《第四章》自制Arduino最小系統(tǒng)板，經(jīng)過再次改進(jìn)后終于完成

ID:241755 · 發(fā)表于 2018-12-6 21:37

經(jīng)過了上次的失敗后，我又重新設(shè)計(jì)了電路，選取了一些合適的器件來改進(jìn)我的這塊板子，我之前總結(jié)了我的第一版電路的一些問題，我會(huì)在這一版的設(shè)計(jì)中來完善它。。。
首先放上我之前的問題：
1.電源以及動(dòng)力線的寬度不夠，可能導(dǎo)致電流大時(shí)候燒毀，需要重新設(shè)定線寬
2.AO3400封裝錯(cuò)誤
3.5V輸出焊盤沒有線連接
4.555芯片復(fù)位電路需要下拉電阻
5.經(jīng)過多個(gè)考慮，還是想取消使用mos管驅(qū)動(dòng)的方案，改為使用驅(qū)動(dòng)芯片的方案
6.對于這個(gè)板子，輸入電壓可以從0.9V一直到12V,但是是需要從兩個(gè)接口輸入，并且經(jīng)過兩個(gè)電路去升壓和降壓，容易發(fā)生接錯(cuò)的問題，于是考慮更換升降壓電路，改為從一個(gè)接口輸入寬電壓的方案
7.同時(shí)，為了適應(yīng)寬電壓的輸入，我還需要重新設(shè)計(jì)電壓采樣電路

一共有七條問題，在這一次的設(shè)計(jì)中我會(huì)一個(gè)一個(gè)來解決。

                                                   第一部分
1.關(guān)于寬電壓輸入的電源方案改進(jìn)
   第一次設(shè)計(jì)的電路是分成兩個(gè)部分來進(jìn)行的，一路5V升壓電路一路5V降壓電路，這樣導(dǎo)致了整個(gè)電路的電壓輸入端口有兩個(gè)，一個(gè)只支持低于5V的電壓輸入，一個(gè)只支持高于5V的電壓輸入，這樣就導(dǎo)致了很多問題：
      >兩路電源電路占據(jù)了大量的版面空間，導(dǎo)致其他元件的擺放受到很大影響
      >兩路電源輸入接口容易混淆，容易造成燒壞電路板現(xiàn)象發(fā)生
      >讓整個(gè)電路板的功耗增加
   介于這三個(gè)問題的存在，我給出了兩種解決方案，這兩種方案都將原來的兩個(gè)輸入口合二為一，希望大家予以借鑒
一、采用BUCK-BOOS電源芯片的自動(dòng)升降壓電路
   首先為大家講解一下什么是buck-boost，顧名思義buck意思為降壓，boost意思為升壓，和我們常見的降壓或者升壓芯片不同，這種電源芯片將升壓電路和降壓電路合二為一，集成在一個(gè)芯片中，而且可以在升壓模式和降壓模式之間自動(dòng)切換，可以達(dá)到對于寬范圍電壓輸入，給出穩(wěn)定電壓輸出的要求，十分適合我的要求。對于自動(dòng)升降壓的原理可以自行去百度搜索一下斬波電路，里面有很詳細(xì)的講解。這里我選擇的是來自德州儀器的TPS63060芯片。
   下面給出它的數(shù)據(jù)表：

可以看出最大輸出電流超過1A，足夠我的使用，而且支持2.5V到12V的輸入電壓，非常適合我的項(xiàng)目，所以我就決定使用它了！
電路的設(shè)計(jì)我在這款芯片的數(shù)據(jù)手冊里面找到了如下的典型電路，我直接使用這個(gè)電路即可，下面是電路圖：

對于這個(gè)電路我簡單的講解一下外圍元件的功能，電壓輸入首先經(jīng)過2個(gè)10uf的濾波電容，進(jìn)入到芯片中，然后經(jīng)過內(nèi)部斬波電路，從out口輸出，輸出端通過兩個(gè)電阻分壓形成反饋電壓，從FB口進(jìn)入，同時(shí)輸出電壓給Power Good端口提供上拉，最后經(jīng)過3個(gè)22uf濾波電容輸出。電感L1給斬波電路提供了儲(chǔ)能，所以會(huì)通過大電流，這點(diǎn)在布線的時(shí)候注意留出足夠的線寬。

二、采用ME6210A33的降壓電路

查詢Atmega328手冊，發(fā)現(xiàn)Atmega328同樣可以在3.3V電壓下運(yùn)行，而我供電使用的鋰電池最低電壓是咋3.7V左右，所以完全可以使用一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器為整個(gè)電路提供電源，由于我使用的無線模塊NRF24L01同樣是工作在3.3V電壓的，所以這一舉動(dòng)可以將原來的三個(gè)電源IC縮減到一個(gè)，這會(huì)省下很多的空間以及價(jià)格。故我開始尋找合適的穩(wěn)壓芯片。對于這款穩(wěn)壓芯片，我需要壓差非常小的穩(wěn)壓IC，而且同樣需要可以兼容我的大電壓輸出（12V），所以一番尋找過后，我選擇了ME6210A33這款，下面是數(shù)據(jù)表：

可以看出在200ma的輸出電流環(huán)境下，輸入與輸出之間的壓差只有260mv，這個(gè)參數(shù)完全可以達(dá)到我的要求，而且最大輸出電流可以達(dá)到500ma，雖說沒有TPS63060的輸出電流大，但是也是足夠我使用的，而且最主要的是ME6210A33的外圍電路簡單，故我將選擇這個(gè)芯片方案，我在這款芯片的數(shù)據(jù)手冊里面找到了典型電路，我將直接使用它：

整個(gè)電路非常簡單，外圍電路只需要兩個(gè)濾波電容即可。
到這里，電源電路的改進(jìn)就結(jié)束了。

2.電壓采樣電路
由于需要采集寬范圍的電壓（3.7-12V）,最大電壓超出單片機(jī)所能夠承受的電壓了，我不能直接將Atmega328的模擬輸入引腳連接到電壓輸入上，所以我需要設(shè)計(jì)一個(gè)分壓電路，電路圖如下：

由于使用3.3V給單片機(jī)供電的緣故，單片機(jī)內(nèi)置ADC的參考電壓引腳也為3.3V，所以導(dǎo)致我需要一個(gè)能將最大電壓12V分壓到3.3V以下的電路，綜合了常用電阻值和電壓檢測的精度之后，我選擇了150k和50k作為分壓電阻，因此根據(jù)電阻分壓公式，R11上的電壓等于BAT端電壓的四分之一，因此當(dāng)A0引腳讀到電壓數(shù)據(jù)之后，將值乘以4即可計(jì)算出輸入電壓。所以在A0腳的最大電壓為12/4=3V左右，剛好適合單片機(jī)的ADC轉(zhuǎn)換使用。

3.電機(jī)驅(qū)動(dòng)的改進(jìn)
第一次設(shè)計(jì)的mos管驅(qū)動(dòng)電路，我將mos管買回來之后發(fā)現(xiàn)一接上電機(jī)就燒掉了，到現(xiàn)在一直沒有找出是什么原因，所以不得已選擇用集成驅(qū)動(dòng)IC驅(qū)動(dòng)電機(jī)。市場上電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC實(shí)在太多了，我需要挑選出滿足我的要求的：
   輸入電壓一定要寬范圍
   每一路的驅(qū)動(dòng)電流要足夠
   外圍電路盡量簡單
   需要的輸入引腳盡可能少
選來選去，我看中了LG的L9110s，這是一款單路電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，而且外圍電路簡單，僅僅需要兩個(gè)引腳就可以控制電機(jī)調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)以及剎車，最大電流800ma，足夠我的使用了，下面放出典型的電路圖：

需要大家注意的是，這類驅(qū)動(dòng)IC一般都內(nèi)置功率型NMOS管以及續(xù)流二極管，無需外接續(xù)流二極管，所以建議大家在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的時(shí)候盡量選擇這類驅(qū)動(dòng)IC，可以省略很多外圍器件。
   至此元器件的問題都解決了，下面是PCB布線上的問題解決。

4.關(guān)于555芯片復(fù)位電路的下拉電阻
   上一次做的555芯片沒有接下拉電阻導(dǎo)致Reset引腳的電位不穩(wěn)定，導(dǎo)致上電之后蜂鳴器不受單片機(jī)控制的問題。于是我添加下拉電阻來穩(wěn)定555芯片Reset引腳的電位，由于我的555芯片是低電平復(fù)位的，所以我添加了47K的下拉電阻，這樣保證了555默認(rèn)情況下為復(fù)位狀態(tài)，不會(huì)有輸出，而當(dāng)單片機(jī)引腳給出高電平時(shí)，電阻上方為高電平信號，使能555芯片從而讓蜂鳴器發(fā)聲。

                                                      第二部分
由于我更換了新的電源電路以及驅(qū)動(dòng)IC，所以我的PCB電路需要重新編排各個(gè)元件的位置以及重新布線，為了盡可能的考慮到各個(gè)器件的最佳工作環(huán)境以及最佳工作狀態(tài)，我采用手動(dòng)布線去有針對性的考慮各個(gè)器件的問題。
由于采用集成IC驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而且有三路，所以我將板子右端部分留給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，并將關(guān)鍵的高頻信號線（連接NRF24l01的SPI總線）以及預(yù)留的SPI接口全部放在離驅(qū)動(dòng)芯片最遠(yuǎn)的左邊區(qū)域，這樣可以減少電機(jī)驅(qū)動(dòng)等大電流的器件所帶來的干擾。我將晶振也從原來靠近電源芯片旁邊挪到了左下方，保證晶振電路的穩(wěn)定。對于蜂鳴器和電源降壓模塊，我將他們放到了板子的上方。一番調(diào)整后，器件的位置大體定下來了。

我這一次會(huì)尤其注意導(dǎo)線的線寬，留出足夠的富裕保證線路的可靠。一般的，EDA軟件中計(jì)算長度都會(huì)使用mil單位，具體換算的話是1mil=0.0254mm
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，當(dāng)銅箔為1oz厚時(shí)，0.4mm寬的導(dǎo)線大概可以通過1A的電流，換算成mil單位就是16mil，所以對于我的這個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片，最大電流為800ma，我將為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的線寬設(shè)計(jì)為40mil，留出超過兩倍的富裕，保證穩(wěn)定的使用。
對于高頻信號和低頻信號一定要分開布線，盡量避免多跟信號線長距離并行布線，這樣會(huì)造成很大的干擾。
因?yàn)槲业陌遄邮莾蓪影�，所以沒有內(nèi)置的電源層和地線層，所以我將空白的區(qū)域全部鋪銅并且和地線連接在一起，并且使用過孔將正反兩面的地線連接在一起，我在元器件周圍設(shè)置了許多過孔去連接兩側(cè)地線，保證每個(gè)元件都有最近的接地處理。
同時(shí)注意濾波電容的布置位置，對于單片機(jī)以及L9110芯片的電源濾波電容，一定要將電容靠近IC芯片放置以起到最好的效果，經(jīng)過鋪銅后的效果如下：

所以呢全部的部分都做完了，我已經(jīng)將PCB文件發(fā)送給工廠加工，經(jīng)過幾天的等待之后，收到了寄回來的板子：

這一次呢只做了5塊，因?yàn)槲覔?dān)心會(huì)出現(xiàn)一些意想不到的問題，所以先少做一點(diǎn)實(shí)驗(yàn)一下。收到了板子之后我檢查了版面，發(fā)現(xiàn)沒有看出明顯的問題，所以我將元器件一一焊接上，具體的焊接教程可以參考上一篇帖子，里面有詳細(xì)的講解，經(jīng)過一番焊接，我完成了，效果如圖：（注：蜂鳴器我沒有焊接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)我也只焊接了一塊，只用來做實(shí)驗(yàn)用，后續(xù)的成品板子我會(huì)全部焊接上）

焊接完成之后就是給芯片燒寫bootloader了，我使用一片Arduino nano當(dāng)作燒寫器，給這一塊燒寫bootloader，具體的燒寫方法論壇里有很多教程，我在這就不詳述了，燒寫好了之后，這一塊板子就可以使用了！我經(jīng)過一番測量，發(fā)現(xiàn)所有的元件工作良好，電機(jī)驅(qū)動(dòng)也可以正常工作，第一次設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問題基本上得到解決，不過唯一的缺憾是這塊板子沒有5V電壓輸出，所以我們后續(xù)測試的時(shí)候只能采用3.3V的設(shè)備了。
在設(shè)計(jì)這塊板子中，我遇到了很多困難，也學(xué)習(xí)到了很多知識以及掌握了很多經(jīng)驗(yàn)，這將近一個(gè)月以來，我不斷的完善我的設(shè)計(jì)，同時(shí)又在焊接測試中發(fā)現(xiàn)問題，我從中學(xué)會(huì)了很多技巧也獲得了很多經(jīng)驗(yàn)，所謂在實(shí)踐中學(xué)習(xí)吧。希望各位也可以從我的經(jīng)驗(yàn)中得到一些啟發(fā)，對于我的這個(gè)設(shè)計(jì)，我相信還有許多不足的地方，希望有經(jīng)驗(yàn)的大神可以在我的基礎(chǔ)上改進(jìn)，做出功能最強(qiáng)，體積最小的Arduino集成板。我在這里放上我的設(shè)計(jì)文件，希望大家下載學(xué)習(xí)，謝謝。

我重新列舉一下此板的特點(diǎn)：
1.3路電機(jī)驅(qū)動(dòng)（2路雙向，1路單向，最大電流800ma每一路）
2.2路3.3V電源接口引出
3.一路3.7V-12V電壓輸入
4.板載電源電壓檢測電路
5.一路蜂鳴器報(bào)警電路
6.一個(gè)NRF24L01接口
7.一個(gè)串口（用作下載程序）
8.4路模擬量輸入接口
9.一路SPI總線接口
10.預(yù)留arduino數(shù)字2，3，5，6，9口用作外部輸入輸出
11一路舵機(jī)接口（新增加的）

對于板載USB口的設(shè)想，我最近正在學(xué)習(xí)USB轉(zhuǎn)串口的電路，會(huì)在以后的版本中增加USB轉(zhuǎn)ttl芯片，這樣就可以不再外接USB轉(zhuǎn)ttl模塊給板子燒寫程序了，初步?jīng)Q定使用CH340的方案，我會(huì)在以后的版本中更新，希望大家持續(xù)關(guān)注。
到這里所有的制作Arduino最小集成板的過程就結(jié)束了，謝謝大家的瀏覽，如果你也想自己制作Arduino的最小系統(tǒng)板，或者遇到什么問題，歡迎來咨詢我。也可以加我的QQ：2877137721來咨詢。謝謝大家。

（PS：既這塊板子完成之后，我會(huì)開始著手設(shè)計(jì)與之配套的遙控器電路，同樣采用NRF24l01的無線通訊方案，如有想了解的同學(xué)請繼續(xù)關(guān)注我，謝謝）

全部資料51hei下載地址：

自制最小板資料.zip (238.32 KB, 下載次數(shù): 79)

ID:336391 · 發(fā)表于 2019-1-20 16:42

不錯(cuò)哦

ID:452731 · 發(fā)表于 2019-1-20 23:03

學(xué)習(xí)中@！很佩服作者的睿智和博大的胸懷！努力膜拜中！學(xué)習(xí)中！

ID:402449 · 發(fā)表于 2019-3-3 14:07

學(xué)習(xí)了感謝樓主

ID:402449 · 發(fā)表于 2019-3-30 22:29

感謝樓主分享學(xué)習(xí)了

ID:415965 · 發(fā)表于 2019-4-1 17:07

不錯(cuò)，很厲害

ID:476519 · 發(fā)表于 2019-9-11 10:04

很不錯(cuò)，支持

ID:629983 · 發(fā)表于 2019-10-25 13:01

不錯(cuò)哦,正需要這個(gè)

ID:631023 · 發(fā)表于 2019-10-27 19:21

L9110S直接用就行嗎？還是需要加電容和二極管？

ID:361703 · 發(fā)表于 2019-11-27 15:16

不錯(cuò)不錯(cuò) 學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)

ID:637511 · 發(fā)表于 2019-12-25 10:48

關(guān)于電壓采集電路有一個(gè)問題，就是電路插上電池，一上電以后，電壓采集A0就會(huì)有一個(gè)電壓，但是如果此時(shí)單片機(jī)沒有上電（因?yàn)橐?jīng)過降壓模塊，可能有延時(shí)）。這樣相當(dāng)于A0端有電壓，但是單片機(jī)沒有工作，這樣會(huì)損害單片機(jī)嗎？

ID:234938 · 發(fā)表于 2020-1-14 22:55

在電池供電的使用環(huán)境下，最小系統(tǒng)的用處不小，感謝樓主分享。

ID:582494 · 發(fā)表于 2020-4-22 13:01

很佩服作者的睿智和博大的胸懷

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