摇摇棒的设计

K4122133D5VJ7B1BAT3VD5VD5VGNDP10P11P13P14P15P16P17RSTALE PSENP34P35P36P37GND12345678910111213141516J1LED1LED3LED5LED7LED9LED11LED13LED15INT0D5V1357911131517192468101214161820LED2LED4LED6LED8LED10LED12LED14LED16LED17GNDD5VR2100KB2BAT3VC110uFGNDD5VJ61234K213Reset24RSTR410KLED1C2LED20.1uFLED3LED1LED4LED5LED6GNDLED7LED8D5VALEPSENLED9LED10LED11LED12LED13LED14LED15LED16C510uFINT1K11324D5VU1GNDP10P11LED17P13P14P15P16P17RSTRXDTXDINT0INT1P34P35P36P37Y212MHz1234567891011121314151617181920P1.0(T2)VCCP1.1(T2EX)(AD0)P0.0P1.2(AD1)P0.1P1.3(AD2)P0.2P1.4(AD3)P0.3P1.5(AD4)P0.4P1.6(AD5)P0.5P1.7(AD6)P0.6RESET(AD7)P0.7P3.0(RXD)P3.1(TXD)EA/VPPP3.2 (INT0)ALE/ PROGP3.3 (INT1)PSENP3.4(T0)(A15)P2.7P3.5(T1)(A14)P2.6P3.6(WR)(A13)P2.5P3.7(RD)(A12)P2.4XTAL2(A11)P2.3(A10)P2.2XTAL1(A9)P2.1GND(A8)P2.089C514039383736353433323130292827262524232221GNDVCCTXDRXDLED2LED3LED4LED5LED6LED7LED8LED9LED15LED17LED10LED11LED12LED1LED134LED16J5IO0R28IO2100KIO4IO6IO8IO10IO12IO14IO16K3VCC1357911131517192468101214161820IO1IO3IO5IO7IO9IO11IO13IO15IO17GNDR111KR121KR131KR141KR151KR161KR171KR181KR191KR201KR21R221K1KR231KR241KR251KR261KR271KC3IO10IO11IO12IO13IO14IO15IO0IO1IO2IO3IO4IO5IO6IO7IO8IO930pFIO17GNDC430pFGND

图7摇摇棒的电路总设计图

1.3 功能原理

1.3.1驱动部分：

单片机的时钟由一个12MHz的晶振和两个30pF的电容组成。单片机内各部件之间有条不紊协调工作，其控制信号是在基本节拍的指挥下按一定时间顺序发出的，这些控制信号在时间上的相互关系就是CPU时序，而产生这种基本节拍的电路就是振荡器和时钟电路。此振荡器由XTAL1端向内部时钟电路提供12MHz的时钟源信号。 1.3.2水银开关：

棒在摇动时，只能朝某一个方向摇动时显示，否则会出现重影，所以通过接一水银开关来控制。水银开关一端连接89C51的INT0中断和电源，一端接地，通过摇晃使得水银开关两引脚短接或断开，当水银使两脚连接时，INT0端输入底电平，反之INT0端输入高电平。以此控制使摇摇棒从左向右摇动时将内容显示出来。 1.3.3电源部分

系统电源D5V为5-6V，由两节CR2032的纽扣电池串联组成。此外在电路输入输出端并联了一个10uF的电容，可改善系统瞬态响应和稳定性。K4为系统的总电源开关。 1.3.4扩展接口

系统的扩展接口有三个：J1用于和显示及水银开关扩展板进行连接；J6用

于串口的扩展，同时可以利用该串口进行ISP程序下载，该接口为5V的电平，如需和计算机连接需要外接电平转换模块；J7为扩展接口，本次设计中有很多89C51的端口端口没有使用，通过J7接口扩展了出来。这三个扩展接口将单片机的资源全部引出，因此摇摇棒的核心板可以单独作为一个单片机的开发板使用。

2 PCB设计流程

2.1印制电路板的设计的一般步骤： 1.绘制印制电路板

主要任务是绘制摇摇棒原理图，并且确保无误后，生成网络表，用与PCB设计时自动布局。 2.规划电路板

主要完成确定电路板的物理边界，电气边界，电路板的层数，各种元件的封装形式和布局要求等任务，本文摇摇棒PCB的大小为：30.1cm*5.1cm。 3.设置参数

主要是设置软件中电路板的工作层，PCB编辑器的工作参数，自动布局等。 4.装入网络表及元件的封装形式

网络表是PCB自动布线的核心（笔者用的单面板，用的手动布线），也是电路理图设计与印制电路板设计系统的接口。只有正确装入网络表后，才能进行对电路板的自动布局等。 5.元件的布局

元件的布局包括自动和手动调整两个过程。在规划好电路板和装入网络表之后，系统能自动装入元件，并自动将它们放置在电路板上。自动布线是系统根据某种算法在电气边界内自动摆放元件的位置。如果自动布局不尽如意，则在进行手工调整。 6.手动布线

手动布线时，要注意相连导线之间要有一定的绝缘距离；信号线在拐弯处不能走直线；电源线和地线的布线要短，粗且避免形成回路。 2.2.1 PCB板的安装和调试

1．检查元器件数量与质量，并将元器件归类

2．对元器件的引脚进行整形以方便焊接时使用。 3．对烙铁镀锡，并清洁焊接部位。

4．焊接。焊接的顺序是先低后高、先笑后大、先轻后重、先易后难、先一般元件后特殊元件，且上道工序安装后不影响下道工序。 5．检查焊接质量，对不符合要求的进行修整。 6．剪去多余的引脚。 7．下载程序进行调试。

2.2.2安装和调试过程中出现的问题

1．下载程序后LED14灯不亮，经检查是因为与其连接的贴片电阻R24不导电，更换电阻R24后正常。

2．双排针J1引脚密集，引脚间距离较小不方便焊接，致使焊接时部分引脚虚焊，为防止摇动时引脚松动，对其进行了加锡。 2.2制作过程中的问题及解决方法 2.2.1硬件电路调试

1．在绘制元器件封装图的过程中，常常会忽略元器件封装型号与原理图中 的一一对应，导致在元器件加载的过程中，系统会报错。那么，绘制电路原理图 以及元器件封装的过程中，要特别注意两者中的元器件封装号的一致性。 2.在用复写纸将布线图复制到复铜板上的过程中，容易产生图纸移动。复制布线图前应先用锉刀将复铜板四周边缘锉至平直整齐,而且尺寸尽量与设计图纸尺寸相符,并将复写纸裁成与复铜板一样的尺寸,并且用胶纸将图纸左右两端与印刷板贴紧，图纸不易移动。

3.进行化学腐蚀时，电路板中的导线易断；腐蚀时间太长在对电路板进行化学腐蚀时，要注意三氯化铁的浓度，浓度太大会将导线腐蚀断；浓度太小，导致腐蚀时间太长。腐蚀速度与腐蚀液的浓度,温度及腐蚀过程中采取抖动有关,为保证制板质量及提高腐蚀速度,可采用抖动和加热的方法。 2.2.2软件程序调试

1.在字模选取时，字模走向，点阵格式等方面选取不当会导致显示出的图像，文字信息等不完整或不能显示；那么，字模的选取方面，点阵格式，字模走向等的选择必须与硬件电路中的一一对应；

2.在软件设计程序编程时，延时子程序设计的时间长短会出现一些问题。时间设的太长，在摇晃过程中，LED发光二极管点亮的速度会很慢，致使在使用过程中左右摇晃的频率，幅度会很大，画面就不容易显示或者不清晰，只出现部分画面等情况；时间设的太短，LED发光二极管点亮的速度会很快，那么摇晃过程中，甚至有些应该亮的频率比较高的二极管根本来不急点亮，那么在人眼看来，那些二极管根本就没点亮。因此，在设置延时子程序时间的问题上，要计算出单向甩出摇摇棒所需的具体时间。

6实习总结

1) 对单片机认识（什么是单片机，单片机的产生及现状以及发展趋势、内部组成，及常见单片机型号，生产厂商）。

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。

当前趋势：SoC嵌入式系统(System on Chip）式的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决，因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

硬件特性:1、主流单片机包括CPU、4KB容量的ROM、128 B容量的RAM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。

2、系统结构简单，使用方便，实现模块化；

3、单片机可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小时无故障； 4、处理功能强，速度快。

5、低电压，低功耗，便于生产便携式产品