标题: 自制Arduino最小系统板，集成N多种功能！赶快来围观吧 [打印本页]
作者: lzy1999    时间: 2018-11-15 16:49
标题: 自制Arduino最小系统板，集成N多种功能！赶快来围观吧
本帖最后由 lzy1999 于 2018-11-22 12:01 编辑

前文：
        最近想做点遥控的小玩具，所以一直在寻找一款实用的开发板（最好是兼容Arduino的，因为我只会玩arduino，对于其他单片机编程烧写什么的一概不知道。。。），所以苦苦寻找了许久，然后发现了下面两款板子：号称世界上最小的arduino：基于ATTINY85的主板以及DF家的beetle。这两块板子体积都挺小的beetle（20*22mm）以及attiny85（23*18mm），功能上来说肯定Beetle更加优秀，但是价格略高。便宜的attiny85仅有的6个端口并不够我使用。。而且对于一些项目来说，对于主板的体积还是有一定要求的，这两块板子搭配上扩展板之后可能过于庞大（而且市面上还找不到这样的扩展板，DF家到是出了一块，但仅仅是将所有引脚引出）。于是纠结好久之后，按捺不住想自己画板子了，于是有了下文。


（上面是两种市面上可以购买到的最小的Arduino板）


                                         第一部分
       选取自己想要的功能是十分必要的，俗话说鱼和熊掌不可兼得，画电路板也是一样，不可能一块小小的板子上啥功能都有，所以先要明确自己的使用环境以及所需要的功能！！！
我的使用环境：
       一些无线遥控的玩具或者机器人上，体积上越小越好，这些玩具一般是3.7V锂电池供电的，而且驱动方式一般是以电机或者舵机为主，一般至少3路电机驱动，当然要有可以控制玩具灯光的接口,因为这样比较炫酷，嘻嘻。
      
       有了使用环境，那么需要的功能就很明了了！下面就是我列举的一些功能：
1.首先最主要的是遥控！！（重点！），所以一个给无线通讯模块预留的接口是最重要的，同时呢，给无线模块供电工作也要做好！！（不然供电电压不够的话无线模块输出的数据就乱掉了，然后整个单片机就傻掉了。。。。然后就。。。）

2.供电方式是3.7V锂电池，所以一路电源升压电路是肯定必要的啦，这个电路可以将锂电池的电源升压到5V之后输出给单片机使用的。那么，电池玩着玩着没电了怎么办？这时候有个电压报警器就是很方便的了，他可以很好的保护我们的电池不会过放电！所以，划重点！！锂电池供电部分我们需要一个升压电路和一个电压报警器电路。

3.说到电源的问题，是不是我们日常见到的电压有两种呢？一种是3.3V，一种是5V，有些芯片工作需要5V但是有的只要3.3V。你可能会问两个不就是差1.7V吗，接上去也没多大事，然而事实是这个芯片可能会活不久。。（不要问我怎么知道的）因此，为了兼顾多种芯片，我决定多加上输出电压3.3V的稳压电路。

4.驱动方面，我说到主要是以舵机和电机为主，舵机可能不需要驱动（直接接PWM输出就好了），但是电机是必须要接驱动的（曾经有直接用单片机端口驱动电机的，后来他就弃坑了。。。）而且接上驱动模块之后电机还可以调速以及调节正反转。所以至少3路的驱动以及一路或者多路的舵机接口是必要的。

5.控制灯光的接口就比较好弄了，直接怼上单片机的I/O口即可（注意单片机I/O口控制一般小的led还是可以的，谁要控制什么1w或者10w的大功率led灯珠就是作死了。。。）

6.需要带有一些常规的数字接口或者模拟输入接口（这个数量当然是越多越好，方便后期扩展）

整理了一下，我列出了一个表格：



        列出来了需要的功能，我感觉整个工作就完成了一大半，有选择恐惧症的我在决定哪些功能时候真的是非常头痛，然而现在感觉好了许多，设计的方向也就比较明了了。

                                   接下来就是纠结的选器件了：
1.单片机的话我是真的除了atmel系列之外都不会，所以我毫不犹豫的选了Atmega328P-AU，这个芯片也是Arduino nano上使用的，由于需要体积小巧的要求，所以我选择的是贴片TQFP封装的。而且这个芯片买回来烧写上bootloader之后就可以使用Arduino ide来开发了，这也是我选择它的原因。

2.单片机选了当然需要一个Rs232转串口芯片给Atmega328p写程序啊，但是我并不想给整个板子加上一个电平转换芯片，一个是因为这样会占用本来就小的版面空间和多出一个usb接口，我还不如使用类似Arduino pro mini的那种方案，使用外置的RS232转TTL芯片去给328p写固件，这样可以最大化的节省板面空间（正经脸.JPG）

3.对于无线模块的选择可以说是非常重要了，稳定的模块决定了通讯的质量是否足够高，也决定了遥控的延迟以及手感。这部分我木有太多纠结，因为目标非常明显，就是NRF24L01，用过的都说好。而且使用SPI协议与Atmega328p通讯，速度快且稳定。这里放一张NRF24L01的图：


4.  5V升压的电路的设计我取自一款升压模块的电路，我在网上找到了原理图，如下：芯片使用的是E50D，输入电压0.9V-5V，恒定输出电压5V，最大输出电流超过500ma，足够我使用了。




5.3.3V的稳压芯片我使用的是MIC5205-3.3，MIC5205是一款LDO芯片（低压差线性稳压芯片）输入电压与输出电压之间最少可以只有350mv的电压差，对于电源不太稳定的电路实在再合适不过，最大输入电压16V，最大输出电流150ma，恒定输出电压3.3V。电路图如下：




6.电机驱动我并没有选择使用集成的电机驱动IC，因为我看了看封装都过于庞大，不适合这种小体积项目，而且我并不太需要双向的驱动，只用单向的即可。挑来挑去，我决定使用最简单的mos管驱动电机，便宜而且实用。mos管的话我使用的是nmos管，不建议使用pmos管的原因是pmos管的导通内阻较大，会造成很大的损耗。对着数据表格看了半天之后，我看中了AO3400，最大通过电流5.7A，足够使用了。




7.对于板子我还添加了一路电压输入，因为顾及到有些电池电压在5V以上的情况（例如7V，9V和12V）我的板子也要可以正常工作，于是我添加了一个降压电路，可以将输入的7-12V电压降到5V供给整个系统使用。芯片选的是ME6210A50PG，同样是一款低压差线性稳压芯片，最大输入电压18V，最大输出电流500ma，恒定输出电压5V，电路图如下：




至此为止，所有的器件都选择完毕了，下面就是细化每个部分的设计以及将电路图画出来。我会介绍一些基本的电路知识给大家，请大家拍砖。

                                         第二部分
       对于电路的设计，我主张从大到小，从重要到次要的顺序来设计：这样我们可以搞清楚整个系统的主次关系，方便日后查找问题。
1.Atmega328P外围电路的设计
         Atmega328p的外围电路着实简单，仅需要几个器件就可以完成（基本上就是晶振电路和复位电路）没有什么好说的，我也省省篇幅，歇一会。。。上图！！！




2.NRF24L01接口的设计
        NRF24L01与Atmega328P采用SPI协议进行通讯，所以我将对应的引脚连接到Atmega328P上。在这里我给电源正负极之间接了一个47uf的电解电容，是为了保证电压的稳定（因为NRF24L01对电源的要求还是比较高的）




3.锂电池升压电路的设计（输入0.9-5V，输出5V）
        整个升压电路其实就只需要几个零件，在这里我说明需要注意的一些事项：选择的电感一定要是功率电感，二极管的话务必使用肖特基二极管（因为E50D的工作频率在300khz左右，所以普通二极管频率没有肖特基二极管这么快）推荐型号是1N5817或者1N5819




4.3.3V稳压电路的设计（输入5V，输出3.3V）
        首先放上电路图，这个电路没有什么需要的外围器件，仅仅一个电容用来滤波即可




5.7-12V降压电路的设计（输入7-12V，输出5V）
        这个电路和上一个基本上一样的，就是在输入端上加了一个10uf电容滤波，可以过滤掉一些输入电压的纹波。




6.电机驱动电路的设计
        对于电机驱动电路，电路图如下。其中单片机的输出信号脚经过一个保护电阻之后连接在mos管的栅极上，同时在mos管的栅极还有一个电阻接地，这是因为三极管的栅极存在结电容，所以这个电阻给mos管关断时候提供了一条电子释放通道。对于电动机的这类感性负载，用mos管控制开关的时候容易产生较大的感生电动势，容易击穿mos管，于是我添加了一个续流二极管在电动机的两端，来减少反向电压。同样的，这个二极管尽量选择肖特基二极管，以满足频率要求，我这里采用的是1N5819。




7.报警电路的设计
        对于这个报警器我想了很久，想过很多方式去控制蜂鸣器的鸣叫，纠结许久之后才定下来这个方案，采用Atmega328p采集电池电压数据，通过一个数字口来控制蜂鸣器的鸣叫。对于电压采集电路，因为输入的电压电压低于5V，所以直接使用Atmega328p的模拟输入端口读取电压数据。
        关于控制蜂鸣器的鸣叫，我选择的是有源蜂鸣器，这种蜂鸣器只需要给一个高低电平信号即可发出声音，但是声音频率是固定的，若是选择无源蜂鸣器，我还需要给它输入PWM信号，这样做会占用一个PWM口，所以权衡之下还是使用有源蜂鸣器。
        但是纠结的我又想了想，要是没电的时候一直响岂不是很烦人？我更希望是响一声，停几秒，再响一声，再停几秒。。这种的，于是我花了点时间回顾了单稳态触发器（我真的是给自己找坑挖。。。）最后设计出来如下电路：


       这里采用555芯片制作了一个单稳态触发器，触发器的输出口通过一个三极管控制蜂鸣器，需要注意的是蜂鸣器同样属于感性负载，务必接上一个续流二极管，这个二极管由于工作频率较低，没有什么限制。但是我还是选用了一个肖特基二极管（并不想多买一种二极管）555芯片的reset端我连接上了Atmega328p的四号端口，用这个脚的信号来控制整个蜂鸣器电路是否工作。这个电路即可控制蜂鸣器响一下，停一下。

8.其他输出接口的设计
       首先是给单片机下载程序的接口，如图


        然后是两种电源输出的接口（3.3V和5V）


         再就是4路模拟量输入接口（在这里我预留了Atmega328p的i2C接口A4和A5，方便连接其他使用i2C的设备）


       最后就是6路的数字输出口，其中D3，D5，D6，D9，D10 5路为PWM和I/O复用端口，方便连接舵机，接入其他电机驱动板或者连接其他传感器设备。D2脚作为Atmega328p的外部中断端口，可以控制单片机的中断操作。但是注意，D3,D5,D6口也用来控制板载的mos管，所以当使用板载mos管控制电机时，这几个管脚请不要使用。


                                                            总结
      至此为止，整个电路就设计完毕了，接下来就需要进行PCB电路板的排版以及布线，这个星期有点小忙，关于接下来的设计我会在下周放出，请大家期待，如果有什么关于电路设计以及PCB板的问题，欢迎大家提问，我会认真的回复你们。。
      最后，感谢你们阅读我写的这么多文字，希望我此次做的电路可以对你们提供一些帮助和引导，谢谢。


作者: hui468    时间: 2020-3-10 21:13
收藏了，慢慢学。
作者: wqx513    时间: 2020-3-16 20:16
受益匪浅，感谢分享
作者: tvtvtv00    时间: 2020-3-31 23:28
期待下文
作者: gch1    时间: 2020-4-1 21:20
用555芯片是败笔，其他不错
作者: 大佬千    时间: 2021-1-7 21:50
大佬选型讲究，最近我也在考虑集合这俩东西，学习了
作者: hhdsdy    时间: 2021-1-14 21:17
D4无法控制蜂鸣器响一声停几秒吗？



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