單片機(jī)自行車(chē)轉(zhuǎn)向燈控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u18592單片機(jī)自行車(chē)轉(zhuǎn)向燈控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例 1226611.1硬件設(shè)計(jì)概述 1290151.2電源部分的硬件設(shè)計(jì) 3110921.3STM32和ADXL345硬件設(shè)計(jì) 456801.4全彩燈珠的設(shè)計(jì) 7226711.5轉(zhuǎn)向按鍵與紅外線激光燈的設(shè)計(jì) 8246531.6其它硬件設(shè)計(jì) 101.1硬件設(shè)計(jì)概述本設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)這種系統(tǒng)的應(yīng)用要求而采用的設(shè)計(jì)流程是：1.考慮預(yù)期功能，確定出適當(dāng)?shù)钠骷吞?hào)和類(lèi)型。2.廣泛搜集資料，進(jìn)行功能和流程方向而確定出對(duì)應(yīng)的原理圖。1.考慮板子相關(guān)的大小而進(jìn)行分析確定出初級(jí)PCB。2.焊接PCB，根據(jù)應(yīng)用要求和開(kāi)發(fā)目標(biāo)進(jìn)行調(diào)試。5.修改錯(cuò)誤，對(duì)相關(guān)的布局進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，而形成最終PCB。硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇了altium13軟件。針對(duì)一個(gè)自行車(chē)的剎車(chē)燈進(jìn)行設(shè)計(jì)，且滿足一定時(shí)尚性要求，可選擇如下兩個(gè)方案：其1是修改剎車(chē)手柄，在控制過(guò)程中使得手柄與車(chē)把的固定端連通，剎車(chē)時(shí)分離，這樣干電氣連接斷開(kāi)，據(jù)此進(jìn)行控制而亮起剎車(chē)燈。這種方案的缺陷表現(xiàn)為不滿足適用性要求，對(duì)各種自行車(chē)需要不同的改裝，另外技術(shù)含量也不高，不具有時(shí)尚性。其2是設(shè)置傳感器芯片。在應(yīng)用過(guò)程中通過(guò)微處理器控制傳感器芯片，讀取加速度值且對(duì)剎車(chē)狀態(tài)進(jìn)行判斷，這種方法準(zhǔn)確率不高，在應(yīng)用過(guò)程中無(wú)法準(zhǔn)確的判斷出在加速還是在剎車(chē)。在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中自行車(chē)勻速前進(jìn)的時(shí)候，這種設(shè)備保持靜止，這樣也不能確定出加速度值與前進(jìn)方向相關(guān)情況，因而所得結(jié)果有一定局限性，還需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化改進(jìn)。本設(shè)計(jì)選擇方案2，這種方案的技術(shù)性強(qiáng)，且根據(jù)應(yīng)用要求選擇全彩燈珠。根據(jù)色光原理進(jìn)行分析可知，選擇紅綠藍(lán)三色進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可形成絢麗的色彩。原理圖的設(shè)計(jì)過(guò)程中具體分析了戰(zhàn)艦STM32開(kāi)發(fā)板對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇了bleLED。在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)安裝相關(guān)情況進(jìn)行分析確定出板子的尺寸。由于要使用電池供電，這種條件下應(yīng)該適當(dāng)?shù)目刂瓢遄拥拇笮。_保在較低的水平。查閱到電池盒相對(duì)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)而確定出板子尺寸為1.3cm*6cm，雙面板。器件封裝進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)比分析而考慮了手工焊接的限制相關(guān)的因素，且分析了焊接要求和具備的條件，在此基礎(chǔ)上選擇0805封裝，從而更好的滿足應(yīng)用相關(guān)要求。PCB設(shè)計(jì)時(shí)為提高布局合理性，而參考了硬件工程師意見(jiàn)，相關(guān)的尺寸確定后，選擇手工布局。以下對(duì)布線流程情況進(jìn)行具體說(shuō)明：1.將MCU放在最中間。2.具體分析其中接插件的特殊要求和總體規(guī)劃而確定出插件位置，電源接入口在左端，而為滿足激光等輸送信號(hào)要求將起設(shè)置在最上端。1.有特殊要求情下，如為滿足美觀性要求，而將兩個(gè)全彩燈珠對(duì)稱(chēng)處理器兩端，溫度高情況下需要遠(yuǎn)離。2.將電源相關(guān)的器件控制和電源入口接近，如電容進(jìn)行排列時(shí)需要控制其順序和位置。5.根據(jù)與MCU管腳的連接相關(guān)情況進(jìn)行分析確定出適宜的放置區(qū)域。器件與管腳在右邊，這種情況下應(yīng)該將器件設(shè)在芯片右邊。6.將相似器件放在一塊。以上的布置結(jié)束后，接著應(yīng)該進(jìn)行手工布線，這種布線模式的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為可以強(qiáng)化對(duì)板子的理解，調(diào)試效率也顯著提高，在出現(xiàn)故障情況下也可以高效的調(diào)節(jié)。二是因?yàn)樽詣?dòng)布線過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多的過(guò)孔，而打過(guò)孔的鉆頭容易損壞，這樣也不滿足經(jīng)濟(jì)性要求。大批量生產(chǎn)的話板子擺放層數(shù)超過(guò)一定幅度情況下，下層的孔尺寸小，不合乎要求。自動(dòng)布線是有效的，不過(guò)為深入學(xué)習(xí)了解，還應(yīng)該進(jìn)行手工布線。手工布線中應(yīng)注意到各方面要求，首先控制頂層和底層的線不要平行，這樣可避免出現(xiàn)干擾問(wèn)題，同時(shí)也應(yīng)該不出現(xiàn)90度的拐角。在應(yīng)用過(guò)程中基于通過(guò)的電流設(shè)置線寬，等等。在設(shè)計(jì)結(jié)束后將第一版印制出，進(jìn)行焊接后燒錄，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中存在很多錯(cuò)誤。接著通過(guò)割線，飛線等模式進(jìn)行處理，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，這樣基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。不過(guò)有的無(wú)法確定出軟硬件問(wèn)題，相應(yīng)的處理難度高。先在開(kāi)發(fā)板上調(diào)試代碼，接著進(jìn)行詳細(xì)的檢查，在確保代碼無(wú)誤條件下根據(jù)要求裁剪開(kāi)發(fā)板，且制版。從而有效的提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，避免出現(xiàn)軟件硬件問(wèn)題混淆。不過(guò)根據(jù)相關(guān)調(diào)查可知，在工業(yè)開(kāi)發(fā)是沒(méi)有開(kāi)發(fā)板的，直接進(jìn)行板子設(shè)計(jì)和程序編寫(xiě)后燒錄。為了更好地鍛煉自己，本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇了手工模式。優(yōu)化了器件布局后，且消除其中的錯(cuò)誤后在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出第二版。圖3-1器件布局3D效果圖1.2電源部分的硬件設(shè)計(jì)考慮到系統(tǒng)主要是通過(guò)電池供電，且各個(gè)器件運(yùn)行電壓為3V電壓。這種情況下對(duì)應(yīng)電源部分簡(jiǎn)單，為有效的避免干擾問(wèn)題而設(shè)置了電容。電池使用一段時(shí)間后會(huì)使供電電壓降低，可選擇升壓電路處理這種問(wèn)題，不過(guò)由于其效率不高，會(huì)產(chǎn)生很明顯的浪費(fèi)，因而設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有選擇這種模式。圖3-2電源和芯片濾波電路原理圖圖3-3電源模塊3D效果圖1.3STM32和ADXL345硬件設(shè)計(jì)MCU與加速度芯片都是較小的封裝，手工焊接難度大。MCU的封裝為L(zhǎng)QFP48，相鄰管腳的中心距離僅僅0.5mm，手工焊接需要格外小心，要想成功焊接需要掌握一些方法。首先，用烙鐵對(duì)一個(gè)最邊角的焊盤(pán)上錫，建議是1號(hào)引腳（在PCB上是小白圈標(biāo)記的，在單片機(jī)封裝上是凹陷的小坑標(biāo)記的），然后用鑷子將單片機(jī)按照正確的方位擺正，用烙鐵焊接上1號(hào)引腳，多焊接周邊的幾個(gè)一腳也是可以的，因?yàn)檫@一步的目的是固定，而不是一步到位，如果歪斜，可以加熱焊錫重新調(diào)整位置。在烙鐵溫度350度的情況下，時(shí)間不是太長(zhǎng)的話，芯片一般不會(huì)被燒壞。MCU固定好之后，用較多的焊錫把其它三個(gè)邊的引腳全焊上，同時(shí)要稍微用力向下按一下引腳，使引腳可以貼在焊盤(pán)上。這時(shí)肯定會(huì)出現(xiàn)引腳的粘連的，這不是焊接失敗，只要沿著引腳的平行方向把多余的錫帶走就好。使用烙鐵帶走焊錫的過(guò)程既要注意烙鐵頭的運(yùn)動(dòng)軌跡，不可貼著PCB板，以免燙斷走線，又要注意操作速度，太慢的話無(wú)法帶走多余的焊錫。最后仔觀察，確保沒(méi)有短路。ADXL345的芯片封裝看上去好像間距較大，實(shí)則是板子焊接過(guò)程中最艱難的部分。由于它的引腳全在底面，只能使用熱風(fēng)槍焊接。首先要用酒精擦一擦焊盤(pán)，確保沒(méi)有灰塵或者雜物；然后在焊盤(pán)上小心的涂上一點(diǎn)焊錫膏，需要保證每個(gè)觸點(diǎn)上都有焊錫膏且焊錫膏不能過(guò)多。然后將芯片小心放在焊盤(pán)上，注意1號(hào)引腳的位置，各個(gè)引腳與焊盤(pán)的位置對(duì)正。用鑷子固定住芯片，將熱風(fēng)槍的溫度調(diào)整到350度左右，對(duì)準(zhǔn)芯片加熱約10秒。小心鑷子也可能會(huì)變燙，最好使用帶有膠皮的鑷子。熱風(fēng)槍需要用最大風(fēng)嘴最小風(fēng)量對(duì)準(zhǔn)芯片吹。焊錫膏融化時(shí)，要確認(rèn)芯片引腳與焊盤(pán)對(duì)準(zhǔn)。注意此時(shí)PCB非常燙，不要立即用手接觸PCB板。檢查的時(shí)候可以用萬(wàn)用表確定有沒(méi)有短路，根據(jù)原理圖可以看到，1、6引腳聯(lián)通，2、4、5引腳聯(lián)通，其它腳聯(lián)通的話就說(shuō)明短路了。如果有虛焊，可以用烙鐵尖沾一點(diǎn)焊錫壓一下焊盤(pán)，焊錫就會(huì)自動(dòng)補(bǔ)到引腳和焊盤(pán)之間；如果短路就只能用風(fēng)槍把ADXL345取下來(lái)重新焊接。圖3-4STM32F103C8T6原理圖圖3-5ADXL345原理圖圖3-6STM32F103C8T6的3D效果圖圖3-7加速度芯片貼盤(pán)效果圖1.4全彩燈珠的設(shè)計(jì)全彩燈珠是一種高性能的指示等，本文設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)比分析而選擇5050封裝，可將其看作為三個(gè)LED燈。基于顏色理論進(jìn)行分析可知，紅，綠，藍(lán)三種色的色光可進(jìn)行一定組合而得到各種顏色的光。燈珠本身白色的，適當(dāng)?shù)呐浜锨闆r下可取得良好的效果。LED燈的焊接方便，不過(guò)由于各方面因素影響，出錯(cuò)的可能性高，需要注意焊接溫度，進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲苊飧哂?15度，且控制時(shí)間不超過(guò)三秒。其原因在于這種RGBLED容易燒壞，這樣長(zhǎng)時(shí)間焊接很容易因?yàn)闇囟雀叨鵁龤?。LED的正負(fù)極需要通過(guò)萬(wàn)用表確認(rèn)。各限流電阻的阻值存在差異性，其中藍(lán)色的最小，具體情況如下。圖3-8全彩燈珠原理圖圖3-9全彩燈珠貼盤(pán)效果圖1.5轉(zhuǎn)向按鍵與紅外線激光燈的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要的目的在于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向燈功能，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可選擇的方案如下：其1是通過(guò)讀取ADXL345的值，。在運(yùn)行過(guò)程中具體分析可知轉(zhuǎn)彎情況下容易出現(xiàn)小的加速度，單純檢測(cè)此參數(shù)不滿足要求。而正常騎行的時(shí)候，轉(zhuǎn)彎條件下需要進(jìn)行減速，因而結(jié)合這兩方面參數(shù)，就可以高效確定，同時(shí)減小難度。這個(gè)方案缺陷表現(xiàn)為實(shí)時(shí)性不高，只有在轉(zhuǎn)向后才顯示轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)向之前不能進(jìn)行提示，因而不滿足實(shí)際應(yīng)用要求。其2是主動(dòng)觸發(fā)的方案。這種方案相關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法有兩種，其一是利用車(chē)架與車(chē)把的傾角相關(guān)參數(shù)變化進(jìn)行判斷。直線條件下車(chē)架與車(chē)把夾角是垂直的，而在進(jìn)行轉(zhuǎn)向過(guò)程中此參數(shù)會(huì)產(chǎn)生改變。車(chē)架與車(chē)把在騎行過(guò)程中不會(huì)接觸而滿足可靠性要求，轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)把情況下接觸這樣就可檢測(cè)到轉(zhuǎn)向。這個(gè)方法的缺點(diǎn)在轉(zhuǎn)向操作后才可以顯示出，因而也不滿足實(shí)際應(yīng)用要求。2是有騎行者主動(dòng)按下按鍵觸發(fā)，這樣可以提前進(jìn)行顯示，因而符合需要，選擇這種方案。轉(zhuǎn)向按鍵是控制紅外線激光燈的開(kāi)關(guān)，在應(yīng)用過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)一定切換控制功能。可通過(guò)其對(duì)左右轉(zhuǎn)向的信號(hào)燈進(jìn)行顯示。在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)射的光投影到地面是一字線狀，在光線不良情況下，可清楚地看到紅色線條，從而實(shí)現(xiàn)一定的預(yù)警功能，提示后車(chē)自行車(chē)的轉(zhuǎn)向。在運(yùn)行過(guò)程中相應(yīng)的流程如下，按左轉(zhuǎn)按鍵，則左邊光的閃爍，對(duì)應(yīng)的地面也形成線狀投影。右側(cè)亦然。不過(guò)在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中也應(yīng)該分析其他相關(guān)的影響因素而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先是按鍵的選型。具體應(yīng)用領(lǐng)域不可輕觸開(kāi)關(guān)，因而本文設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇了大的按鍵開(kāi)關(guān)，其中設(shè)置了彈簧結(jié)構(gòu)，同時(shí)可通過(guò)螺絲進(jìn)行高效的固定和連接而滿足應(yīng)用要求。圖3-10轉(zhuǎn)向按鍵電路原理圖紅外線激光頭在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)比分析而選擇3V，5mW激光燈頭。在運(yùn)行過(guò)程中一些情況下電流可達(dá)到20mA,這種情況下直接驅(qū)動(dòng)引腳會(huì)導(dǎo)致一些故障問(wèn)題。因而對(duì)比分析采用了NPN型三極管驅(qū)動(dòng)，這種模式下進(jìn)行驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，單片機(jī)的引腳只需要較小的電流即可進(jìn)行放大，從而滿足激光頭控制目的。圖3-11紅外線激光頭電路原理圖在此設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)該對(duì)紅外線激光頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，一般人認(rèn)為紅外線激光頭亮度高，不過(guò)具體分析可知其屬于點(diǎn)狀光源。在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇大功率的紅外線激光頭情況下很容易出現(xiàn)浪費(fèi)問(wèn)題，且低電壓大功率的激光則容易燒毀。本文設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)比分析而選擇一款工業(yè)級(jí)的激光頭，進(jìn)行調(diào)試時(shí)也有明顯的損壞問(wèn)題。選擇5V或者更高的電壓，則體積增加，設(shè)計(jì)的難度也明顯提高，這種情況下至少串聯(lián)3個(gè)電池，且需要應(yīng)用到穩(wěn)壓器來(lái)滿足應(yīng)用要求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)比分析而最終確定出3V，5mW的工業(yè)級(jí)激光燈頭，可更好的進(jìn)行顯示。1.6其它硬件設(shè)計(jì)SWD調(diào)試接口調(diào)試接口在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)比分析而選擇SWD接口，這是因?yàn)槠湫枰木€少，SWD調(diào)試模式下的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為可以根據(jù)應(yīng)用要求選擇J-LINK仿真器，因而本文設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)比分析選擇SWD調(diào)試。圖3-12SWD接口原理圖串口和BOOT接口串口調(diào)試在調(diào)試中有重要的意義，和調(diào)試功能實(shí)現(xiàn)密切相關(guān)，相關(guān)的數(shù)據(jù)主要是基于串口調(diào)試助手打印到顯示器而滿足顯示功能要求。且可以根據(jù)需顯示出特定變量的值。在單片機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中有重要的意義，因而設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇了STM32的串口。BOOT和STM32的啟動(dòng)模式選擇存在密切關(guān)系，本文設(shè)計(jì)過(guò)程中感覺(jué)調(diào)試加速度芯片相關(guān)的應(yīng)用要求，而保留其中BOOT0接口。此種模式下可寫(xiě)入