传播时间。

利用传播时间值，可以换算出被测物体到超声传感器之

间的距离。这个换算的公式很简单，即声波传播时间的

一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声传感器整个

工作过程都是在控制电路控制下顺序进行的。

压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如

鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。

编辑本段发展现状

下面介绍几种处于发展中的压电陶瓷材料和几种新的应

用。 细晶粒压电陶瓷

以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成

的多晶材料，尺寸已不能满足需要了。减小粒径至亚微

米级，可以改进材料的加工性，可将基片做地更薄，可

提高阵列频率，降低换能器阵列的损耗，提高器件的机

械强度，减小多层器件每层的厚度，从而降低驱动电

压，这对提高叠层变压器、制动器都是有益的。减小粒

径有上述如此多的好处，但同时也带来了降低压电效应

的影响。为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工

艺，使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电陶

瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已可与普通

陶瓷竞争了。近年来，人们用细晶粒压电陶瓷进行了切

割研磨研究，并制作出了一些高频换能器、微制动器及

薄型蜂鸣器（瓷片20-30um厚），证明了细晶粒压电陶

瓷的优越性。随着纳米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材

料研究和应用开发仍是近期的热点。 PbTiO3系压电材

料

PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元

件。虽然存在PbTiO3陶瓷烧成难、极化难、制作大尺

寸产品难的问题，人们还是在改性方面作了大量工作，

改善其烧结性。抑制晶粒长大，从而得到各个晶粒细

小、各向异性的改性PbTiO3材料。近几年，改良

PbTiO3材料报道较多，在金属探伤、高频器件方面得

到了广泛应用。目前该材料的发展和应用开发仍是许多

压电陶瓷工作者关心的课题。 压电陶瓷-高聚物复合材

料

无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，

兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相都没有

的特性。因此，可以根据需要，综合二相材料的优点，

制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵敏度很

高，比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。在其它超声

波换能器和传感器方面，压电复合材料也有较大优势。

国内学者对这个领域也颇感兴趣，做了大量的工艺研

究，并在复合材料的结构和性能方面做了一些有益的基

础研究工作，目前正致力于压电复合材料产品的开发。

压电性特异的多元单晶压电体

传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强，

从而得到了广泛应用。但作为大应边，高能换能材料，

传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。于是近几年

来，人们为了研究出具有更优异压电性的新压电材料，

做了大量工作，现已发现并研制出了Pb(A1/3B2/

3)PbTiO3单晶（A=Zn2+,Mg2+）。这类单晶的d33最高

可达2600pc/N(压电陶瓷d33最大为850pc/N),k33可高

达0.95（压电陶瓷K33最高达0.8），其应变>1.7%，几

乎比压电陶瓷应变高一个数量级。储能密度高达130J/

kg，而压电陶瓷储能密度在10J/kg以内。铁电压电学

者们称这类材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。

现在美国、日本、俄罗斯和中国已开始进行这类材料的

生产工艺研究，它的批量生产的成功必将带来压电材料

应用的飞速发展。

第一部分：硬件知识

一、 数字信号

1、 TTL和带缓冲的TTL信号

2、 RS232和定义

3、 RS485/422（平衡信号）

4、 干接点信号

二、 模拟信号视频

1、 非平衡信号

2、 平衡信号

三、 芯片

1、 封装

2、 7407

3、 7404

4、 7400

5、 74LS573

6、 ULN2003

7、 74LS244

8、 74LS240

9、 74LS245

10、 74LS138/238

11、 CPLD(EPM7128)

12、 1161

13、 max691

14、 max485/75176

15、 mc1489

16、 mc1488

17、 ICL232/max232

18、 89C51

四、 分立器件

1、 封装

2、 电阻：功耗和容值

3、 电容

1) 独石电容

2) 瓷片电容

3) 电解电容

4、 电感

5、 电源转换模块

6、 接线端子

7、 LED发光管

8、 8字（共阳和共阴）

9、 三极管2N5551

10、 蜂鸣器

五、 单片机最小系统

1、 单片机

2、 看门狗和上电复位电路

3、 晶振和瓷片电容

六、 串行接口芯片

1、 eeprom

2、 串行I/O接口芯片

3、 串行AD、DA

4、 串行LED驱动、max7129

七、 电源设计

1、 开关电源：器件的选择

2、 线性电源：

1) 变压器

2) 桥

3) 电解电容

3、 电源的保护

1) 桥的保护

2) 单二极管保护

八、 维修

1、 电源

2、 看门狗

3、 信号

九、 设计思路

1、 电源：电压和电流

2、 接口：串口、开关量输入、开关量输出

3、 开关量信号输出调理

1) TTL―>继电器

2) TTL―>继电器（反向逻辑）

3) TTL―>固态继电器

4) TTL―>LED（8字）

5) 继电器―>继电器

6) 继电器―>固态继电器

4、 开关量信号输入调理

1) 干接点―>光耦

2) TTL―>光耦

5、 CPU处理能力的考虑

6、 成为产品的考虑：

1) 电路板外形：大小尺寸、异形、连接器、空间体积

2) 电路板模块化设计

3) 成本分析

4) 器件的冗余度

1. 电阻的功耗

2. 电容的耐压值等

5) 机箱

6) 电源的选择

7) 模块化设计

8) 成本核算

1. 如何计算电路板的成本？

2. 如何降低成本？选用功能满足价格便宜的器件

十、 思考题

1、 如何检测和指示RS422信号

2、 如何检测和指示RS232信号

3、 设计一个4位8字的显示板

1) 电源：DC12

2) 接口：RS232

3) 4位3”8字（连在一起）

4) 亮度检测

5) 二级调光

4、 设计一个33位1”8字的显示板

1) 电源：DC5V

2) 接口：RS232

3) 3排 11位8字，分4个、3个、4个3组，带行与行之间带间隔

4) 单片机最小系统

5) 译码逻辑

6) 显示驱动和驱动器件

5、 设计一个PCL725和MOXA C168P的接口板

1) 电源：DC5V

2) 接口：PCL725/MOXA 8个RS232

1. PCL725，直立DB37，孔

2. MOXA C168P，DB62弯

3) 开关量输出信号调理：6个固态继电器和8个继电器，可以被任何一路信号控制和驱动，接口：固态继电器5.08直立，继电器3.81直立

4) 开关量输入调理：干接点闭合为1或0可选，接口：3.81直立

5) RS232调理：

1. LED指示

2. 前4路RS232全信号，后4路只需要TX、RX、0

3. 无需光电隔离

4. 接口形式：DB9（针）直立

第二部分：软件知识

一、 汇编语言

二、 C51

该部分可以从市场上买到的N种开发板上学到，至于第一部分，需要人来带吧。

为什么要掌握这些知识？

实际上，电子工程师就是将一堆器件搭在一起，注入思想（程序），完成原来的这

些器件分离时无法完成的功能，做成一个成品。所需要的技能越高、功能越复杂、

成本越低、市场上对相应的东东的需求越大，就越成功。这就是电子工程师的自身

的价值。从成本到产品售出，之间的差价就是企业的追求。作为企业的老板，是在

市场上去寻找这样的应用；对电子工程师而言，是将老板提出的需求或者应用按照

一定的构思原则（成本最低、可靠性最高、电路板最小、功能最强大等）在最短的

时间内完成。最短的时间，跟电子工程师的熟练程度、工作效率和工作时间直接有

关。这就是电子工程师的价值。

将电子产品抽象成一个硬件的模型，大约有以下组成：

1) 输入

2) 处理核心

3) 输出

输入基本上有以下的可能：

1) 键盘

2) 串行接口（RS232/485/can bus/以太网/USB）

3) 开关量（TTL，电流环路，干接点）

4) 模拟量（4~20ma、 0~10ma、0~5V（平衡和非平衡信号））

输出基本上有以下组成：

1) 串行接口（RS232/485/can bus/以太网/USB）

2) 开关量（TTL、电流环路、干接点、功率驱动）

3) 模拟量（4~20ma， 0~10ma，0~5V（平衡和非平衡信号））

4) LED显示：发光管、八字

5) 液晶显示器

6) 蜂鸣器

处理核心主要有：

1) 8位单片机，主要就是51系列

2) 32位arm单片机，主要有atmel和三星系列

51系列单片机现在看来，只能做一些简单的应用，说白了，这个芯片也就是做单一

的一件事情，做多了，不如使用arm来做；还可以在arm上加一个操作系统，程序既

可靠又容易编写。

最近三星的arm受到追捧，价格便宜，以太网和USB的接口也有，周立功的开发系统

也便宜，作为学习ARM的产品来说，应该是最好的；作为工业级的控制，是不是合

适，在网友中有不同的看法和争议。本公司使用atmel ARM91系列开发的1个室外使

用的产品，在北京室外使用，没有任何的通风和加热的措施，从去年的5月份到现

在，运行情况良好。已经有个成功应用的案例。

但对于初学者来说，应该从51着手，一方面，51还是入门级的芯片，作为初学者练

手还是比较好的，可以将以上的概念走一遍；很多特殊的单片机也是在51的核的基

础上增加了一些I/O和A/D、D/A；也为今后学习更高一级的单片机和ARM打下基础。

再说了，哪个老板会将ARM级别的开发放在连51也没有学过的新手手中？

在51上面去做复杂的并行扩展是没有必要的，比如，扩展I/O口和A/D、D/A等等，

可以直接买带有A/D、D/A的单片机；或者直接使用ARM，它的I/O口线口多。可以使

用I2C接口的芯片，扩展I/O口和A/D、D/A，以及SPI接口扩展LED显示，例如：

MAX7219等芯片。

市面上一些比较古老的书籍中还有一些并行扩展的例子，如：RAM、EPROM、A/D、

D/A等，我觉得已经没有必要去看了，知道历史上有这些一回事就行了；

这些知识，是所有产品都具备的要素。所以要学，再具体应用。

说一个小的故事：野人献曝。

从前，有一个农民，冬天干了活后，休息晒太阳。好舒服呀。

他想，这么舒服的享受，我要献给国王，让他也能得到享受。

于是他兴冲冲地到了王宫，将他的宝贵经验献给了国王。

我现在就象这个农民，把自己认为很宝贵的经验献给大家。希望大家多提宝贵意见

；拍板砖也可以，骂我也无所谓，呵呵，随便。

第一课：51单片机最小系统

实际上，51单片机核心外围电路是很简单的，一个单片机＋一个看门狗＋一个晶振

＋2个磁片电容；

1. 单片机：atmel的89C51系列、winbond的78E52系列，还有philips的系列，都差

不多；现在有一些有ISP（在线下载的），就更好用了；

2. 看门狗：种类很多，我常用的有max691/ca1161和DS1832等，具体看个人习惯、

芯片工作电压、封装等。Max系列和DS系列，还有IMP公司的，种类很多，一般只需

要有最基本的功能就可以了；原来我使用max691，但是max691比较贵，因为它有电

池切换功能，后来新设计电路板，就都采用ca1161了。

很早以前的电路设计中，现在可能还有人使用，使用一个电阻和一个电容达成的上

电复位电路；但是，这样的复位电路一个是不可靠，为什么不可靠，网络上能找得

到专门论述复位电路的文章；更重要的是，51系列的单片机比较容易受到干扰；没

有看门狗电路是不行的，当程序跑飞时，回不来了，死在那里。

常规的做法是买一个专门的看门狗电路，完成复位电路和看门狗电路的功能。

这些芯片的资料很容易在网络上找到，通常使用百度搜索就可以了；看见有PDF的

字样，就点击下载；使用网际快车flashget下载也是最好的；

这些资料通常是pdf格式的文件，所以，还需要一个pdf的阅读器。

百度网址：

网际快车下载网址：

PDF阅读器下载网址：

实际上，有了百度和其它的搜索引擎，很方便下载到这些芯片的资料，比光盘还方

便，不需要去到处找。

单片机和单片机抗干扰能力是不一样的。如果你的产品是工作在干扰比较大的环境

，可以试试选用不同品牌的单片机；原来我在一个光电所，做YAG激光治疗机的控

制部分，脉冲激光机的电源放电的时候，能量是很大的，在采取了所有能够想到的

光电隔离等措施之后，还是不行；后来，选用了intel的8031，就可以了。小声的

说：当时的philips的单片机抗干扰性能是最差的，可能跟Philips主要是用在民用

领域有关。现在不知道怎么样了，有人知道的话告诉我。

单片机的输入输出口线是最容易引进干扰的地方；在严重干扰的情况下，需要将所

有的口线光电隔离。

3. 晶振：一般选用11.0592M，因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率；也

可以使用36.864M，这个频率是1.8432M的20倍，看别人的电路板上用过，我也没有

用到。这2种晶振很容易买到，价钱跟12M的一样。书上说，12M的晶振也能得到

9600的波特率，但是，实际用的时候，会每隔一段时间就出错一次，好像累积误差

一样，比较奇怪。

即使你的单片机系统不使用RS232接口，也可以做一个Rs232，留着做测试，或者预

留等等，没有坏处。除非你的单片机系统的口线不够用了。

4. 磁片电容：22pf～30pf，可以在有些书上找到什么晶振频率对应什么容量的磁

片电容，但是，我都是随便拿来使用，反正在11.0592M下，都没有问题；如果你用

到了更高的频率，最好还是找找资料看看。

参见以下电路图：

如果你的单片机系统没有工作，检查步骤如下：

1. 查看门狗的复位输出，可能的话在电路板上加一个LED，下拉，这样看起来就更

方便；要是看门狗复位信号有，往下；

2. 查单片机，看看管脚有没有问题；一般编程器能够将程序写入，说明单片机是

好的；最好手头上准备一个验证过的单片机，内部有一个简单的程序，比如，在某

个口线上输出1个1秒占空比的方波等，可以使用万用表测量。

加一句：设计产品时，要在关键的地方：电源、串口、看门狗的输出和输入、I/O

口等加不同颜色的LED指示，便于调试；作为批量大的产品，可以去掉部分LED，一

方面是降低成本、一方面是流程保密；

3. 再查磁片电容，有些瓷片电容质量不行，干脆换了；顺便说一下，换器件最好

使用吸锡带，将焊盘内的锡吸干净，再将器件拔出，这样不会损伤焊盘内的过孔；

再将新的瓷片电容焊接上去的时候，用万用表量量是好的再焊；

4. 最后只有换晶振了；切记要买好的晶振，有些品牌质量比较好。

5. 以上按照以上步骤检测时，将无关的外围芯片去掉；因为有一些是外围器件的

故障导致单片机最小系统没有工作。

第二课 基本的芯片和分立器件

2.1 简述

2.2 74系列

2.3 CD4000系列

2.4 光耦与光电管

2.5 三极管

2.6 电容电阻

2.7 固态继电器

2.8 继电器

2.9 变压器和三端稳压器

2.10 开关电源芯片

2.11 封装知识、芯片批号等

2.12 接插件

2.13 器件选购的知识

第三课 数字量的输入输出

第四课 单片机的通讯接口

第五课 单片机系统设计的硬件构思

第六课 单片机程序的框架（汇编版本）

第七课 模拟量的输入输出

……

各位多提宝贵意见。

保证实用。如果程序里面有一些例程，也是已经经过测试可以拿来就用的；实际上

是我早年的一些产品的程序的一部分；不好意思，都是汇编的。

写的时间只有周末会多一些，可以保证做到一周一课；尽量能够提前，但是这要看

看工作忙不忙了。

坊间有一些参考书，准备今天上午到北京中发市场转了一圈，我记得以下参考书目

较好：

1. 周航慈：《单片机程序设计》

2. 徐涵芳：《MCS-51单片机结构与设计》

3. 何立民：《......》

有了这些就基本够用了；其它的很多都是资料的翻译；如果英文不好，可以看看；

英文好的话，可以不必了，省电钱买开发系统和编程器、开发板什么的，需要什么

资料直接下载PDF文件好了。

要想成为电子工程师，需要宽带，在家里安装包月的adsl或者长宽，绝对值得。

实际上，网络上什么都有了，就是一个网络数据库，要好好利用。

网上自有黄金屋，网上自有颜如玉……

第二课 基本的芯片和分立器件

2.1 简述

有必要对以下系列的芯片和分立器件进行介绍。

除了单片机作为控制器的核心外，作为一个产品，由很多东西构成；所以，在讲系

统之前，先将这些零零碎碎的东西一并交待。就好像一栋房子，有各种各样的构件

组成，下面的这些东东就像砖瓦一样，没有不行。

2.2 74系列芯片

74系列的芯片的下载地址：

74系列的芯片是古老的一族，大部分的芯片现在均已不用了，但是，实际上，在目

前的系统中，还能看到一些芯片，有些芯片现在还在系统中使用，例如：

1、 7404 – 6个反相门

下载地址：

将输入的TTL逻辑反相，如：0->1，1->0

2、 7407 – 6个集电极开路门

下载地址：

由于集电极开路门可以外接高电压，可以最高到DC30V，电流最大到39mA，通常我

用它驱动8字数码管和继电器等大电流的负载；开路门内部结构是达林顿管的，输

出的逻辑是正的；

与其类似的芯片是7406，只不过是反相开路门。

3、 74LS573与74LS373 – 8 数据锁存器

74LS373下载地址：

74LS573下载地址：

引入几个概念：

1. 真值表

参见74LS373的PDF的第2页：

Dn LE OE On

H H L H

L H L L

X L L Qo

X X H Z

这个就是真值表，表示这个芯片在输入和其它的情况下的输出情况。

每个芯片的数据手册（datasheet）中都有真值表。

布尔逻辑比较简单，在此不赘述；

2. 高阻态

就是输出既不是高电平，也不是低电平，而是高阻抗的状态；在这种状态下，可以

多个芯片并联输出；但是，这些芯片中只能有一个处于非高阻态状态，否则会将芯

片烧毁；

高阻态的概念在RS232和RS422通讯中还可以用到。

3. 数据锁存

当输入的数据消失时，在芯片的输出端，数据仍然保持；

这个概念在并行数据扩展中经常使用到。

4. 数据缓冲

加强驱动能力。74LS244/74LS245/74LS373/74LS573都具备数据缓冲的能力。

OE：output_enable，输出使能；

LE：latch_enable，数据锁存使能，latch是锁存的意思；

Dn：第n路输入数据；

On：第n路输出数据；

再看这个真值表，意思如下：

第四行：当OE＝1是，无论Dn、LE为何，输出端为高阻态；

第三行：当OE＝0、LE＝0时，输出端保持不变；

第二行第一行：当OE＝0、LE＝1时，输出端数据等于输入端数据；

结合下面的波形图，在实际应用的时候是这样做的：

a． OE＝0；

b． 先将数据从单片机的口线上输出到Dn；

c． 再将LE从0->1->0

d． 这时，你所需要输出的数据就锁存在On上了，输入的数据在变化也影响不到输

出的数据了；实际上，单片机现在在忙着干别的事情，串行通信、扫描键盘……单

片机的资源有限啊。

在单片机按照RAM方式进行并行数据的扩展时，使用movx @dptr, A这条指令时，这

些时序是由单片机来实现的。

后面的表格中还有需要时间的参数，你不需要去管它，因为这些参数都是几十ns级

别的，对于单片机在12M下的每个指令周期最小是1us的情况下，完全可以实现；如

果是你自己来实现这个逻辑，类似的指令如下：

mov P0,A 将数据输出到并行数据端口

clr LE

setb LE

clr LE 上面三条指令完成LE的波形从0->1->0的变化

74ls573跟74LS373逻辑上完全一样，只不过是管脚定义不一样，数据输入和输出端

各在一侧，PCB容易走线；所以大家都喜欢使用这个芯片。

4、 74LS244 – 数据缓冲器

下载地址：

数据输出能力比较强，输出电流可以到40mA以上；

4个缓冲器分成2组，具有高阻态控制端口

5、 74LS245 – 总线缓冲器

双向数据接口，通常在ISA板卡上可以看到；

早期的51系统中，为了扩展RAM、eprom、A/D、D/A、I/O等经常可以看到这个片子

；

为了增强驱动能力，有时是为了隔离输入和输出，主要是布线方便，象74LS573一

样，输入、输出在一侧，经常用到这个片子

6、 74LS138 – 三－八译码器

在早期的51系统的扩展中，作为地址选通的片子，可以经常看到。

另外一个类似的芯片是74LS154，是4-16译码器，现在更是少见了。

有兴趣的可以研究一下何立民的经典著作中的有关章节。

知道有这么一个芯片就可以了。

2.3 CD4000系列

CD4000系列的芯片，除了跟74系列的电气特性有所区别外，例如：

1) 电压范围宽，应该可以工作在3V～15V，输入阻抗高，驱动能力差外，跟74系列

的功能基本没有区别；

2) 输入时，1/2工作电压以下为0，1/2工作电压以上为1；

3) 输出时，1=工作电压；0=0V

4) 驱动能力奇差，在设计时最多只能带1个TTL负载；

5) 如果加上拉电阻的话，至少要100K电阻；

6) 唯一现在使用的可能就是计数器，CD4060的计数器可以到14级二进制串行计数/

分频器，这个74系列的做不到这么高；

下载地址：

2.4 ULN2003/ULN2008

它的内部结构也是达林顿的，专门用来驱动继电器的芯片，甚至在芯片内部做了一

个消线圈反电动势的二极管。ULN2003的输出端允许通过IC 电流200mA，饱和压降

VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算

。采用集电极开路输出，输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)

等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。

经常在工控的板卡中见到这个芯片。

有个完全一样的型号：MC1413，不过现在好像不怎么见到这个型号了，但是管脚与

2003完全兼容。

ULN2003可以驱动7个继电器；ULN2008驱动8个继电器。

ULN2003下载地址：

ULN2008下载地址：

没有找到。奇怪啊。

2.5 光耦

光耦是做什么用的？光耦是用来隔离输入输出的，主要是隔离输入的信号。

在各种应用中，往往有一些远距离的开关量信号需要传送到控制器，如果直接将这

些信号接到单片机的I/O上，有以下的问题：

1) 信号不匹配，输入的信号可能是交流信号、高压信号、按键等干接点信号；

2) 比较长的连接线路容易引进干扰、雷击、感应电等，不经过隔离不可靠

所以，需要光耦进行隔离，接入单片机系统。

常见的光耦有：

1) TLP521-1/ TLP521-2/ TLP521-4，分别是1个光耦、2个光耦和4个光耦，HP公司

和***的东芝公司生产。

下载地址：

,4.PDF

发光管的工作电流要在10mA时，具有较高的转换速率；

在5V工作时，上拉电阻不小于5K，一般是10K；太小容易损坏光耦；

2) 4N25/4N35，motorola公司生产

下载地址：

,35-7,H11A1-5.PDF

隔离电压高达5000V；

3) 6N136，HP公司生产

下载地址：

要想打开6N136，需要比较大的电流，大概在15~20mA左右，才能发挥高速传输数据

的作用。

如果对速率要求不高，其实TLP521－1也可以用，实际传输速率可以到19200波特率

。

选择光耦看使用场合，tlp521-1是最常用的，也便宜，大概0.7~1元；

要求隔离电压高的，选用4N25/4N35，大概在3元左右；

要求在通讯中高速传输数据的，选用6N136，大概在4元左右。

光耦应用的原理框图如下所示：

1. 输入干接点隔离

2. 输入TTL电平隔离

3. 输入交流信号隔离

4. 输出RS232信号隔离

5. 输出RS422信号隔离

光耦除了隔离数字量外，还可以用来隔离模拟量。将在今后的章节中描述。

2.6 三极管

2.7 光电管

2.8 电容

2.9 电阻

2.10 固态继电器

2.11 继电器

2.12 变压器与整流桥

2.13 三端稳压器

2.14 开关电源芯片

2.15 封装知识、芯片批号等

2.16 接插件

2.17 器件选购的知识

2.6 三极管

2.6.1 三极管的4种工作状态

1) 饱和导通状态

饱和导通=0

2) 截止状态

饱和导通=1

3) 线性放大状态

作为低频放大器时使用，具体的可参见有关电子线路的书籍；

4) 非线性工作状态

在无线电通信系统中，作为混频器等使用。具体的可参见有关电子线路的书籍；

愚记得南京工学院也就是现在的东南大学在80年代初期有一套《电子线路》5本，

是电子专业的书籍，比较难懂；现在，即使是在电子专业的学生中，也应该降低了

对三极管的哪些复杂的参数的要求了吧；在实际使用时，即使是模拟电路、非线性

电路，也都是集成电路了，谁还使用三极管自己做呢？如果万一需要，现学也来得

及。这套书很强的。编写人在那个年代肯定都是牛人。

学三极管这些参数很繁琐的，要是现在的非电子类的大学生或者大专生们还学这些

玩意，我只能说是学校在误人子弟了。

好多学校都在扩招，很多学生念了4年下来，学了一堆过时的理论，跟实际的东西

一点没有接轨，不知道7407是干什么用得，不知道三极管的几个状态；我只能无话

可说。

所以，念了4年下来，跟企业的需求还有一段距离，还需要从头来过；聪明的学生

赶紧抓住机会去学习，去实习，这样，还可以赶紧补上实际应用的这一课。

言归正传。

参见下图：

当单片机的口线输出电平为1时，三极管的be结导通，ce结导通，输出的电压值为

0V；

当单片机的口线输出电平为0时，三极管的be结不导通，ce结截止，输出的电压值

为5V；

在这种数字电路的应用中，相当于三极管是一个反相开路门。

计算是否导通，公式如下：

I＝B（放大倍数，希腊字母的贝塔）×Ibe

当Ice<I时，即为饱和导通；

相差越大，饱和程度越深，Vce越小，三极管的输出内阻越小；

这个概念要用到光电管中。

设计使用时大概算算，心里有个数；在电路板上试试，行的通，那就是它了。可以

测量Vce值，至少要小于0.1V就可以了。

常用的PNP三极管是2N5551，驱动40mA的LED（电压在24V）、蜂鸣器等均没有问题

。

2.6.2 三极管的具体应用

实际上，已经有象7407、ULN2003可以取代三极管在数字电路中的作用；但是，有

时是受到PCB面积的制约，有时是为了降低成本，有时是因为布局方便，在1~2个输

出点时，还是可以使用三极管来做驱动的。

例如：驱动一个蜂鸣器；往往系统中的蜂鸣器跟其它驱动设备，继电器等，距离较

远；这时，没有必要使用一片7407，或者ULN2003来驱动；驱动的接口如下：

Re:从51初学者到电子工程师（转帖）

2.7 光电管

我这里所谓的光电管有2种：

1) 反射型光电管

2) 对射型光电管

这2种产品在市场上又可分为调理好的和没有调理好的；

这2种光电管在电子产品世界和电子技术应用杂志上都有大量的广告。随便找一本

都有。

我所说的调理好的指的是内部已经加了限流电阻和输出的放大驱动电路了。它的特

点是只有3根线，电源2根，输出信号一根，TTL电平的；但是，有时受到某种限制

，需要使用没有调理好的，怎么办呢？

参见下图：光电管原理框图

这种没有调理好的光电管在使用时，需要做一块小的电路板，在发光管加限流电

压电陶瓷的发声器件，给它加上电压就会引起震动从而发声，其实就是个扬声器，不过不是基于电磁原理而是压电效应。

它也可以用来当做麦克风（逆向使用，不多见），当它受到振动时，其表面就会产生一个电压

你说它跟一个线圈连接在一起，那个线圈是为了增大它的音量（提高电压，声音信号不是交流的嘛），压电陶瓷的电阻非常大，常以高压小电流驱动。

这种压电陶瓷价格非常便宜，批发甚至只有几分钱一个，常用来制作门铃、闹钟、手表等不需要音质、厚度或成本要求苛刻的东西上面(不能用它听歌（和铉可以，早期黑白屏手机用它），它仅适合发出单一频率的声音（尤其高频）)

另外说一下，压敏电阻在门铃里应该是用不到。。压敏电阻常出现在高端开关电源或一些需要类似防雷保护的设备上，在电压过高的时候起到保护作用，压敏电阻不是常用的器件，大多数电器上都不用它（很多电路可以替代且性能更好）

你可以上百度搜索一下“压电陶瓷”或“压电蜂鸣器”了解它更多的特性及用途，如逆向使用，把它贴在玻璃橱窗上，与报警装置相连，文物防盗，玻璃被破坏（捕捉到特定频率的震动）就会触发警报，粘大胶布加玻璃刀也休想~

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你。。可以发个图片吗?....

单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路。

51单片机最小系统原理图：

51单片机最小系统电路介绍：

1. 51单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10~30uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。

2. 51单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。

3. 51单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用15~33pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好4.P0口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。

设置为定时器模式时，加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。