本日禀享一个由【河北大学科技创新协会】的学生和老师共同准备的入门案例——51单片机开拓板。
本文将分享其电路事理，有很多根本知识！
小白都能看懂的那种！
工程描述
这是一个基于STC15F2K60S2单片机设计的智能仪器实验板。
本文将分享开拓板的——功能解释、电路事理、事理图设计、PCB设计、焊接、参考程序。
功能解释采取方口USB和DC口进行供电外部中断按键程序演示跑马灯，输出低驱动DS18B20读取温度串口1输出并且在LCD1602上显示蜂鸣器播放音乐八月桂花超声波测距，LCD1602显示读光敏电阻A/D转换值并打算亮度呼吸灯，LED从亮到暗再从暗到亮
电路事理开拓板紧张由——电源配置部分、PL2303下载电路、STC15最小系统、LCD1602屏幕、 LED模块、蜂鸣器模块、DS18B20测温模块、超声波测距模块、按键模块、分压电压跟随器电路模块，这10部分电路组成。
下文将对各模块电路事理进行剖析。
1.电源配置部分
由于DC口输入电压大于单片机的利用电压，因此采取LM317进行降压。
LM317器件的紧张参数：输出电压:1.25-37V DC;输出电流:5mA-1.5A芯片内部具有过热、过流、短路保护电路;最大输入-输出电压差:40V DC最小输入-输出电压差:3V DC。图3.1 电源输入电路
2.PL2303下载电路
采取串口下载和USB转TTL下载两种烧录办法。
PL2302作为一种USB转串口芯片，可实现将USB接口仿照成一个串口。
单片机上的串行通信通过单片机的RXD、TXD、VCC、GND四个引脚，相应电平逻辑遵照TTL原则。
PL2303的TXD引脚和RXD引脚分别与单片机的RXD引脚和TXD引脚相连，这样就完成了单片机的串口与USB口的转换。
单片机从串口发送出去的数据信息通过PL2303芯片转换为USB数据流，再通过USB口的连接器传送给主机设备。PL2303与单片机的连接非常大略，只需两根旗子暗记线就可以。
图3.2 串口下载电路
3.STC15最小系统
最小系统是嵌入式入门的根本，为单片机事情的最低哀求，不含外设掌握，事理大略。其紧张由电源，时钟，调试，复位，以及掌握芯片五大部分组成。
图3.3 单片机最小系统
表1-1 单片机引脚功能表
4.LCD1602屏幕
LCD1602调节背光方法：将电位器中间引脚接到LCD1602第三引脚，电位器其他任意一脚接地，通过调节接入电阻大小改变背光强度，调节电位器即可达到调光效果。
图3.4 LCD1602事理图
5.LED模块
LED电路可通过一组7位并行端口分别掌握7个LED灯实现多样化的流水灯显示。
七位LED为共阳LED电路，电阻为限流电阻。
当单片机引脚为低电平时，电路导通，LED灯点亮。
个中绿色LED较暗，可以焊接阻值比较小的限流电阻；其他灯亮度高，可以利用阻值较大的限流电阻。图3.5 LED电路事理图
6.蜂鸣器模块
这里选择的是无源蜂鸣器。
利用单片机IO口产生脉冲旗子暗记通过8050这个NPN三极管驱动蜂鸣器产生声音。
由于无源蜂鸣器内部不带震荡源，须要掌握器供应震荡源才可发声。
为了仿照腔调，我们须要利用定时器计时，将精确的频率旗子暗记输入蜂鸣器，即可发出不同腔调的声音。
图3.6 蜂鸣器事理图
7.DS18B20测温模块
DS18B20模块是一款常用的数字温度传感器。
事情事理是：
低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲旗子暗记发送给计数器1；高温度系数晶振随着温度变革，振荡频率也会明显改变，所产生的旗子暗记作为计数器2的脉冲输入；得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。
由于它通信是单总线构造，为防止旗子暗记滋扰外接了一个100nf的去耦电容，利用4.7K电阻作为旗子暗记上拉。
DS18B20的温度检测范围为-55℃至+125℃，并且在温度范围超过-10℃至85℃之外时还具有+-0.5℃的精度。
这次设计的测温模块可以通过传感器本身将采集到的温度转换成数据。
图3.7 DS18B20测温事理图
8.超声波测距模块
超声波测距采取最常用的SR-04模块。
为了使拆卸方便以是封装采取 4PIN2.54MM 的排母，VCC加 104 的去耦电容。
超声波测距事理：
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时候的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波吸收器收到反射波就立即停滞计时。
超声波在空气中的传播速率为340m/s，根据计时器记录的韶光t，就可以打算出发射点距障碍物的间隔(s)，即：s=340t/2 。
这便是所谓的韶光差测距法。
当超声波在空气中的传播速率为已知，就能丈量声波在发射后碰着障碍物反射回来的韶光。根据发射和吸收的韶光差，打算出发射点到障碍物的实际间隔。
由此可见，超声波测距事理与雷达事理是一样的。
测距的公式表示为：L=C×T
式中L为丈量的间隔长度；C为超声波在空气中的传播速率；T为丈量间隔传播的韶光差(T为发射到吸收韶光数值的一半)。这次设计的超声波测距模块可通过与单片机模块相结合实现测距，并将结果通过LCD屏直接显示。
图3.8 超声波测距接口图
9.按键模块
独立按键采取4个6.13.7MM-SMD封装的贴片按键。
将按键长接地，按键按下时，对应引脚接地，单片机吸收按键输入旗子暗记，为低电平触发。
图3.9 按键事理图
10.分压电压跟随器电路模块
光敏电阻事情事理：
光敏电阻是一种分外的电阻，简称光电阻，别号光导管。
它利用半导体的光电导效应，制成电阻器，又称为光电导探测器。
它的电阻值和光芒的强弱有直接关系。
光强度增加，则电阻减小;光强度减小，则电阻增大。光敏电阻的事情事理是基于内光电效应。
——当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值(亮电阻)急剧减少, 电路中电流迅速增大。
电压跟随器的浸染：
电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的浸染。
电压缓冲：电压跟随器常用作中间级，以“隔离”前后级之间的影响，此时称之为缓冲级。基本事理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点；
电压隔离：输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”浸染；
其余，电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，可以极度一点去理解：
当输入阻抗很高时，就相称于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相称于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。图3.10 AD转换事理图
事理图设计
1.新建工程
打开嘉立创EDA专业版。
创建新工程。
将工程命名为51单片机开拓板。
根据以下电路进行绘制电路事理图。
图4.1 51单片机开拓板
2.物料清单
本次项目的设计所有元件都可以在嘉立创的元件库中搜索。
图4-2 物料清单
PCB设计
完成电路图设计后，检讨电路网络是否连接精确，确认无误后将事理图转为PCB，并将文件命名。
1.边框尺寸
PCB尺寸：10cm10cm。
2.PCB布局
PCB布局遵照以下原则：
1.元件放置按照先大后小的规则；
2.接插件、外接端口放到板子边缘，比较高的器件把稳不能相互关涉，要便于元件的焊接和拆装；
3.退耦电容的放置，先过电容再接芯片，位置只管即便靠近电源引脚；
4.贴片元件地引脚旁放置地孔。
图5.1 PCB布局参考图
3.PCB走线
PCB板为两层板设计，顶层线为赤色线，底层线为蓝色线。
走线时按照飞线指引进行连线。
布线时要把稳：
1.布线的顺序，先布主要的电源线和旗子暗记线；
电源线：1A对应1mm加粗，常规20-30mil；旗子暗记线：8-12mil；2.导线只管即便走直线，须要迁移转变时要走钝角，避免直角和锐角的涌现。
4.铺铜与丝印
布线完成后，顶层底层都须要铺铜。
记得对元件的丝印进行调度，对分外引脚、开关添加丝印注释，只管即便做到整洁都雅。
焊接解释
1.焊接教程
焊接前对元器件引脚和电路板的焊接部位进行处理。
可分为“刮”、“镀”、“测”三个步骤：
刮：焊接前做好焊接部位清洁事情，去除引脚、印制电路板上的污垢；镀：在刮净的元器件部位上镀锡；测：利用万用表检测所有镀锡元器件是否质量可靠。做好焊接前处理后，可进行正式焊接。
判断电烙铁温度时可将电烙铁碰触松喷鼻香，若有声音解释温度得当，焊接一样平常可分为这3个步骤：
1.烙铁上先熔化少量的焊锡和松喷鼻香，将烙铁头和焊锡丝同时对准焊点；
2.在烙铁头上的助焊剂尚未完备挥发时，将烙铁头和焊锡丝同时打仗焊点，开始融化焊锡；
3.当焊锡浸润全体焊点后，同时移开烙铁头和焊锡丝。
2.焊接顺序
先将电路板的按键焊接。
接着焊接LED灯，数码管，芯片座与可调电阻等器件。
末了安装相应芯片与单片机，以及1602液晶屏和超声波测距等器件。
3.焊接调试步骤
烧写运行灯程序，利用Keil5编译环境。
烧写实验板完全程序，完成剩余步骤的调试。
参考程序
程序紧张包括以下部分：
IO口掌握-跑马灯DS18B20读取温度LCD1602驱动显示LCD1602滚动显示蜂鸣器驱动外部中断超声波测距AD转换程序汇总-按键切换功能结语什么！
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参考资料：
[1]https://oshwhub.com/hbu_kejichuangxinxiehui/51-dan-pian-ji-kai-fa-ban
— 完 —
嘉立创EDA·头条号
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