《第四章》自制Arduino最小系统板，经过再次改进后终于完成 -

标题: 《第四章》自制Arduino最小系统板，经过再次改进后终于完成 [打印本页]

作者: lzy1999 时间: 2018-12-6 21:37
标题: 《第四章》自制Arduino最小系统板，经过再次改进后终于完成
经过了上次的失败后，我又重新设计了电路，选取了一些合适的器件来改进我的这块板子，我之前总结了我的第一版电路的一些问题，我会在这一版的设计中来完善它。。。
首先放上我之前的问题：
1.电源以及动力线的宽度不够，可能导致电流大时候烧毁，需要重新设定线宽
2.AO3400封装错误
3.5V输出焊盘没有线连接
4.555芯片复位电路需要下拉电阻
5.经过多个考虑，还是想取消使用mos管驱动的方案，改为使用驱动芯片的方案
6.对于这个板子，输入电压可以从0.9V一直到12V,但是是需要从两个接口输入，并且经过两个电路去升压和降压，容易发生接错的问题，于是考虑更换升降压电路，改为从一个接口输入宽电压的方案
7.同时，为了适应宽电压的输入，我还需要重新设计电压采样电路

一共有七条问题，在这一次的设计中我会一个一个来解决。

                                                   第一部分
1.关于宽电压输入的电源方案改进
   第一次设计的电路是分成两个部分来进行的，一路5V升压电路一路5V降压电路，这样导致了整个电路的电压输入端口有两个，一个只支持低于5V的电压输入，一个只支持高于5V的电压输入，这样就导致了很多问题：
      >两路电源电路占据了大量的版面空间，导致其他元件的摆放受到很大影响
      >两路电源输入接口容易混淆，容易造成烧坏电路板现象发生
      >让整个电路板的功耗增加
   介于这三个问题的存在，我给出了两种解决方案，这两种方案都将原来的两个输入口合二为一，希望大家予以借鉴
一、采用BUCK-BOOS电源芯片的自动升降压电路
   首先为大家讲解一下什么是buck-boost，顾名思义buck意思为降压，boost意思为升压，和我们常见的降压或者升压芯片不同，这种电源芯片将升压电路和降压电路合二为一，集成在一个芯片中，而且可以在升压模式和降压模式之间自动切换，可以达到对于宽范围电压输入，给出稳定电压输出的要求，十分适合我的要求。对于自动升降压的原理可以自行去百度搜索一下斩波电路，里面有很详细的讲解。这里我选择的是来自德州仪器的TPS63060芯片。
   下面给出它的数据表：

可以看出最大输出电流超过1A，足够我的使用，而且支持2.5V到12V的输入电压，非常适合我的项目，所以我就决定使用它了！
电路的设计我在这款芯片的数据手册里面找到了如下的典型电路，我直接使用这个电路即可，下面是电路图：

对于这个电路我简单的讲解一下外围元件的功能，电压输入首先经过2个10uf的滤波电容，进入到芯片中，然后经过内部斩波电路，从out口输出，输出端通过两个电阻分压形成反馈电压，从FB口进入，同时输出电压给Power Good端口提供上拉，最后经过3个22uf滤波电容输出。电感L1给斩波电路提供了储能，所以会通过大电流，这点在布线的时候注意留出足够的线宽。

二、采用ME6210A33的降压电路

查询Atmega328手册，发现Atmega328同样可以在3.3V电压下运行，而我供电使用的锂电池最低电压是咋3.7V左右，所以完全可以使用一个低压差线性稳压器为整个电路提供电源，由于我使用的无线模块NRF24L01同样是工作在3.3V电压的，所以这一举动可以将原来的三个电源IC缩减到一个，这会省下很多的空间以及价格。故我开始寻找合适的稳压芯片。对于这款稳压芯片，我需要压差非常小的稳压IC，而且同样需要可以兼容我的大电压输出（12V），所以一番寻找过后，我选择了ME6210A33这款，下面是数据表：

可以看出在200ma的输出电流环境下，输入与输出之间的压差只有260mv，这个参数完全可以达到我的要求，而且最大输出电流可以达到500ma，虽说没有TPS63060的输出电流大，但是也是足够我使用的，而且最主要的是ME6210A33的外围电路简单，故我将选择这个芯片方案，我在这款芯片的数据手册里面找到了典型电路，我将直接使用它：

整个电路非常简单，外围电路只需要两个滤波电容即可。
到这里，电源电路的改进就结束了。

2.电压采样电路
由于需要采集宽范围的电压（3.7-12V）,最大电压超出单片机所能够承受的电压了，我不能直接将Atmega328的模拟输入引脚连接到电压输入上，所以我需要设计一个分压电路，电路图如下：

由于使用3.3V给单片机供电的缘故，单片机内置ADC的参考电压引脚也为3.3V，所以导致我需要一个能将最大电压12V分压到3.3V以下的电路，综合了常用电阻值和电压检测的精度之后，我选择了150k和50k作为分压电阻，因此根据电阻分压公式，R11上的电压等于BAT端电压的四分之一，因此当A0引脚读到电压数据之后，将值乘以4即可计算出输入电压。所以在A0脚的最大电压为12/4=3V左右，刚好适合单片机的ADC转换使用。

3.电机驱动的改进
第一次设计的mos管驱动电路，我将mos管买回来之后发现一接上电机就烧掉了，到现在一直没有找出是什么原因，所以不得已选择用集成驱动IC驱动电机。市场上电机驱动IC实在太多了，我需要挑选出满足我的要求的：
   输入电压一定要宽范围
   每一路的驱动电流要足够
   外围电路尽量简单
   需要的输入引脚尽可能少
选来选去，我看中了LG的L9110s，这是一款单路电机驱动芯片，而且外围电路简单，仅仅需要两个引脚就可以控制电机调速以及正反转以及刹车，最大电流800ma，足够我的使用了，下面放出典型的电路图：

需要大家注意的是，这类驱动IC一般都内置功率型NMOS管以及续流二极管，无需外接续流二极管，所以建议大家在驱动电机的时候尽量选择这类驱动IC，可以省略很多外围器件。
   至此元器件的问题都解决了，下面是PCB布线上的问题解决。

4.关于555芯片复位电路的下拉电阻
   上一次做的555芯片没有接下拉电阻导致Reset引脚的电位不稳定，导致上电之后蜂鸣器不受单片机控制的问题。于是我添加下拉电阻来稳定555芯片Reset引脚的电位，由于我的555芯片是低电平复位的，所以我添加了47K的下拉电阻，这样保证了555默认情况下为复位状态，不会有输出，而当单片机引脚给出高电平时，电阻上方为高电平信号，使能555芯片从而让蜂鸣器发声。

                                                      第二部分
由于我更换了新的电源电路以及驱动IC，所以我的PCB电路需要重新编排各个元件的位置以及重新布线，为了尽可能的考虑到各个器件的最佳工作环境以及最佳工作状态，我采用手动布线去有针对性的考虑各个器件的问题。
由于采用集成IC驱动电机，而且有三路，所以我将板子右端部分留给电机驱动芯片，并将关键的高频信号线（连接NRF24l01的SPI总线）以及预留的SPI接口全部放在离驱动芯片最远的左边区域，这样可以减少电机驱动等大电流的器件所带来的干扰。我将晶振也从原来靠近电源芯片旁边挪到了左下方，保证晶振电路的稳定。对于蜂鸣器和电源降压模块，我将他们放到了板子的上方。一番调整后，器件的位置大体定下来了。

我这一次会尤其注意导线的线宽，留出足够的富裕保证线路的可靠。一般的，EDA软件中计算长度都会使用mil单位，具体换算的话是1mil=0.0254mm
根据经验值，当铜箔为1oz厚时，0.4mm宽的导线大概可以通过1A的电流，换算成mil单位就是16mil，所以对于我的这个驱动芯片，最大电流为800ma，我将为电机驱动的线宽设计为40mil，留出超过两倍的富裕，保证稳定的使用。
对于高频信号和低频信号一定要分开布线，尽量避免多跟信号线长距离并行布线，这样会造成很大的干扰。
因为我的板子是两层板，所以没有内置的电源层和地线层，所以我将空白的区域全部铺铜并且和地线连接在一起，并且使用过孔将正反两面的地线连接在一起，我在元器件周围设置了许多过孔去连接两侧地线，保证每个元件都有最近的接地处理。
同时注意滤波电容的布置位置，对于单片机以及L9110芯片的电源滤波电容，一定要将电容靠近IC芯片放置以起到最好的效果，经过铺铜后的效果如下：

所以呢全部的部分都做完了，我已经将PCB文件发送给工厂加工，经过几天的等待之后，收到了寄回来的板子：

这一次呢只做了5块，因为我担心会出现一些意想不到的问题，所以先少做一点实验一下。收到了板子之后我检查了版面，发现没有看出明显的问题，所以我将元器件一一焊接上，具体的焊接教程可以参考上一篇帖子，里面有详细的讲解，经过一番焊接，我完成了，效果如图：（注：蜂鸣器我没有焊接，电机驱动我也只焊接了一块，只用来做实验用，后续的成品板子我会全部焊接上）

焊接完成之后就是给芯片烧写bootloader了，我使用一片Arduino nano当作烧写器，给这一块烧写bootloader，具体的烧写方法论坛里有很多教程，我在这就不详述了，烧写好了之后，这一块板子就可以使用了！我经过一番测量，发现所有的元件工作良好，电机驱动也可以正常工作，第一次设计出现的问题基本上得到解决，不过唯一的缺憾是这块板子没有5V电压输出，所以我们后续测试的时候只能采用3.3V的设备了。
在设计这块板子中，我遇到了很多困难，也学习到了很多知识以及掌握了很多经验，这将近一个月以来，我不断的完善我的设计，同时又在焊接测试中发现问题，我从中学会了很多技巧也获得了很多经验，所谓在实践中学习吧。希望各位也可以从我的经验中得到一些启发，对于我的这个设计，我相信还有许多不足的地方，希望有经验的大神可以在我的基础上改进，做出功能最强，体积最小的Arduino集成板。我在这里放上我的设计文件，希望大家下载学习，谢谢。

我重新列举一下此板的特点：
1.3路电机驱动（2路双向，1路单向，最大电流800ma每一路）
2.2路3.3V电源接口引出
3.一路3.7V-12V电压输入
4.板载电源电压检测电路
5.一路蜂鸣器报警电路
6.一个NRF24L01接口
7.一个串口（用作下载程序）
8.4路模拟量输入接口
9.一路SPI总线接口
10.预留arduino数字2，3，5，6，9口用作外部输入输出
11一路舵机接口（新增加的）

对于板载USB口的设想，我最近正在学习USB转串口的电路，会在以后的版本中增加USB转ttl芯片，这样就可以不再外接USB转ttl模块给板子烧写程序了，初步决定使用CH340的方案，我会在以后的版本中更新，希望大家持续关注。
到这里所有的制作Arduino最小集成板的过程就结束了，谢谢大家的浏览，如果你也想自己制作Arduino的最小系统板，或者遇到什么问题，欢迎来咨询我。也可以加我的QQ：2877137721来咨询。谢谢大家。

（PS：既这块板子完成之后，我会开始着手设计与之配套的遥控器电路，同样采用NRF24l01的无线通讯方案，如有想了解的同学请继续关注我，谢谢）

全部资料51hei下载地址：

自制最小板资料.zip (238.32 KB, 下载次数: 79)

作者: q576253056 时间: 2019-1-20 16:42
不错哦

作者: azi197417 时间: 2019-1-20 23:03
学习中@！很佩服作者的睿智和博大的胸怀！努力膜拜中！学习中！

作者: ChenJi123 时间: 2019-3-3 14:07
学习了感谢楼主

作者: ChenJi123 时间: 2019-3-30 22:29
感谢楼主分享学习了

作者: charleslim 时间: 2019-4-1 17:07
不错，很厉害

作者: okwwm 时间: 2019-9-11 10:04
很不错，支持

作者: basketwill 时间: 2019-10-25 13:01
不错哦,正需要这个

作者: 大健健 时间: 2019-10-27 19:21
L9110S直接用就行吗？还是需要加电容和二极管？

作者: 243791778 时间: 2019-11-27 15:16
不错不错学习学习

作者: lovegtr 时间: 2019-12-25 10:48
关于电压采集电路有一个问题，就是电路插上电池，一上电以后，电压采集A0就会有一个电压，但是如果此时单片机没有上电（因为要经过降压模块，可能有延时）。这样相当于A0端有电压，但是单片机没有工作，这样会损害单片机吗？

作者: 碌碌无为 时间: 2020-1-14 22:55
在电池供电的使用环境下，最小系统的用处不小，感谢楼主分享。

作者: 春风化雨 时间: 2020-4-22 13:01
很佩服作者的睿智和博大的胸怀

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