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1、嵌入式系统硬件设计课程设计报告书指导老师学号 院系机械设计制造及其自动化班级机械电子完成时间嵌入式硬件系统设计课程设计报告摘要嵌入式系统已经广泛应用于生产生活的方方面面，从电磁炉到机器人控制，从电子玩具到智 能手机，都离不开嵌入式系统的应用。本报告主要记录了在嵌入式硬件系统课程中的所学所 感。关键词： 嵌入式系统， PCB 焊接， Altium Designer ， 51 单片机目录1 概 述 71.1 本课程主要教学容 71.2 嵌入式硬件系统简介 71.3 本报告结构安排 72 PCB 焊接练习 82.1 元器件符号的认识 82.1.1 了解元器件的尺寸 82.1.2 常见电路图元件符号
2、82.1.3 常见元器件实物 82.1.4 认识元器件参数 92.2 元器件封装的认识 102.2.1 实物封装 102.2.2 封装尺寸介绍 102.3 焊接方法 112.3.1 焊接工具介绍 112.3.2 焊接要求 112.3.3 焊接过程中遇到的问题及解决方法 113 电路原理图设计 133.1 电路功能分析 133.1.1 51 单片机 133.1.2 LED 133.1.3 外部晶振 133.1.4 复位电路 133.1.5 报警器 133.1.6 CH340G 133.1.7 USB 133.1.8 24C02CT-E 133.1.9 数码管 133.2 原理图设计 143.2.
3、1 原理图设计软件 143.2.2 原理图设计要求 143.3 PCB 设计 153.3.1 原理图导入 15332设置PCB尺寸大小 153.3.3 布局 153.3.4 布线 153.3.5 覆铜 153.3.6 检查 153.4 设计过程中遇到的问题及解决方法 164 PCB 焊接及调试 174.1 焊接过程中遇到的问题 174.2 调试过程 174.2.2 调试过程遇到的问题 175 项目任务书 185.1 任务书 185.2 项目可行性分析 186 项目装置设计制作及调试 196.1 装置结构设计 196.2 硬件设计 196.2.1 电机选择 196.2.2 开关选择 206.2.
4、3 单片机类型选择 206.2.4 WIFI 模块选择 206.3算法流程 216.4 运行代码 216.5 装置制作及调试 216.5.1 盒子的制作 216.5.2 ESP8266 调试 227 结语 23参考文献 24辞 26附 录（程序） 271.1 本课程主要教学容本课程由浅入深， 主要讲授怎样设计运用一套完整的嵌入式系统。 首先掌握基本工具及 元件使用方法，如认识元器件、焊接技巧学习、 AD 软件使用等；其次学习嵌入式系统的基 本知识，学习如何设计一个基本的嵌入式系统； 最后自主设计一套完整的实用的嵌入式系统。1.2 嵌入式硬件系统简介嵌入式系统(Embedded system),
5、是一种完全嵌入受控器件部，为特定应用而设计的 专用计算机系统” ，根据英国电气工程师协会( U.K. Institution of Electrical Engineer )的定 义,嵌入式系统为控制、 监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。与个人计算机这样 的通用计算机系统不同, 嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。 由于嵌 入式系统只针对一项特殊的任务, 设计人员能够对它进行优化, 减小尺寸降低成本。 嵌入式 系统通常进行大量生产,所以单个的成本节约,能够随着产量进行成百上千的放大。嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或 者单片机组成
6、。 与通用计算机能够运行用户选择的软件不同, 嵌入式系统上的软件通常是暂 时不变的；所以经常称为“固件 ”。1.3 本报告结构安排第二章为 PCB 焊接练习,介绍元器件的认识,及 PCB 焊接过程中遇到的困难。第三章为电路原理图设计,介绍了原理图各部分的功能第四章为 PCB 设计及制作,介绍 PCB 电路的绘制过程,及遇到的问题和解决方法。第五章为项目要求,描述了项目任务书及项目可行性。第六章为项目制作及调试,介绍了项目的制作过程。2 PCB焊接练习2.1元器件符号的认识2.1.1 了解元器件的尺寸元器件及线的粗细尺寸单位通常是mil。1mil=0.0254mm.2.1.2 常见电路图元件符号
7、11吃1丄T电若7JL户卢 H竝二flwT1些 丄inL三弱W*twafEWW)$帧菲svnn图2.1常见电路图元件常见元器件实物Di3 3TH-5 30T图2.2常见元器件实物认识元器件参数A. 参数表示方法a. 直接表示其允许偏差则用百直接表示法是指将电阻标称值用数字和文字符号直接写在电阻体上, 分数表示。直接表示法通常仅用于体积尺寸较大的对象上，目前很少使用。b. 色环标识使用4至5个彩色环表示阻值。 普通色环电阻器用 4环表示，精密电阻用5环表示，电阻体一端头色环为第一环，另一端头为末环，末环通常表示偏差率。色环表示一般用在直插电阻体上。也环第一耳第二开第三环第四环（乘抚）（返差环）黑
8、001棕11101-/- n红221003310004i55imooo+/-。-亦&610CXKKX)77KXXWOUO+/- 0L 1%38lOOtWOOOU9910(X)000000寸亦1 5*I皿无生环+-201图2.3色环标识c. 数码表示使用3位数表示阻值。从左至右第1、2位表示有效数字，第 3位表示10的幕次。通常 用于贴片电阻及电容。2.2元器件封装的认识实物封装090201Cl口 -4短5矛B9M VI4-MW口QIJIXT1爾11KIHUAXT2ULJ2J3a iD詛iwni =.AMLjg_o a o o|o 0 oja q o a通常用封装类型来表示元器件的形状及尺寸。图
9、2.4实物封装封装尺寸介绍表2.1封装尺寸介绍英制公制长宽高020106030.60.30.23040210051.000.50.30060316081.600.80.40080520122.001.250.50120632163.201.600.55121032253.202.500.55181248324.503.200.55201050255.002.500.55251264326.403.200.552.3焊接方法焊接工具介绍220V, 60W焊笔、0.4mm焊锡、松香、镊子、放大镜、吸锡线等。焊接要求A. 焊接时焊缝要求平滑，不得有虚焊等焊接缺陷，发现缺陷及时修补。B. 选取合理的焊
10、接顺序可以提高焊接效率。C. 在焊接某些元件时应注意焊接时间不能过长，例如LED灯，否则容易损坏元器件。焊接过程中遇到的问题及解决方法A. 焊接过程中注意二极管的正负极不要接反。B. 如果芯片的两个引脚不小心焊接到一起，可以用吸锡线吸取多于的焊锡。C. 焊接完成后，上电 LED不亮，有可能LED方向接反，有可能焊锡不够导致接触不良，也有可能焊接时间太长致使LED损坏。D. 焊接引脚比较多的元器件的时候，可以先把对角的两个引脚焊好进行固定。图2.5焊接练习板3 电路原理图设计3.1 电路功能分析3.1.1 51 单片机单片机又称单片微型计算机，部集成了微处理器、 存储器等各种芯片， 起控制作用，
11、是 电路中最重要的部分。3.1.2 LEDD1-D8 接单片机 P0 口，通过控制 P0 口输出电平的高低控制 LED 的亮灭， D9 负极接 地，可以显示单片机是否已经上电工作； 每个发光二极管都串联了限流电阻， 防止电流过大 被烧坏。3.1.3 外部晶振单片机的XTAL1和XTAL2引脚连接外部晶振，用来为电路提供振荡和准确的时钟信号。3.1.4 复位电路单片机RST引脚接复位电路，按下按键可使单片机复位。3.1.5 报警器报警器通过 J1 与单片机相连， J1 引脚 1 与三极管基极相连，引脚 2与单片机 P3.6 相 连。通过跳线帽连接引脚 1 与引脚 2，当单片机 P3.6 输出高电
12、平时即可启动报警器。3.1.6 CH340GCH340G是一个USB总线的转接芯片，实现USB专串口的功能。RXD TXD用于接收、发射信号。3.1.7 USBUSB用于与计算机连接向单片机传输数据，同时可以为电路供电。D-、D+为数据传输线。3.1.8 24C02CT-E24C02CT-E是EEPROM带电可擦除可编程）存储芯片，掉电后数据不丢失。SDA为数据线，SCL为时钟信号线，用于与单片机之间数据的发送和接收。3.1.9 数码管电路中加入了四位共阳极数码管，公共端单片机P10-P14 连接，由于单片机输出电流很小，不足以驱动数码管， 所以需要加三极管对对电流进行放大，三极管基极串联电阻
13、进行限流；数码管负极接地，串联电阻进行限流。3.2原理图设计321原理图设计软件Altium Designer是原Prote软件开发商 ALitum 公司推出的电子产品开发系统， 主要运 行在Windows操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整新分析和设计输出技术完美融合。本次使用AD软件进行原理图的设计绘制。F=l.匸一!=_图3.1原理图原理图设计要求A. 图幅。常用图幅为 A4 A3、A2，并有标准格式的图框。B. 规网络标号命名。标号命名要对其功能有一定启示作用。命名统一使用英文大写格式。C. 不使用的管脚使用“X”。D. 在画原理图时，电源的符号上下要一致，便于理解。E. 版面布局需要注意电路结构的易读性，可以将电路按照功能划分为几个部分，合理、均衡的布局。F. 一个项目比较复杂时，元件比较多，可以分成几图纸画，每图纸里包含一个或者几个功能电路。3.3 PCB 设计3.3.1 原理图导入原理图画好后，新建 PCB工程，将各元件导入
