51单片机开发板

1、项目简介

基于STC15F2K60S2单片机设计的智能仪器实验板，采用方口USB和DC口进行供电，主要包括以下功能（1、外部中断按键 2、程序演示跑马灯，输出低驱动 3、DS18B20读取温度串口1输出并且在LCD1602上显示4、蜂鸣器播放音乐八月桂花5、超声波测距，LCD1602显示6、读光敏电阻A/D转换值并计算亮度7、呼吸灯，LED从亮到暗再从暗到亮）

2、电路原理

基于STC15F2K60S2单片机设计的智能仪器实验板，主要由电源配置部分、PL2303下载电路、STC15最小系统、LCD1602屏幕、 LED模块、蜂鸣器模块、DS18B20测温模块、超声波测距模块、按键模块、分压电压跟随器电路模块组成。下文将对各模块电路原理进行分析。

3、电路解析

3.1 电源配置部分

采用方口USB和DC口进行供电。由于DC口输入电压大于单片机的使用电压，因此采用LM317进行降压。LM317器件的主要参数：输出电压:1.25-37V DC;输出电流:5mA-1.5A;芯片内部具有过热、过流、短路保护电路;最大输入-输出电压差:40V DC,最小输入-输出电压差:3V DC。

图3.1 电源输入电路

3.2 PL2303下载电路

采用串口下载和USB转TTL下载两种烧录方式。

PL2302作为一种USB转串口芯片，可实现将USB接口模拟成一个串口。单片机上的串行通信通过单片机的RXD、TXD、VCC、GND四个引脚，相应电平逻辑遵照TTL原则。

PL2303的TXD引脚和RXD引脚分别与单片机的RXD引脚和TXD引脚相连，这样就完成了单片机的串口与USB口的转换。单片机从串口发送出去的数据信息通过PL2303芯片转换为USB数据流，再通过USB口的连接器传送给主机设备。PL2303与单片机的连接非常简单，只需两根信号线就可以。

图3.2 串口下载电路

3.3 STC15最小系统

STC15F2K60S2主要特点：STC15F2K60S2系列单片机是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，采用STC第八代加密技术，加密性超强，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成高精度R/C时钟，士1%温飘，常温下温飘5%，5MHz~35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振。3路PWM/PCA，8路高速10位A/D转换(30万次/秒),针对电机控制，强干扰场合。STC15F2K60S2系列单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时器、I/O口、高速A/D转换、看门狗、UART串口，串行口2，PWM/PCA,SPI串行端口，片内高精度R/C振荡时钟及高可靠复位等模块。STC15F2K60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上是一个片上系统。

STC15F2K60S2单片机最小系统组成：最小系统为单片机工作的最低要求，不含外设控制，原理简单，分析最小系统是嵌入式入门的基础。主要有电源，时钟，调试，复位，以及控制芯片五大部分组成。

图3.3 单片机最小系统

表1-1 单片机引脚功能表 

3.4 LCD1602屏幕

LCD1602液晶显示器是广泛使用的一种字符型液晶显示模块。它是由字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。

LCD1602调节背光方法：将电位器中间引脚接到LCD1602第三引脚，电位器其他任意一脚接地，通过调节接入电阻大小改变背光强度，调节电位器即可达到调光效果。

 图3.4 LCD1602原理图

3.5 LED模块

单片机驱动LED工作原理：

LED电路可通过一组7位并行端口分别控制7个LED灯实现多样化的流水灯显示。七位LED为共阳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灯点亮。其中绿色LED较暗，可以焊接阻值比较小的限流电阻，其他灯亮度高，可以使用阻值较大的限流电阻。

图3.5 LED电路原理图

3.6 蜂鸣器模块

这里选择的是无源蜂鸣器，使用单片机IO口产生脉冲信号通过8050这个NPN三极管驱动蜂鸣器产生声音。由于无源蜂鸣器内部不带震荡源，需要控制器提供震荡源才可发声。如果需要发出音乐，主要便是对音调与节拍的模拟。为了模拟音调，我们需要使用定时器计时，将精确的频率信号输入蜂鸣器，即可发出不同音调的声音。

图3.6 蜂鸣器原理图

3.7 DS18B20测温模块

DS18B20模块是一款常用的数字温度传感器，工作原理是低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号发送给计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入，得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。因为它通信是单总线结构，防止信号干扰所以外接一个100nf的去耦电容，使用4.7K电阻作为信号上拉。DS18B20的温度检测范围为-55℃至+125℃，并且在温度范围超过-10℃至85℃之外时还具有+-0.5℃的精度。

此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换成数据，单片机将温度传感器采集的数据换算成温度，然后通过LCD屏可以直接显示出当前温度。

图3.7 DS18B20测温原理图

3.8超声波测距模块

超声波测距采用最常用的SR-04模块，为了使拆卸方便所以封装采用 4PIN*2.54MM 的排母，VCC加 104 的去耦电容。超声波测距要注意 PCB 的布局，一定要放在开发板边缘，便于测量。

超声波测距原理：

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。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，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：L=C×T

式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。

此次设计的超声波测距模块可通过与单片机模块相结合实现测距，并将结果通过LCD屏直接显示。

图3.8 超声波测距接口图

3.9按键模块

独立按键采用4个6.1*3.7MM-SMD 封装的贴片按键，比直插的独立按键占据位置更小，提升整套开发板的美观性。将按键长接地，所以当按键按下时，对应引脚接地，单片机接收按键输入信号，为低电平触发。

图3.9 按键原理图

3.10分压电压跟随器电路模块

光敏电阻工作原理：

光敏电阻是一种特殊的电阻，简称光电阻，又名光导管，它利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器。它的电阻值和光线的强弱有直接关系，光强度增加，则电阻减小;光强度减小，则电阻增大。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值(亮电阻)急剧减少, 电路中电流迅速增大。

电压跟随器的作用：

电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。

电压缓冲：电压跟随器常用作中间级，以“隔离”前后级之间的影响，此时称之为缓冲级。基本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点；

电压隔离：输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用；  

电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，可以极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，使前、后级电路之间互不影响。

图3.10 AD转换原理图

4、原理图设计

4.1 新建工程

打开嘉立创EDA专业版，创建新工程并将工程命名为51单片机开发板，命名原理图。根据以下电路进行绘制电路原理图。

图4.1 51单片机开发板

4.2 物料清单

本次项目的设计所有元件都可以在嘉立创的元件库中搜索。下图为元件清单。

图4-2 物料清单 

5、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，并将文件命名。

5.1 边框设计

在确定好所画PCB的尺寸，本次工程边框为10cm*10cm。也可以自行选择PCB的尺寸。

5.2 PCB布局

确定好PCB的尺寸后，要对元器件进行布局。布局遵循以下原则：

1.元件放置按照先大后小的规则；

2.接插件、外接端口放到板子边缘，比较高的器件注意不能互相干涉，要便于元件的焊接和拆装；

3.退耦电容的放置，先过电容再接芯片，位置尽量接近电源引脚；

4.贴片元件地引脚旁放置地孔。

 

图5.1 PCB布局参考图

5.3 PCB走线

本次设计的PCB板为两层板，根据需要进行布线。需要注意的是顶层线为红色线，底层线为蓝色线。走线时按照飞线是指引进行连线。布线时要注意：

1.布线的顺序，先布重要的电源线和信号线；

2.电源线：1A对应1mm加粗，常规20-30mil；信号线：8-12mil；

3，导线尽量走直线，需要转折时要走钝角，避免直角和锐角的出现。 

5.4 铺铜与丝印

布线完成后进行铺铜，需要注意的是顶层底层都需要铺铜，铺铜之后检查是否有错误。确认无误后，对元件的丝印进行调整，尽量做到整齐美观。最后对特殊引脚、开关等添加丝印注释，方便使用。 

6、焊接操作

6.1 焊接操作步骤

焊接前：

焊接前对元器件引脚和电路板的焊接部位进行处理，可分为“刮”、“镀”、“测”三个步骤：

刮——焊接前做好焊接部位清洁工作，去除引脚、印制电路板上的污垢；

镀——在刮净的元器件部位上镀锡；

测——利用万用表检测所有镀锡元器件是否质量可靠；

焊接：

做好焊接前处理后，可进行正式焊接。不同焊接对象所需电烙铁的温度不同，判断电烙铁温度时可将电烙铁碰触松香，若有声音说明温度合适，焊接一般可分为3个步骤：

1、烙铁上先熔化少量的焊锡和松香，将烙铁头和焊锡丝同时对准焊点；

2、在烙铁头上的助焊剂尚未完全挥发时，将烙铁头和焊锡丝同时接触焊点，开始融化焊锡；

3、当焊锡浸润整个焊点后，同时移开烙铁头和焊锡丝。

6.2焊接注意事项

1、焊接时，应保证每个焊点焊接牢固、接触良好，锡点应光亮、圆滑无毛刺，锡量适中，锡和被焊物熔合牢固，不应有虚焊；

2、上锡适量，根据所需焊点的大小来决定烙铁所蘸取的锡量，使焊锡足够包裹住被焊物，形成一个大小合适且圆滑的焊点；

3、若一次上锡不够，可再补上，但必须待前次上的锡一同被熔化后移开电烙铁。

4、助焊剂的作用使防止焊接面氧化，起助焊和保护作用，焊接电子器件时应避免使用焊锡膏。

5、首先焊接电源部分 ,焊接完成后 ,接上电源 ,检查LED灯是否点亮，使用万用表检查电路中的电压是否为5V。

6、检查完成后 ,焊接相应电阻 。电阻焊接完之后，再次接通电源，观察LED灯是否还能点亮，电压是否依然为5V。

7、检查无误后将电路板的按键分别按顺序焊接，每个引脚仔细焊接好。接着焊接LED灯，数码管，芯片座与可调电阻等器件。并且每个步骤焊接完成后都进行上述检查步骤。最后安装相应芯片与单片机，以及1602液晶屏和超声波测距等器件。

 

 

6.3焊接调试步骤

6.3.1程序下载最小系统调试

先完成电源、最小系统、下载电路部分的焊接，烧写运行灯程序。编译环境使用Keil5，支持本次工程所使用的的芯片。

6.3.2 实验板调试

完成全部元件焊接后，烧写实验板完整程序，完成剩余步骤的调试。重点是不正常工作时的原因分析过程。

 

7.参考程序

见附件“参考代码”，代码主要包括以下部分：

1、IO口控制-跑马灯

2、DS18B20读取温度

3、LCD1602驱动显示

4、LCD1602滚动显示

5、蜂鸣器驱动

6、外部中断

7、超声波测距

8、AD转换

9、程序汇总-按键切换功能