單片機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的六大步驟說明

很多同學(xué)學(xué)了單片機(jī)很久，學(xué)完51學(xué)AVR，學(xué)完AVR學(xué)STM32（誰叫人家現(xiàn)在最火呢）。開發(fā)板買了一塊又一塊，在開發(fā)板上做實(shí)驗(yàn)，覺得自己還是很牛X的，但是真叫你自己設(shè)計(jì)一個(gè)電子產(chǎn)品出來，好多童鞋都抓瞎了，不少學(xué)完單片機(jī)了，畢設(shè)要做個(gè)單片機(jī)類的設(shè)計(jì)出來最終還是來找我們幫忙，那請問你學(xué)單片機(jī)干什么？

以上為題外話，今天主要是和大家討論一下如何利用單片機(jī)來設(shè)計(jì)一款產(chǎn)品？讓我們花那么多的錢來學(xué)單片機(jī)不是白學(xué)的，畢竟玩電子的還是燒錢啊。以下就是我總結(jié)的設(shè)計(jì)一個(gè)電子產(chǎn)品的幾個(gè)大步驟。

一、需求

在做產(chǎn)品之前。我們要先了解這產(chǎn)品是干嘛用的？有些什么功能？然后該考慮供電問題，這涉及到電源電路的設(shè)計(jì)和功耗的考慮。考慮需要采集什么外部信號？控制什么設(shè)備？比如采集溫度，控制繼電器。還得考慮顯示部分的信息量，決定我們采用什么顯示方式，是用LED還是用數(shù)碼管還是用LCD或者tft彩屏。再考慮提醒部分，是否需要做聲光的提醒？還得考慮需要什么通訊協(xié)議？確定了這些后就可以做芯片選型和做初步方案了。

比如這里我們以做一個(gè)電子時(shí)鐘為例，(現(xiàn)在TB上紅得發(fā)紫的led時(shí)鐘，售價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了成本價(jià)，而且買來還沒有源碼，這就失去了DIY的樂趣了)我們做這個(gè)開源的diy電子時(shí)鐘。需求如下:

1、一個(gè)時(shí)鐘能顯示年月日，時(shí)分秒，溫度；

2、能調(diào)整時(shí)間，具有鬧鐘功能，具有按鍵音；

3、亮度能隨環(huán)境光照自動(dòng)調(diào)節(jié)；

現(xiàn)在Tb上的好像也就這些功能，這個(gè)設(shè)計(jì)的資料以及打樣的板子小代打算等教程完了后免費(fèi)送給大家，所以第二部分的設(shè)計(jì)部分我們就考慮成本最小化了，大家見諒。

二、選型及原理設(shè)計(jì)

有了需求后，我們就可以根據(jù)需求去選擇所需的元件，設(shè)計(jì)整個(gè)產(chǎn)品了。這里我設(shè)計(jì)的是一個(gè)電子時(shí)候，首先得有時(shí)鐘來源，可以采用單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生，或者用專門的時(shí)鐘芯片。定時(shí)器產(chǎn)生的缺點(diǎn)是斷電后時(shí)間需要重新調(diào)整，此方法舍去。我們用時(shí)鐘芯片DS3231、 PCF8563和DS1302。最便宜的是DS1302，優(yōu)點(diǎn)是芯片小，電路簡單，占用3個(gè)IO。DS3231和 PCF8563芯片大，占用PCB空間大（話說PCB空間就是金錢?。?，但是他們兩個(gè)芯片資源豐富。（網(wǎng)上說計(jì)時(shí)精準(zhǔn)，小代沒測試過，不敢亂說。大家親測過的可以寫的文章發(fā)給小代，個(gè)人微信：dianzi126,QQ:2463515595,小代通過公眾號推送給大家，以后你寫的這文章的閱讀量可能會是我們送出板子的一個(gè)依據(jù)哦）DS1302芯片可以自動(dòng)產(chǎn)生年月日時(shí)分秒的時(shí)間數(shù)據(jù)，時(shí)鐘來源其實(shí)是一個(gè)32.768K的晶振提供，后面我們會詳細(xì)的介紹這芯片DS1302①。

時(shí)鐘來源有了，那得顯示出來我們才能看到是吧，這就是我們需要設(shè)計(jì)的顯示部分，上面提到，數(shù)碼管、LCD和TFT彩屏。時(shí)鐘顯示的大多是0-9的數(shù)字，顯示信息量也不大，同樣從經(jīng)濟(jì)考慮我們選用數(shù)碼管②。

溫度采集我們采用模擬方式?，F(xiàn)在流行的是用DS18B20單總線數(shù)字式芯片和DHT11芯片來做溫度，DHT11還能檢測濕度，但是這兩個(gè)數(shù)字式的芯片價(jià)格都在5-9元，這成本放在這樣一個(gè)DIY的數(shù)字時(shí)鐘上有些浪費(fèi)了。所以，我們這里采用熱敏電阻③，通過簡單的電阻分壓方式測到溫度數(shù)據(jù)，這樣一來我們選擇的單片機(jī)就需要帶有ADC了，這接下來說。

接下來就是鬧鐘功能后按鍵音提示，我們采用一個(gè)蜂鳴器④來完成兩個(gè)功能。顯示的亮度調(diào)節(jié)，需要用光敏電阻來檢測環(huán)境光照才能得以實(shí)現(xiàn)。

最后我們的主角（單片機(jī)）⑤登場了。它是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，后續(xù)的程序設(shè)計(jì)好后就需要下載到單片機(jī)，它會按照我們程序設(shè)計(jì)的方式去控制剛才我們提到的這個(gè)芯片和外設(shè)來實(shí)現(xiàn)我們想要的功能。這樣的小設(shè)計(jì)，我們一般用8位的51單片機(jī)就可以完成了，這里我們用STC15系列的單片機(jī)。有了這些，整個(gè)設(shè)計(jì)的能源（電源）哪來？我們所選用的都是DC 5V供電的元件，所以電源可以直接用5V直流供電，比如USB接口。在電路設(shè)計(jì)時(shí)我們可以考慮下功耗的問題，輔助元件的選用上做點(diǎn)文章。

現(xiàn)在我們來整理下，這個(gè)設(shè)計(jì)需要些什么：時(shí)鐘芯片DS1302、數(shù)碼管、熱敏電阻、光敏電阻、蜂鳴器、單片機(jī)。但是，單獨(dú)的這些芯片是沒法完成我們所需要的功能的，還需要一些輔助元件（電阻、電容等）。接下來就是把這些芯片和輔助元件按照一定的規(guī)則組合起來（電路設(shè)計(jì)）。

三、電路設(shè)計(jì)及打樣

此部分這里我們不做詳細(xì)的介紹，后續(xù)會分模塊的詳細(xì)介紹。再此簡要介紹設(shè)計(jì)步驟。

電路設(shè)計(jì)需要專門的設(shè)計(jì)軟件，我們常用的是Protel 99SE。本軟件可以設(shè)計(jì)電路圖和PCB板圖，可以自動(dòng)把電路圖轉(zhuǎn)到PCB圖紙中，功能強(qiáng)大。99SE這個(gè)版本是比較老的了，但小代用下來感覺是比較穩(wěn)定，兼容性比較好的一個(gè)版本，設(shè)計(jì)我們這樣的小板足夠了。設(shè)計(jì)好電路，再轉(zhuǎn)換到PCB圖紙中排兵布陣（元件擺放），手動(dòng)布線，最終完成整個(gè)板子后就可以把PCB圖紙發(fā)給廠家打樣了。現(xiàn)在各大廠家都有活動(dòng)，打樣板子都不算貴了，電子愛好者，學(xué)生黨都能自己做板子了。一般打樣時(shí)間為3-4天，快遞3-4天，這樣下來就是差不多一周的時(shí)間，這段時(shí)間我們也不會閑著，可以先把程序框架搭好為后續(xù)的程序設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

四、樣板測試

等了一周，心癢癢啊。收到板子后大家肯定都是激動(dòng)的，那就開始測試吧。開箱先檢查板子外觀、絲印等直觀的有沒有問題（一般都沒問題的，除非小作坊的板）；然后測試電源VCC和GND直接有沒有連接，也就是測他們之間的電阻，理論上是無窮大。這些都沒問題后就準(zhǔn)備元件焊接吧，焊接時(shí)一般的順序是：先矮后高。怎么說，就是元件在板子上的高度，現(xiàn)在從最矮的開始焊接，再焊接中等高度的，最后焊接最高的元件，注意，芯片一般采用底座焊接，芯片插底座上。注意：焊接完成后的板子在上電之前還得測量電源VCC和GND直接電阻，看是否有短路的情況，有短路問題需要排除問題后再上電。

五、程序設(shè)計(jì)及測試

程序設(shè)計(jì)說白了就是編程，編程需要編程軟件，大家都叫“開發(fā)環(huán)境”，是不是聽著就高大上了，其實(shí)就是一個(gè)軟件加上編譯器，不同的單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境是不一樣的，這里我們用的51單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境是keil 4。Keil 加上STM32的編輯器也可以做STM32的開發(fā)環(huán)境，相信大家都用過了。我們所有的程序都在keil 中編寫，完了編譯得到機(jī)器語言的16進(jìn)制文件，最后下載到單片機(jī)里去，這樣，給我們焊接好的板子上電就可以看到我們要的效果了。但是一般我們寫的程序不可能一次就能通過，需要我們反復(fù)的調(diào)試，編譯，下載，上電測試，最終實(shí)現(xiàn)我們想要的功能為止。

六、組裝

到這里一個(gè)產(chǎn)品離成功不遠(yuǎn)了，現(xiàn)在看到的還是我們的電路板，看著不美觀，一個(gè)產(chǎn)品我們還需要給他設(shè)計(jì)一個(gè)外殼。這個(gè)外殼需要和PCB板的大小，形狀合適。所以，在我們PCB板的時(shí)候就需要考慮到外殼的形狀，安裝孔等問題。對于我們電子愛好者來說，能看到電路板也許會感覺更帥些，所以小代再次就不考慮外殼的問題了。

到這里，用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品的流程就完了，這里小代自己總結(jié)了6步，但是這六步之間不是獨(dú)立的，需要互相關(guān)聯(lián)，比如剛才說的PCB板的形狀設(shè)計(jì)和外殼的挑選，比如數(shù)碼管電路設(shè)計(jì)與板子大小的選擇，比如布線難度和數(shù)碼管的選擇問題，比如按鍵的個(gè)數(shù)和程序設(shè)計(jì)的問題等等。