电路设计简明教程

电路设计简明教程
机电0602 肖霄 黄飞
目录
1.前言 (2)
2.数电模电基础 (2)
3.常用电子元器件介绍 (3)
4.常用电路及模块介绍 (10)
5.常用电机介绍 (13)
6.51单片机入门 (15)
7.Keil使用 (15)
8.Protel入门 (22)
9.电子元器件采购 (29)
10.电路设计注意事项 (29)
11.常见故障及电路检测 (31)
1.前言
机电一体化系统的组成及工作原理
一个较完善的机电一体化系统，应该包括以下几个基本要素：机械本体、动力单元、传感检测单元、执行单元、驱动单元、控制及信息处理单元，各个要素和环节之间通过接口相联系。

控制及信息单元即我们所说的控制电路，它是机电一体化系统的核心单元，其功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目的地运行，并到达预期的性能。

机电一体化系统开发过程中，一方面要求设计机械系统时，应选择与控制系统的电器参数相匹配的机械系统参数；同时也要求设计控制系统时，应根据机械系统的固有结构参数来选择和确定电器参数。

控制系统的设计方法一般有三种：取代法、整体设计法、组合法。

取代法即部分改造；整体设计法主要用于全新产品和系统的开发；组合法就是选择各种标准模块，像积木一样组合成完整的控制系统。

通常是三种方法各有渗透。

在设计控制系统时，必须具备一定的模电数电基础，以及一些必要的经验。

以下将分别做简单介绍，以期对大家有一个正确的引导作用。

2.数电模电基础
对模拟信号进行处理的电路称为模拟电路，对数字信号进行处理的电路称为数字电路。

对模拟信号最基本的处理是放大，而且放大电路是构成各种功能模拟电路的基本电路。

在电子系统中，常用的模拟电路及其功能如下：1.放大电路：用于电压、电流或功率的放大。

2.滤波电路：用于信号的提取、变换或抗干扰。

3.运算电路：完成信号的比例、加减乘除、积分、微分、对数指数等运算。

4.信号转换电路：用于将电流信号转换成电压信号或将电压信号转换为电流信号，将直流信号转换为交流信号或将交流信号转换为直流信号，将直流电压转换成与之成正比的频率信号等等。

5.信号产生电路：用于产生正弦波、矩形波、三角波、
锯齿波等。

数电课程主要介绍数制与编码、逻辑代数基础、逻辑门、触发器、组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲电路、模数数模转换电路、半导体存储器等。

数字电路中的逻辑运算是用门电路实现的，运算时必须解决用高低电平分别表示逻辑0和1两种逻辑状态，如果我们使用的电源电压值为5V，我们将1.8-5V定位高电平，并代表逻辑1，而把0-0.8V定为低电平，并代表逻辑0。

(对于在实际使用过程中为避免不稳定的情况发生，往往要求高电平在3-5v之间，低电平最好在0-0.5v之间，根据实际情况可适当放宽电压范围)学习数电时要注意以下几点：1.在具体的数字电路与基本的逻辑分析和设计方法之间应以分析与设计方法为主；2.在具体的设计步骤与所依据的基本原理和概念之间应以原理和概念为主；3.在集成块的内部工作原理和外部特性之间应以外部特性为主，以便正确使用。

模电数电课程通过对常用电子器件、电路及其系统的分析和设计方法的学习，使学生获得电子技术方面的基本知识、基本理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。

概括的说，基本理论主要是指电子电路的基本分析方法；基本知识是指基本的电子器件和电子电路性能以及主要应用；基本技能是指电子测试技术、电子电路的分析计算能力和识图能力。

3.常用电子元器件介绍
电阻
电阻的作用主要有三个：分压、限流、产生热能。

电阻按阻值特性可以分为:固定电阻、可调电阻、特种电阻(敏感 电阻)三类。

它是整个电路中功率损耗最大的元件之一，所以选择电阻时需要注意其功率，通常使用的电阻有1/8w、1/4w 等，常使用的单位有欧、千欧。

（在电路中没有给定阻值的情况下，电阻往往根据欧姆定律计算或经验得到，大多数情况下对电阻的阻值没有严格的要求，可以存在一定的偏差）
电容
独石电容 电解电容 瓷片电容 在很多电子产品中，电容都是必不可少的电子元器件，它在电子设备中
充当整流器的平滑滤波、电源和退耦、交流信号的旁路、交直流电路的交流耦合等。

由于电容的类型和结构种类比较多，因此，我们不仅需要了解各类电容器的性能指标和一般特性，而且还必须了解在给定用途下各种元件的优缺点、机械或环境的限制条件等。

常见电容有电解电容、瓷片电容、独石电容三种，其中只有电解电容具有正负极性，如何辨认电解电容的正负极性呢？这里提供两种方法，一，观察电解电容你会发现其两脚长短不一，其中较长的一脚是其正极。

二，观察电解电容的壳体，标有-图样的一极为负极。

常见单位微法、皮法。

二极管
二极管的主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。

常见的二极管有发光二极管(LED),整流二极管,稳压二极管,开关二极管等等。

发光二极管一般作为指示灯用其相对其他二极管正向导通电压较大,一般在1.6V到1.8V间（发光二极管通常两个引脚中长引脚接正极，短引脚接负极，若遇到无法判断发光二极管极性的情况可以使用万用表的二极管一档进行检测，同时该裆还能检测电路是否连通），而其他二极管一般在0.2-0.3V(鍺管),0.6-0.8V (硅管)。

整流二极管利用二极管的单向导通特性，从而可以将负极性电信号滤掉---半波整流，也可以进行其它的整流。

二极管的稳压作用是因为二极管反向接通时，在二极管被击穿的情况下，其电流将瞬间增大，这样在外电压增大时，二极管被击穿后增加的电流会通过二极管而不会经过与二极管并联的负载，从而可以保护与其并联的器件。

三极管
晶体三极管，是最常用的基本元器件之一，晶体三极管的作用主要是电流放大作用，它是电子电路的核心元件，现在的大规模集成电路的基本组成部分也就
是晶体三极管。

三极管有一个重要参数就是电流放大系数β。

当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流β倍的电流，即集电极电流。

集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。

三极管的作用还有电子开关，配合其它元件还可以构成振荡器，此外三极管还有稳压的作用。

继电器
继电器在电子设备以及电力系统中应用十分广泛，简单来就是一种用小电流来控制大电流的开关。

小电流通过线圈，产生磁场，这个磁场使得控制大电流的开关吸合。

从而使得人们能够安全的控制大电流大电压设备。

在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

继电器有“常开、常闭”触点，继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

微动开关
微动开关是一种行程小、瞬时动作的主令电器。

在很小的力的作用下，经过一定行程，能使触头迅速动作,实现电路的转换。

因此,微动开关是一个尺寸小而又非常灵敏的行程开关。

常见的有以上四种。

温度传感器DS18B20
DS18B20是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种数字化单总线器件，属于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器。

与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。

可以分别在93．75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。

因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

同时其“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入了全新的概念。

DS18B20“一线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃～125℃，在-10～+85℃范围内，精度为±0．5℃。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，用符号扩展的16位数字量方式串行输出，大大提高了系统的抗干扰性。

因此，数字化单总线器件DS18B20适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面都有了很大的改进，给用户带来了更方便和更令人满意的效果。

可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。

温度传感器PT100
特点：薄膜铂热电阻元件高温稳定性好良好的防震动和防冲击性能承受高电压，有良好的绝缘性。

输出模拟信号，需要专门的采集电路。

光电开关（光电传感器）
光电开关由发射器、接收器和检测电路三部分组成。

发射器产生光束，光束一般来源于发光二极管（LED）、激光二极管或红外发射二极管。

接收器接收光束，由光电二极管或光电三极管、光电池组成。

检测电路能够滤出有效信号并应用该信号。

观点开关利用被测物体对光束的遮挡或反射来检测物体有无，所有能反射光线的物体均可被检测。

多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波
电容式接近开关
检测原理：当物体靠近接近开关测头时，不论其是否为导体，由于它的接近，使电容介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的通断。

这种接近开关的检测对象不限于导体，可以是绝缘的液体或粉状物等。

ULN2803 达林顿管
ULN2803，集成多路反相驱动器，它是低逻辑电平数字电路和大电流高电压要求的灯、继电器、打印机锤和其它类似负载间的接口的理想器件。

广泛用于计
算机，工业和消费类产品中。

所有器件有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管。

ULN2803的设计与标准的TTL系列兼容，而ULN2804可使6至15伏高电平CMOS或PMOS优化。

TLP521
TLP521，光电耦合器，它以光为媒介传输电信号。

它对输入、输出信号具有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。

光电耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收以及信号的放大。

输入的电信号驱动发光二极管使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生电流，再经过进一步放大后输出。

这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出隔离的作用。

光电耦合器的主要优点是信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。

光电耦合器是70年代发展起来的新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、信号隔离等场合。

（使用时一定要注意，首先是连接，输入端与输出端的电源一定要分开，否则起不到隔离的作用，输出端电源可以通过高电压稳压得到）
TLC0831
模数转换器件在单片机系统中是前向输入器件，它可以将外部模拟量进行采集、转换成数字量，再经过单片机内部的运算、滤波等处理。

TLC0831是TI公司推出的8位模数转换芯片，该芯片工作电压为5V，采用逐次逼近式转换结构，具有串行控制功能。

250kHz的频率下，转换时间约为32μs。

该芯片具有的串行控制功能使其在与微处理器接口时，能大大节省微处理芯片的I/O口。

MAX187
MAX187是美信公司推出的12位A／D转换芯片，内部含有采样／保持电路，单5 V操作电源，转换速度为8．5μs，具有片上4．096 V参考电压，模拟量输入范围为0～VBEF。

三线串行接口，兼容SPI，QSPI，MicroWire总线。

MAX187用采样／保持电路和逐位比较寄存器将输入的模拟信号转换为12位的数字信号，其采样／保持电路不需要外接电容。

MAX187有2种操作模式：正常模式和休眠模式，置为低电平进入休眠模式，这时的电流消耗降到10μA以下。

置为高电平或悬空进入正常操作模式。

MAX187仅有8个引脚，外围接线很少。

体积小、速度快、精度高。

晶振
晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。

晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振，较高的频率为并联谐振。

由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。

一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。

一般的晶振的负载电容为15p或12.5p，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。

晶体振荡器分为无源晶振和有源晶振两种类型。

无源晶振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator （振荡器）。

无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振是一个完整的谐振振荡器。

接插件排针排母
另外还有一些集成电路，大家以后会慢慢接触到，在此不一一列举出来。

4.常用电路及模块介绍
单片机最小系统
稳压电路
用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。

在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（小功率的条件下可不用）。

当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。

TLP521应用电路
521-1内部结构: 1跟2脚之间是一个发光二极管,1脚是发光二极管的正端,2脚是发光二极管的负端；3跟4脚之间是一个见光导通的三极管,3脚接的是集电极,4脚接的是发射极。

典型应用电路:
接线方式有两种：（1）3脚下拉电阻接地，4脚接＋5V，3脚为I/O输出端，这种接法导通输出为1，截止输出为0。

（2）4脚上拉电阻接＋5V，3脚接地，4脚为I/O输出端，这种接法导通输出为0，截止输出为1。

（同上）
ULN2803应用电路
可以把ULN2803理解为多个大功率三极管的组合，9为公共接地（类似于三极管的射级），1-8为各路输入（类似于三极管的基级），11-18为各路输出（类似于三极管的集电极），10管脚为与每个输出相连的起反向续流作用的二极管的另一端，当接感性负载时，该管脚接电源，其他情况悬空即可。

当ULN2803输入端为高电平时，对应的输出口输出低电平，即对地导通，因次可以直接驱动继电器。

遥控开关
分为三类：1.互锁型：继电器交替吸合。

如按A键，A接通并锁定一直接通，再按B键断开A，B接通并锁定一直接通，C键、D键依此类推，四路互锁，只能有一路接通，实际应用如电风扇档位开关电路等。

2、自锁型：继电器独立工作,不相互干扰。

按遥控键吸合相应继电器，如按一次A键是接通,再按一次A键是断开，B、C、D同样，四路可独立通断，各个键的操作只会对对应的继电器有效，不影响其它继电器。

可同时遥控4路，如灯具的控制等。

3、非锁（点动）型：不能同时工作，只能其中一路点动工作。

如按紧A键A接通，手松开断开，A、B 、C、D不能同时独立工作。

适用于如电动门、电动门锁、与单片机对接等只需要一个高电平的电路等。

遥控开关的断开闭合需要通过转换电路转换为高低电平输出才能被单片机系统应用，同时考虑到继电器动作时会产生抖动，所以必要时需要光电隔离。

串口通信电路
串行通信是CPU与外界交换信息的一种基本方式。

单片机应用于数据采集或工业控制时，往往作为前端机安装在工业现场，远离主机，现场数据采集采用串行通信方式发往主机进行处理，以降低通信成本，提高通信可靠性。

51系列单片机自身有全双工的异步通信接口，实现串行通信极为方便。

串行通信的距离、传输的速率与传输的电器特性有关，传输距离随传输速度的增加而减少。

51单片机与PC机采用的是三线制连接。

值得注意的是RS-232的电平特性，RS-232采用的是EIA电平，在TXD和RXD数据线上，逻辑1为-3v至-15v，逻辑0为3v 至15v。

很明显，RS-232的EIA标准是以正负电压来表示逻辑状态的，与TTL 以高低电平表示逻辑状态的规定不同，因此必须进行电平转换。

常用的电平转换
芯片MAX232，其内部有电压倍增电路和转换电路，仅需要外接5个电容和+5v 便可工作，使用十分方便。

L298N电机驱动模块
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。

该芯片采用15脚封装。

主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。

内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。

使用L298N芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。

5.常用电机介绍
电机是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。

按用途可划分为驱动用电机和控制用电机。

驱动电机有直流电机和交流电机；控制电机有步进电机和伺服电机。

直流电动机具有调速性能好、起动容易、能够载重起动等优点，所以目前直流电动机的应用仍然很广泛，尤其在可控硅直流电源出现以后。

异步电动机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小，成本较低等优点。

异步电动机广泛应用于驱动机床、水泵、鼓风机、压缩机、起重卷扬设备、矿山机械、轻工机械、农副产品加工机械等大多数工农生产机械以及家用电器和医疗器械等。

步进电动机主要应用在数控机床制造领域，由于步进电动机不需要A/D
转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以一直被认为是最理想的数控机床执行元件。

除了在数控机床上的应用，步进电机也可以用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。

伺服电动机广泛应用于各种控制系统中，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控制元件，从而达到控制目的。

伺服电动机有直流和交流之分，最早的伺服电动机是一般的直流电动机，在控制精度不高的情况下，才采用一般的直流电机做伺服电动机。

目前的直流伺服电动机从结构上讲,就是小功率的直流电动机,其励磁多采用电枢控制和磁场控制,但通常采用电枢控制。

另外还有舵机，相关资料可以上网查阅。

6.51单片机入门
单片机是微型计算机的一种，是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多功能I/O接口等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路，又称微控制器（MCU）。

它专为工业测量、控制而设计，具有集成度高、可靠性高、性价比高等优势，其特点是体积小、功能全，主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪表、通信设备、家用电器等，特别适合于嵌入式微型计算机应用系统。

常用单片机是51系列单片机，比较常用的型号是stc89c52rc（能用串口烧写程序）以及at89s52（通常使用USB-ISP烧写器烧写）。

7.Keil使用
Keil C51 软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑，编译，仿真于一体，支持汇编,PLM 语言和C 语言的程序设计，界面友好，易学易用。

进入Keil C51 后，屏幕如下图所示。

几秒钟后出现编辑界面。

启动Keil C51时的屏幕
进入Keil C51后的编辑界面
简单程序的调试
学习程序设计语言、学习某种程序软件，最好的方法是直接操作实践。

下面通过简单的编程、调试，引导大家学习Keil C51软件的基本使用方法和基本的调试技巧。

1)建立一个新工程
单击Project菜单，在弹出的下拉菜单中选中New Project选项
2)然后选择你要保存的路径,输入工程文件的名字,比如保存到C51目录里,工
程文件的名字为C51
如下图所示,然后点击保存.
3)这时会弹出一个对话框,要求你选择单片机的型号,你可以根据你使用的单片机来选择,keil c51几乎支持所有的51核的单片机,我这里还是以大家用的比较多的Atmel 的89C51来说明,如下图所示,选择89C51之后,右边栏是对这个单片机的基本的说明,然后点击确定.
4)完成上一步骤后，屏幕如下图所示
到现在为止，我们还没有编写一句程序，下面开始编写我们的第一个程序。

5)在下图中，单击“File”菜单，再在下拉菜单中单击“New”选项
新建文件后屏幕如下图所示
此时光标在编辑窗口里闪烁，这时可以键入用户的应用程序了，但笔者建议首先保存该空白的文件，单击菜单上的“File”，在下拉菜单中选中“Save As”。