在大学电子协会里，老师会给新生准备什么类型的电路设计案例？
今天给大家分享一个由河北大学科技创新协会的学生和老师准备的入门案例——51单片机开发板。
本文将分享电路原理，里面包含很多基础知识！即使是新手也能看懂！
项目介绍
这是一款基于STC15F2K60S2单片机设计的智能仪器实验板。
本文将分享该开发板的功能描述，电路原理，原理图设计，PCB设计，焊接，以及参考程序。
功能说明
电路原理
开发板主要由10个电路组成：电源配置部分、PL2303下载电路、STC15最小系统、LCD1602屏、LED模块、蜂鸣器模块、DS18B20测温模块、超声波测距模块、按键模块、分压器电压跟随电路模块。
下面分析一下各个模块的电路原理。
1.电源配置部分
由于直流输入电压大于单片机工作电压，因此采用LM317进行降压。
图 3.1 电源输入电路
2.PL2303下载电路
烧写方式有两种：串口下载、USB转TTL下载。
PL2302是一款USB转串口芯片，可以将USB接口模拟成串口。
单片机上的串行通讯是通过单片机RXD、TXD、VCC、GND四个引脚进行，对应电平逻辑遵循TTL原理。
PL2303的TXD引脚、RXD引脚分别和单片机的RXD引脚、TXD引脚相连，从而完成串口与单片机USB口之间的转换。
单片机从串口送来的数据信息经过PL2303芯片转换成USB数据流，然后通过USB口连接器传输给主机设备。PL2303与单片机的连接非常简单，只需要两根信号线。
图3.2 串口下载电路
3.STC15最小系统
最小系统是嵌入式系统入门的基础，是单片机运行的最低要求，不包含外围控制，原理简单，主要由电源、时钟、调试、复位、控制芯片五部分组成。
图3.3 MCU最小系统
表 1-1 MCU 引脚功能表
4.LCD1602屏幕
LCD1602背光调节方法：将电位器的中间引脚接到LCD1602的第三个引脚，电位器的其它任意引脚接地。通过调节所接电阻的大小来改变背光强度，调节电位器可达到调光效果。
图3.4 LCD1602原理图
5.LED模组
LED电路通过一组7位并行口，可分别控制7个LED灯，实现多种流光显示。
七位LED为共阳极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亮起。
图3.5 LED电路原理图
6.蜂鸣器模块
这里选择的是无源蜂鸣器。
利用单片机IO口产生脉冲信号通过NPN三极管8050驱动蜂鸣器产生声音。
由于无源蜂鸣器内部没有振荡源，所以需要控制器提供振荡源才能发出声音。
为了模拟音调，我们需要用定时器给蜂鸣器输入精确的频率信号，使其产生不同音调的声音。
图3.6 蜂鸣器原理图
7.DS18B20测温模块
DS18B20模块是一种常用的数字温度传感器。
工作原理是：
获取的温度值的位数随分辨率的不同而变化，温度转换时的延迟时间由2s降低到750ms。
由于其通信为单总线结构，因此外接了100nf的去耦电容，防止信号干扰，同时使用了4.7K电阻作为信号上拉。
DS18B20 的温度感应范围为 -55°C 至 +125°C，在 -10°C 至 85°C 的温度范围内精度为 +-0.5°C。
本次设计的测温模块，可以通过传感器本身将采集到的温度转化为数据。
图3.7 DS18B20测温原理图
8.超声波测距模块
超声波测距采用最常用的SR-04模块。
为了方便拆解，封装采用了4PIN*2.54MM排母，VCC加了104退耦电容。
超声波测距原理：
超声波发射器向某一方向发射超声波，发射瞬间开始计时，超声波在空气中传播，途中遇到障碍物则立即返回，超声波接收器接收到反射波后立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，可以计算出发射点到障碍物的距离（s），即：s=340t/2。
这称为时间差测距。
当知道超声波在空气中的传播速度时，就可以测量声波发射到遇到障碍物反射的时间，根据发射和接收的时间差，就可以计算出发射点到障碍物的实际距离。
可见，超声波测距的原理与雷达相同。
测距公式为：L=C×T
本次设计的超声波测距模块，可以与单片机模块结合实现测距，并将结果直接显示在液晶屏上。
图3.8 超声波测距界面图
9. 按键模块
独立按键采用4个6.1*3.7MM-SMD封装的贴片按键。
将按键长期接地，当按键按下时，相应引脚接地，单片机接收到按键输入信号，由低电平触发。
图3.9 按钮原理图
10.分压器电压跟随器电路模块
光敏电阻的工作原理：
光敏电阻是一种特殊类型的电阻器，也称为光敏电阻或光导。
它是利用半导体的光电导效应制成电阻器，又称光电导探测器。
其阻值与光的强度有直接关系。
光敏电阻的工作原理是基于内部光电效应。
——当光敏电阻受到一定波长范围内的光照射时，其阻值（亮阻）急剧减小，电路中的电流迅速增大。
电压跟随器的作用：
电压跟随器起缓冲、隔离、提高带负载能力的作用。
电压缓冲器：电压跟随器经常被用作中间级，以“隔离”前级和后级之间的影响。这被称为缓冲级。基本原理是利用其高输入阻抗和低输出阻抗。
电压隔离：输出电压接近输入电压幅度，对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，从而对前后级电路起到“隔离”作用；
另外，电压跟随器输入阻抗高，输出阻抗低的特点也可以从极端的角度来理解：
图3.10 AD转换原理图
原理图设计
1. 新建建筑
打开嘉利创EDA专业版。
创建一个新项目。
将项目命名为 51 MCU 开发板。
根据下面的电路，绘制电路原理图。
图4.1 51单片机开发板
2. 物料清单
该项目所有设计组件均可在嘉立创的组件库中进行搜索。
图 4-2 物料清单
PCB 设计
完成电路图设计后，检查电路网络是否连接正确，确认无误后，将原理图转为PCB，并命名文件。
1. 边框大小
PCB尺寸：10cm*10cm。
2.PCB布局
PCB布局遵循以下原则：
1.元件摆放顺序为先大后小；
2. 将连接器和外部端口放置在板子的边缘。注意不要干扰较高的元件，也更方便焊接和拆卸元件。
3、先放去耦电容再放芯片，并尽量靠近电源引脚放置；
4.将接地孔放置在SMD元件的接地引脚旁边。
图5.1 PCB布局参考图
3.PCB布线
PCB板采用两层设计，顶层线路为红色，底层线路为蓝色。
布线的时候按照飞线指引进行连接。
接线时请注意：
1、布线顺序为先布重要的电源线、先布信号线；
2、导线尽量保持直线，转弯时尽量走钝角，避免直角、锐角。
4.镀铜丝网印刷
布线完成后，顶层和底层都需要铺铜。
记得调整元器件的丝印，对特殊的引脚、开关添加丝印注释，尽量做到整齐美观。
焊接说明
1.焊接教程
焊接前要对元器件引脚及电路板焊接部位进行处理。
可分为“刮”“镀”“检测”三个步骤：
完成焊前处理后，即可进行正式焊接。
判断烙铁温度，可以用烙铁头接触松香，如果有声音，表示温度合适。焊接一般可分为以下三个步骤：
1、将少量焊锡与松香融化在烙铁上，同时将烙铁头和焊锡丝对准焊点；
2、在烙铁头上的助焊剂还未完全挥发时，将烙铁头和焊锡丝同时接触焊点，使焊锡开始熔化；
3、当焊料浸透整个焊点时，同时移开烙铁头和焊锡丝。
2.焊接顺序
首先将按钮焊接在电路板上。
然后焊接LED灯，数码管，芯片支架，可调电阻等器件。
最后安装相应的芯片和单片机，以及1602液晶屏，超声波测距装置等器件。
3.焊接调试步骤
烧录跑灯程序，使用Keil5编译环境。
将完整程序烧录到实验板，完成余下步骤的调试。
参考程序
方案主要包括以下几个部分：
结论
什么！你读到这里了？你值得点赞！
希望以后有更多像这样简单又有不少基础知识的开源项目！我会分享更多给大家，大家一起学习进步吧！
狡猾的知识就这样占据了我们的大脑！
参考：
[1]
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佳力创EDA头条
