自制Arduino最小系統(tǒng)板，集成N多種功能！趕快來圍觀吧

ID:241755 · 發(fā)表于 2018-11-15 16:49

本帖最后由 lzy1999 于 2018-11-22 12:01 編輯

前文：
最近想做點遙控的小玩具，所以一直在尋找一款實用的開發(fā)板（最好是兼容Arduino的，因為我只會玩arduino，對于其他單片機編程燒寫什么的一概不知道。。。），所以苦苦尋找了許久，然后發(fā)現(xiàn)了下面兩款板子：號稱世界上最小的arduino：基于ATTINY85的主板以及DF家的beetle。這兩塊板子體積都挺小的beetle（20*22mm）以及attiny85（23*18mm），功能上來說肯定Beetle更加優(yōu)秀，但是價格略高。便宜的attiny85僅有的6個端口并不夠我使用。。而且對于一些項目來說，對于主板的體積還是有一定要求的，這兩塊板子搭配上擴展板之后可能過于龐大（而且市面上還找不到這樣的擴展板，DF家到是出了一塊，但僅僅是將所有引腳引出）。于是糾結(jié)好久之后，按捺不住想自己畫板子了，于是有了下文。

（上面是兩種市面上可以購買到的最小的Arduino板）

第一部分
選取自己想要的功能是十分必要的，俗話說魚和熊掌不可兼得，畫電路板也是一樣，不可能一塊小小的板子上啥功能都有，所以先要明確自己的使用環(huán)境以及所需要的功能！！！

我的使用環(huán)境：
一些無線遙控的玩具或者機器人上，體積上越小越好，這些玩具一般是3.7V鋰電池供電的，而且驅(qū)動方式一般是以電機或者舵機為主，一般至少3路電機驅(qū)動，當(dāng)然要有可以控制玩具燈光的接口,因為這樣比較炫酷，嘻嘻

。

有了使用環(huán)境，那么需要的功能就很明了了！下面就是我列舉的一些功能：
1.首先最主要的是遙控！！（重點！

），所以一個給無線通訊模塊預(yù)留的接口是最重要的，同時呢，給無線模塊供電工作也要做好！！（不然供電電壓不夠的話無線模塊輸出的數(shù)據(jù)就亂掉了，然后整個單片機就傻掉了。。。。然后就。。。

）

2.供電方式是3.7V鋰電池，所以一路電源升壓電路是肯定必要的啦，這個電路可以將鋰電池的電源升壓到5V之后輸出給單片機使用的。那么，電池玩著玩著沒電了怎么辦？這時候有個電壓報警器就是很方便的了，他可以很好的保護(hù)我們的電池不會過放電！所以，劃重點！！

鋰電池供電部分我們需要一個升壓電路和一個電壓報警器電路。

3.說到電源的問題，是不是我們?nèi)粘Ｒ姷降碾妷河袃煞N呢？一種是3.3V，一種是5V，有些芯片工作需要5V但是有的只要3.3V。你可能會問兩個不就是差1.7V嗎，接上去也沒多大事，然而事實是這個芯片可能會活不久。。（不要問我怎么知道的）因此，為了兼顧多種芯片，我決定多加上輸出電壓3.3V的穩(wěn)壓電路。

4.驅(qū)動方面，我說到主要是以舵機和電機為主，舵機可能不需要驅(qū)動（直接接PWM輸出就好了），但是電機是必須要接驅(qū)動的（曾經(jīng)有直接用單片機端口驅(qū)動電機的，后來他就棄坑了。。。）而且接上驅(qū)動模塊之后電機還可以調(diào)速以及調(diào)節(jié)正反轉(zhuǎn)。所以至少3路的驅(qū)動以及一路或者多路的舵機接口是必要的。

5.控制燈光的接口就比較好弄了，直接懟上單片機的I/O口即可（注意單片機I/O口控制一般小的led還是可以的，誰要控制什么1w或者10w的大功率led燈珠就是作死了。。。）

6.需要帶有一些常規(guī)的數(shù)字接口或者模擬輸入接口（這個數(shù)量當(dāng)然是越多越好，方便后期擴展）

整理了一下，我列出了一個表格：

列出來了需要的功能，我感覺整個工作就完成了一大半，有選擇恐懼癥的我在決定哪些功能時候真的是非常頭痛，然而現(xiàn)在感覺好了許多，設(shè)計的方向也就比較明了了。

接下來就是糾結(jié)的選器件了：

1.單片機的話我是真的除了atmel系列之外都不會，所以我毫不猶豫的選了Atmega328P-AU，這個芯片也是Arduino nano上使用的，由于需要體積小巧的要求，所以我選擇的是貼片TQFP封裝的。而且這個芯片買回來燒寫上bootloader之后就可以使用Arduino ide來開發(fā)了，這也是我選擇它的原因。

2.單片機選了當(dāng)然需要一個Rs232轉(zhuǎn)串口芯片給Atmega328p寫程序啊，但是我并不想給整個板子加上一個電平轉(zhuǎn)換芯片，一個是因為這樣會占用本來就小的版面空間和多出一個usb接口，我還不如使用類似Arduino pro mini的那種方案，使用外置的RS232轉(zhuǎn)TTL芯片去給328p寫固件，這樣可以最大化的節(jié)省板面空間（正經(jīng)臉.JPG）

3.對于無線模塊的選擇可以說是非常重要了，穩(wěn)定的模塊決定了通訊的質(zhì)量是否足夠高，也決定了遙控的延遲以及手感。這部分我木有太多糾結(jié)，因為目標(biāo)非常明顯，就是NRF24L01，用過的都說好。而且使用SPI協(xié)議與Atmega328p通訊，速度快且穩(wěn)定。這里放一張NRF24L01的圖：

4. 5V升壓的電路的設(shè)計我取自一款升壓模塊的電路，我在網(wǎng)上找到了原理圖，如下：芯片使用的是E50D，輸入電壓0.9V-5V，恒定輸出電壓5V，最大輸出電流超過500ma，足夠我使用了。

5.3.3V的穩(wěn)壓芯片我使用的是MIC5205-3.3，MIC5205是一款LDO芯片（低壓差線性穩(wěn)壓芯片）輸入電壓與輸出電壓之間最少可以只有350mv的電壓差，對于電源不太穩(wěn)定的電路實在再合適不過，最大輸入電壓16V，最大輸出電流150ma，恒定輸出電壓3.3V。電路圖如下：

6.電機驅(qū)動我并沒有選擇使用集成的電機驅(qū)動IC，因為我看了看封裝都過于龐大，不適合這種小體積項目，而且我并不太需要雙向的驅(qū)動，只用單向的即可。挑來挑去，我決定使用最簡單的mos管驅(qū)動電機，便宜而且實用。mos管的話我使用的是nmos管，不建議使用pmos管的原因是pmos管的導(dǎo)通內(nèi)阻較大，會造成很大的損耗。對著數(shù)據(jù)表格看了半天之后，我看中了AO3400，最大通過電流5.7A，足夠使用了。

7.對于板子我還添加了一路電壓輸入，因為顧及到有些電池電壓在5V以上的情況（例如7V，9V和12V）我的板子也要可以正常工作，于是我添加了一個降壓電路，可以將輸入的7-12V電壓降到5V供給整個系統(tǒng)使用。芯片選的是ME6210A50PG，同樣是一款低壓差線性穩(wěn)壓芯片，最大輸入電壓18V，最大輸出電流500ma，恒定輸出電壓5V，電路圖如下：

至此為止，所有的器件都選擇完畢了，下面就是細(xì)化每個部分的設(shè)計以及將電路圖畫出來。我會介紹一些基本的電路知識給大家，請大家拍磚。

                                       第二部分
   對于電路的設(shè)計，我主張從大到小，從重要到次要的順序來設(shè)計：這樣我們可以搞清楚整個系統(tǒng)的主次關(guān)系，方便日后查找問題。
1.Atmega328P外圍電路的設(shè)計
      Atmega328p的外圍電路著實簡單，僅需要幾個器件就可以完成（基本上就是晶振電路和復(fù)位電路）沒有什么好說的，我也省省篇幅，歇一會。。。上圖！！！

2.NRF24L01接口的設(shè)計
NRF24L01與Atmega328P采用SPI協(xié)議進(jìn)行通訊，所以我將對應(yīng)的引腳連接到Atmega328P上。在這里我給電源正負(fù)極之間接了一個47uf的電解電容，是為了保證電壓的穩(wěn)定（因為NRF24L01對電源的要求還是比較高的）

3.鋰電池升壓電路的設(shè)計（輸入0.9-5V，輸出5V）
整個升壓電路其實就只需要幾個零件，在這里我說明需要注意的一些事項：選擇的電感一定要是功率電感，二極管的話務(wù)必使用肖特基二極管（因為E50D的工作頻率在300khz左右，所以普通二極管頻率沒有肖特基二極管這么快）推薦型號是1N5817或者1N5819

4.3.3V穩(wěn)壓電路的設(shè)計（輸入5V，輸出3.3V）
      首先放上電路圖，這個電路沒有什么需要的外圍器件，僅僅一個電容用來濾波即可

5.7-12V降壓電路的設(shè)計（輸入7-12V，輸出5V）
      這個電路和上一個基本上一樣的，就是在輸入端上加了一個10uf電容濾波，可以過濾掉一些輸入電壓的紋波。

6.電機驅(qū)動電路的設(shè)計
      對于電機驅(qū)動電路，電路圖如下。其中單片機的輸出信號腳經(jīng)過一個保護(hù)電阻之后連接在mos管的柵極上，同時在mos管的柵極還有一個電阻接地，這是因為三極管的柵極存在結(jié)電容，所以這個電阻給mos管關(guān)斷時候提供了一條電子釋放通道。對于電動機的這類感性負(fù)載，用mos管控制開關(guān)的時候容易產(chǎn)生較大的感生電動勢，容易擊穿mos管，于是我添加了一個續(xù)流二極管在電動機的兩端，來減少反向電壓。同樣的，這個二極管盡量選擇肖特基二極管，以滿足頻率要求，我這里采用的是1N5819。

7.報警電路的設(shè)計
      對于這個報警器我想了很久，想過很多方式去控制蜂鳴器的鳴叫，糾結(jié)許久之后才定下來這個方案，采用Atmega328p采集電池電壓數(shù)據(jù)，通過一個數(shù)字口來控制蜂鳴器的鳴叫。對于電壓采集電路，因為輸入的電壓電壓低于5V，所以直接使用Atmega328p的模擬輸入端口讀取電壓數(shù)據(jù)。
      關(guān)于控制蜂鳴器的鳴叫，我選擇的是有源蜂鳴器，這種蜂鳴器只需要給一個高低電平信號即可發(fā)出聲音，但是聲音頻率是固定的，若是選擇無源蜂鳴器，我還需要給它輸入PWM信號，這樣做會占用一個PWM口，所以權(quán)衡之下還是使用有源蜂鳴器。
      但是糾結(jié)的我又想了想，要是沒電的時候一直響豈不是很煩人？我更希望是響一聲，停幾秒，再響一聲，再停幾秒。。這種的，于是我花了點時間回顧了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（我真的是給自己找坑挖。。。）最后設(shè)計出來如下電路：

這里采用555芯片制作了一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，觸發(fā)器的輸出口通過一個三極管控制蜂鳴器，需要注意的是蜂鳴器同樣屬于感性負(fù)載，務(wù)必接上一個續(xù)流二極管，這個二極管由于工作頻率較低，沒有什么限制。但是我還是選用了一個肖特基二極管（并不想多買一種二極管）555芯片的reset端我連接上了Atmega328p的四號端口，用這個腳的信號來控制整個蜂鳴器電路是否工作。這個電路即可控制蜂鳴器響一下，停一下。

8.其他輸出接口的設(shè)計
首先是給單片機下載程序的接口，如圖

然后是兩種電源輸出的接口（3.3V和5V）

再就是4路模擬量輸入接口（在這里我預(yù)留了Atmega328p的i2C接口A4和A5，方便連接其他使用i2C的設(shè)備）

最后就是6路的數(shù)字輸出口，其中D3，D5，D6，D9，D10 5路為PWM和I/O復(fù)用端口，方便連接舵機，接入其他電機驅(qū)動板或者連接其他傳感器設(shè)備。D2腳作為Atmega328p的外部中斷端口，可以控制單片機的中斷操作。但是注意，D3,D5,D6口也用來控制板載的mos管，所以當(dāng)使用板載mos管控制電機時，這幾個管腳請不要使用。

                                                         總結(jié)
   至此為止，整個電路就設(shè)計完畢了，接下來就需要進(jìn)行PCB電路板的排版以及布線，這個星期有點小忙，關(guān)于接下來的設(shè)計我會在下周放出，請大家期待，如果有什么關(guān)于電路設(shè)計以及PCB板的問題，歡迎大家提問，我會認(rèn)真的回復(fù)你們。。
   最后，感謝你們閱讀我寫的這么多文字，希望我此次做的電路可以對你們提供一些幫助和引導(dǎo)，謝謝。