单片机在电路板中的应用

单片机的工作原理与计算机 CPU 的工作原理类似，主要是利用片内的半导体存储器存放用户的程序和数据。单片机的核心中央微处理器 CPU 中有指令寄存器、指令译码器、程序计数器等部件。由程序计数器寻找下一条要执行的指令，找到后，将指令送给指令寄存器，再由指令译码器翻译执行该指令，完成对指令功能的操作。一句话概括，单片机的工作就是不断地取指令、分析指令、执行指令的循环过程，按预先编写的程序执行，以达到用户期待的结果。

单片机主要用途是做生产设备的控制器，做智能仪表的核心部件。由于单片机体积微小，可以植入任何一个设备和仪表当中，因此它也是嵌入式技术的核心部件。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成。

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统一般指非 PC 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器 / 微处理器、存储器及外设器件和 I/O 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件 (OS)(要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下 4 个特点：

对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。

具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。

可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。

嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有 mW 甚至 μW 级。

二、单片机在电路板上的设计步骤

简述：详细阐述设计电路板的过程，包括电路原理图设计、元器件布局、去耦电容设置等。

设计电路板是一个复杂而精细的过程，以下将详细介绍单片机在电路板上的设计步骤。

1. 电路原理图设计

设计电路板最基本的过程可以分为三大步骤：电路原理图的设计，产生网络表，印制电路板的设计。电路原理图是整个设计的基础，它展示了各个电子元件之间的连接关系。在设计电路原理图时，需要根据单片机的功能需求和外围电路的要求进行规划。例如，对于一个基于单片机的温度控制系统，需要设计温度传感器与单片机的连接电路、加热装置的控制电路等。

可以使用专业的电路设计软件，如 OrCAD、Altium Designer 等，来绘制电路原理图。在绘制过程中，要确保元件的符号准确无误，连接关系清晰明了。同时，要注意对原理图进行仿真验证，以确定所有的电路是否正确。

2. 元器件布局

在元器件的布局方面，有很多需要注意的地方。应该把相互有关的元件尽量放得靠近一些，例如，时钟发生器、晶振、CPU 的时钟输入端都易产生噪声，在放置的时候应把它们靠近些。这样可以减少信号传输的距离，降低干扰。

对于那些易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路开关电路等，应尽量使其远离单片机的逻辑控制电路和存储电路（ROM、RAM），如果可能的话，可以将这些电路另外制成电路板，这样有利于抗干扰，提高电路工作的可靠性。

此外，电子元器件在电路板上的布局尽量要保持疏密一致，不能一个区域密集，一个区域稀疏，要保持元器件均匀的布置在整块电路板上。高压和低压器件要保持一定的安全间距，必要时要在电路板上做镂空设计。数字信号元器件和模拟元器件要分开放置，放置在两块区域，防止数字信号对模拟信号产生干扰干扰。

3. 去耦电容设置

去耦电容在电路板设计中起着至关重要的作用。尽量在关键元件，如 ROM、RAM 等芯片旁边安装去耦电容。

实际上，印制电路板走线、引脚连线和接线等都可能含有较大的电感效应。大的电感可能会在 Vcc 走线上引起严重的开关噪声尖峰。防止 Vcc 走线上开关噪声尖峰的唯一方法，是在 VCC 与电源地之间安放一个 0.1uF 的电子去耦电容。如果电路板上使用的是表面贴装元件，可以用片状电容直接紧靠着元件，在 Vcc 引脚上固定。最好是使用瓷片电容，这是因为这种电容具有较低的静电损耗（ESL）和高频阻抗，另外这种电容温度和时间上的介质稳定性也很不错。尽量不要使用钽电容，因为在高频下它的阻抗较高。

在安放去耦电容时需要注意以下几点：

在印制电路板的电源输入端跨接 100uF 左右的电解电容，如果体积允许的话，电容量大一些则更好。

原则上每个集成电路芯片的旁边都需要放置一个 0.01uF 的瓷片电容，如果电路板的空隙太小而放置不下时，可以每 10 个芯片左右放置一个 1～10 的钽电容。

对于抗干扰能力弱、关断时电流变化大的元件和 RAM、ROM 等存储元件，应该在电源线（Vcc）和地线之间接入去耦电容。

电容的引线不要太长，特别是高频旁路电容不能带引线。

同时，在一些需要较大电流供应的器件附近，如 1602 液晶左上角、单片机附近、电机和蜂鸣器附近等，会加一个大电容，起到稳定电压的作用。而在所有的 IC 器件的 VCC 和 GND 之间，都会放一个 0.1uF 的高频去耦电容，并且要尽可能的接近 IC，尽量很顺利的与这个 IC 的 VCC 和 GND 连到一起。

三、单片机电路板制作方法

简述：介绍不同的单片机电路板制作方法，如实验板连接、腐蚀制作、热转印制作等。

单片机电路板的制作方法有多种，以下为大家介绍几种常见的制作方法。

一、实验板连接

可以在实验板（多孔板）放好芯片后，用电线进行连接。这种方法适合作实验，尤其对于电路不太复杂的情况非常方便。比如在 51 单片机入门教程中，就介绍了用面包板搭建电路的方法。面包板是一种用于电路实验的器材，上面有很多孔，可以将元器件和导线插进去，组成需要的电路。如果发现电路有错，拔下元件和导线重新插接即可。电路做完后，所有元件还可以拔下来再次使用。面包板搭建电路简单易行，节省时间和材料。但是缺点在于，面包板只能搭建一些比较简单的电路，而且是对电气连接要求不高的电路。如果电路太复杂，面包板上全是各种导线，出现某些导线或元件松动的情况，不容易找到；有些电路对电气连接要求比较高，比如要通过很大电流，微弱信号处理，高频电路等，由于元件是简单的插进去的，与面包板之间的电阻值较大等原因，效果就不理想了。

二、腐蚀制作

在腐铜板上根据设计好的电路自己用漆等画电路，然后用三氯化铁进行腐蚀进行制作。比如在单片机项目开发中，制作精致的单面电路板就可以采用这种方法。具体步骤如下：

用剪刀沿外框剪下电路图纸，用尺子量出边长，并用其他利器裁剪出相符合的覆铜板。

选择比较细腻的砂纸，把砂纸和裁剪好的覆铜板都浸湿，左手拿好覆铜板，右手拿好砂纸，在覆铜板上，沿一个方向反复打磨，将覆铜板上氧化了的地方和杂质清理掉，露出鲜亮的铜色即可。

将上次转印后未倒掉的三氯化铁溶液稀释一下，把处理好的打磨光亮的覆铜板丢进里面浸泡 10 秒钟后用筷子取出，让其表面有一层氧化层，用清水清理干净表面残余的溶液，再用毛巾擦干。

电熨斗通电，开到温度最大档，达到温度后，将剪好的图纸和覆铜板小心贴好，用左手按住一端，右手拿着电熨斗，从手按住的一端下压，往另一端拖，再重复 1 - 2 次，粘住一点后，松开左手，用电熨斗压住整个电路板，来回加热，均匀接触，20 - 30 秒后即可拿开断电。等待冷却。

冷却后，用手撕开电路图纸，即可出现清晰的电路图，若有出线断线，用油性笔可以补上断了的线路。

将覆铜板放入小盆中，依覆铜板的大小，取出适当的三氯化铁放入，热水壶烧一点热水，将热水倒入，水量不要多，刚刚浸没覆铜板即可，用手摇动小盆，可以加快腐蚀。

腐蚀完成后即可拿出，用清水清洗掉残留溶液，用合适的钻头打孔。

打完孔后，把砂纸和裁剪好的覆铜板都浸湿，用砂纸将其留下的黑色碳粉给磨掉。

制作完成，焊接。

三、热转印制作

用布图软件将电路布线图用激光打印机（碳粉）打印到专用的转印纸上，然后热转印到腐铜板上，然后再用三氯化铁进行腐蚀制作。例如在 F051 单片机测试电路板制作过程中，就采用了固态双氧水方法制作电路板，把热转印好的电路板放入腐蚀槽，加入少量盐酸之后，启动摇摆床。由于不知道需要加入多少固态双氧水，先加入一小勺，观察腐蚀的情况。看到腐蚀速度有点慢，再加入一小勺，此时腐蚀速度明显加快了。大约 30 秒之后，电路板变腐蚀完毕。在此过程中，并没有出现任何异味和气体。取出电路板，后面使用丙酮，将电路板上的墨粉去除。此外，还有用热转印法做 PCB 板的例子，以 51 单片机和时钟芯片 DS12C887 做的时钟为例，先设计出原理图，画好 PCB，将画好的 PCB 图打印到热转印纸上，将热转印纸上的墨转印到覆铜板上（可用热转印机或熨斗），对应一些打印缺点墨的，要用记号笔（油性笔）修补，不可用签字笔或钢笔。然后准备腐蚀，整个腐蚀过程非常清晰，腐蚀完效果非常好，用清水洗净，用细砂纸打磨掉板上的墨迹（或用天拿水擦拭），钻孔，焊上元件。

四、单片机在电路板上的应用实例

单片机对 GPRS 电路板的开关控制

在 "灯控项目" 中，单片机可以通过 IO 口控制继电器，从而实现对 GPRS 电路板的开关控制。所需元器件包括 1 个五脚继电器、1 个 NPN 三极管、2 个电阻和 1 个二极管。五脚继电器在 1、3 脚导通时，2 和 5 连接，不导通时 2 和 4 连接，实质是 1/3 脚之间为线圈，通电后产生磁力。R4 起限流作用，降低三极管 Q1 功耗，阻值取 1K - 2K；R10 使三极管可靠截止，阻值取 5.1K。D2 起反向续流作用，防止出现浪涌，选用 IN4148 即可。Q1 起扩流作用，通过共发射极电路进行电流放大，从而驱动继电器中的线圈，选用 8050 即可。

自制开发板

Arduino Due：Arduino Due 是一块基于 Atmel SAM3X8E CPU 的微控制器板，是第一块基于 32 位 ARM 核心的 arduino，工作电压为 3.3V。IO 口可承载电压也为 3.3V，兼容工作在 3.3V 且引脚排列符合 1.0 arduino 标准的 arduino 扩展板。

DIY 自制 STC 单片机开发板：通过选择不同的模块，如 MCU（STC89C52RC 芯片）、LED 点阵、蜂鸣器、光强度和烟雾浓度传感器、温湿度传感器、超声波传感器、MP3、数码管、按键及流水灯等，规划板子的大小和后期元器件的放置，利用 Altium Designer 09 版本软件进行 PCB 设计，包括原理图绘制、2D 和 3D 展示图等，设计出一款组合式单片机开发板。

利用自己的知识设计单片机开发板：为了满足单片机入门教学和实验的需要，设计了一款非常简单的单片机开发板，涵盖流水灯、数码管、蜂鸣器、继电器、按键串口等模块，并开放单片机的最小系统，方便学生扩展矩阵按键、LCD 等外围器件。

自制 51、stm32 开发板：可以利用已有的淘宝上买的开发板（带有串口程序一键下载电路），将单片机插在该开发板上，用 keil 将程序烧录到单片机中，再将单片机拔下来插到自制板子上运行程序。也可以对已有开发板做减法，拆除无关部件，获得最小 51 单片机开发板。

五、单片机在不同领域的应用

简述：说明单片机在家电设备、工业生产、创客领域等的广泛应用。

一、家电设备中的应用

单片机在各类家电设备中起着至关重要的作用。例如，在现代的电视机、冰箱、洗衣机、空调机等家用电器中，基本上都采用了单片机控制。以洗衣机为例，单片机可以根据不同的衣物类型和重量，自动调整洗涤模式和时间，实现智能化洗涤。在空调中，单片机可以实时监测室内温度和湿度，自动调节制冷或制热模式，为用户提供舒适的环境。此外，像微波炉、电饭煲等厨房电器也广泛应用单片机，实现精确的温度控制和定时功能。

二、工业生产中的应用

单片机在工业领域有广泛的应用，作为嵌入式系统的核心，提供了实时控制和处理能力。在自动化控制方面，单片机广泛应用于工厂生产线、机械控制、流程控制等，实时采集传感器数据，控制执行器和执行各种自动化任务。例如，在汽车制造过程中，单片机可以控制汽车生产线的各个环节，确保生产的高效和质量。在传感器接口方面，单片机可以与各种传感器进行连接，如温度传感器、压力传感器、湿度传感器等，通过采集和处理传感器数据，实现实时监测和控制。在数据采集与监控系统中，单片机可以收集工业设备的运行状态、生产数据等，用于生产过程优化、故障诊断和预测性维护。在过程控制与调节方面，单片机可用于工业过程控制，如温度控制、液位控制、流量控制等，通过读取传感器数据和执行相应的控制算法，实时调节工业过程的参数，以保持稳定的操作条件。在智能仪表与监视器方面，单片机可用于开发各种智能仪表和监视器，如仪表板、仪表指示器、数据记录器等，提供实时数据显示、报警功能和远程监控，帮助操作员监控和控制工业过程。此外，单片机还可以集成通信接口，实现与其他设备或系统的通信，通过网络连接，实现远程控制和监控工业设备，实现远程操作和管理。

三、创客领域中的应用

在创客领域，单片机也发挥着重要的作用。例如，在 Windows 下机器视觉 YOLOv5 + arduino 单片机的应用中，可以实时地通过 YOLOv5 算法检测目标，当视频中检测到目标时，LED 灯管打开，当视频中没有目标时，LED 灯管关闭。工作原理是摄像头实时检测画面中的物体，当有目标出现时，python 作为上位机利用串口通信发送指令给单片机（arduino），单片机接收到指令之后会控制继电器的通断，来实现 LED 灯管的亮灭。另外，创客打造的 PS2 手柄和单片机通信，可实现无线遥控小车。Arduino 电机舵机驱动板 PS2 手柄无线遥控 mearm 采用 PCA9685 和 TB723 芯片组合，非常稳定且扩展性强，Arduino 控制板和驱动板通过 IIC 通讯，可接入 16 个舵机，4 个 PWM 控制，4 个电机或 2 个步进电机控制，全面支持图形化编程。可以用手柄控制小车前后左右，超声波传感器还可以避障，用手柄控制舵机指令还可以接蓝牙做无线传输，也可以二次开发。

六、常见单片机的实力比拼

在电子领域中，有六种常用的单片机各有特点，广泛应用于不同的领域。下面对这六种单片机进行比较分析。

51 系列单片机

51 单片最初是由 Intel 始创的 8004 单片机开始，这是 8 位的单片机。其特点是寄存器少，很多功能需要外部扩展，如 AD 转换、PWM 专门输出信号等。I/O 口输出能力不强、运行速度慢、抗干扰能力差、功耗高、不具备自编程能力。但是，它的外围电路相对简单，上手容易，适合入门级，很多高校单片机都是以 51 单片机教学为主，在工业测控系统应用很广泛。目前生产 51 单片机的厂家有英特尔、艾德梅尔、西门子、华邦以及国产的宏晶等。

AVR 系列单片机

AVR 单片机是由 Atmel 公司最初提出，也是 8 位单片机，后来也有 16 位的。它内部指令大大简化，内部结构精简，速度更快，功能更强大，驱动能力比 51 强，功耗很低，抗干扰能力更强。内部有强劲的 Flash 程序存储器，烧录快捷方便，内部集成多种频率的 RC 振荡器、PWM 输出、AD 转换、看门狗、上电自动复位等功能。AVR 单片机有三种系列：tinyAVR 主要被用于需要性能不是很高、效率低下以及在小封装中使用；megaAVR 是针对需要加额外外围电路设计的理想选择，自编程能力强；XmegaAVR 主要在高集成度和低功耗使用。AVR 单片机主要应用在打印机、空调、电表等控制电路板当中。

STM32 系列单片机

STM32 系列单片机是由 ST 公司推出的，表示 ARM Cortex - M 内核的 32 位微控制器。这个芯片功能强大，光是学习起来就有厚厚的一本书。这是一款高性能高性价比的芯片，特点是拥有双 12 位 ADC，4 兆位 / 秒的 UART，18 兆位 / 秒的 SPI，18MHz 的 I/O 翻转速度，待机功耗低至 2μA，复位电路、低电压检测、RC 振荡器等电路高度集成化。到目前为止，ST 已经推出了基本型、增强型、USB 基本型系列、互补型等一系列芯片，功能越来越强大，主要应用在交通运输、UPS 电源、充电桩、功率转换器、计算机等方面。

MSP430 系列单片机

MSP430 单片机是 TI 德州仪器公司推出的，有时候也成为混合信号处理器，这种单片机是 16 位超低功耗芯片。其内部指令集也极具精简，内部集成了较为丰富的片内外设，有各类定时器各种通讯协议、液晶驱动器、高精度数模转换、USB 控制器等。这种单片机特点是运算速度快、处理能力强、功耗低等。主要应用在智能电子锁、键盘门禁、读取器、电梯轿厢呼叫按钮、无线扬声器、可视门铃等。

PIC 系列单片机

较为出名的是 Microchip 公司的 PIC 芯片，这家公司 PIC 系列出货量居于业界领导者地位。PIC 芯片的指令集也较为精简。Microchip8 位、16 位和 32 位单片机，拥有功能强大的架构、灵活的存储器技术、通讯方式涵盖 SPI、I2C、UART、CAN、USB、以太网等、内部集成了图形以及触摸传感控制器等电路、各类比较器、A/D 转换器等应有尽有。目前 Microchip 的 PIC 单片机 8 位的典型代表有 PIC10、PIC12、PIC16、PIC18。PIC 系列单片机主要是用来开发和控制外围设备的一种芯片，对于庞大的系统，有些场合如果用此芯片控制可以进行高度集成化，减少外围电路。主要应用在电机、医疗、家电、有限连通、汽车领域、电池管理方案、智能能源等。

M68HC 系列单片机

这是 MOTOROLA 推出的单片机，摩托罗拉作为单片机最大生产商之一，它的 M68HC 系列单片机特点是速度快、功能强大、功耗低等，带 flash 重复擦写且供电电源单一、支持在线编程，最主要的是它内部采用的时钟频率很低，抗干扰能力很强，因此很适合在工控领域使用。

七、单片机 PCB 板电子设计黑科技

在单片机 PCB 板电子设计中，充满了许多令人惊叹的黑科技，这些技术不仅提升了电路的性能和可靠性，还为电子工程师们带来了更多的创新空间。

原理图设计

原理图设计是单片机 PCB 板电子设计的第一步，它如同构建大厦的蓝图，清晰地展示了电路元件与电子元件之间的连接关系。通过原理图设计，工程师们可以直观地了解电路的组成和信号的传输路径。例如，在 STM32F103C8T6 单片机原理图设计中，根据不同模块的功能对应相应的引脚，合理规划了 WIFI 模块、光照度传感器、OLED 模块等的连接方式，为后续的 PCB 板设计奠定了坚实的基础。

电路布局设计

电路布局设计是将电子元件在 PCB 板上进行合理安排和布置的过程。一个合理的电路布局可以最大限度地减少电磁干扰和信号串扰。在这个过程中，工程师们需要充分考虑信号传输的路径长度、信号引脚的位置以及电子元件之间的物理距离等因素。例如，在元器件布局时，应把相互有关的元件尽量放得靠近一些，如时钟发生器、晶振、CPU 的时钟输入端等易产生噪声的元件，应靠近放置以减少信号传输距离，降低干扰。同时，对于易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路开关电路等，应远离单片机的逻辑控制电路和存储电路，以提高电路工作的可靠性。

焊盘设计

焊盘设计是为电子元件提供焊接的位置和连接。精细的焊盘设计可以提高焊接的稳定性和可靠性。在单片机 PCB 板电子设计中，焊盘的尺寸、形状和排列会对电路的工作性能产生影响。例如，在 51 单片机中 PCB 板元器件的制作和封装过程中，需要根据设计要求制作元器件的焊盘，注意第一个焊盘要放置在中心点上，以第一个焊盘为中心摆放其他焊盘的位置，确保焊盘的坐标位置准确无误。同时，还可以通过设置焊盘的大小、形状等参数，满足不同元器件的焊接需求。

电源线设计

电源线设计是为电子元件提供所需电源的过程。在单片机 PCB 板电子设计中，稳定的电源供应对于保证系统的正常运行至关重要。工程师们需要考虑电源线的长度、线宽和线间距等因素，以确保电源的稳定性和可靠性。例如，在 PCB 板设计中，可以在印制电路板的电源输入端跨接 100uF 左右的电解电容，如果体积允许，电容量大一些则更好。同时，在关键元件旁边安装去耦电容，如在 ROM、RAM 等芯片旁边安装去耦电容，可以有效降低电源噪声，提高电路的稳定性。

信号线设计

信号线设计是为各个电子元件之间传输信号的过程。在单片机 PCB 板电子设计中，合理的信号线设计可以有效降低信号干扰和功耗。工程师们会根据信号的特点和传输要求来决定信号线的长度、走向以及线宽等参数。例如，在 PCB 板布线走线布局中，要合理规划信号线的走向，尽量避免信号线之间的交叉和重叠，以减少信号干扰。同时，对于高速信号线，可以采用差分信号传输方式，提高信号的抗干扰能力。

地线和屏蔽设计

地线是为了保证电路的接地和信号的稳定进行布置的线路，而屏蔽则是为了避免电磁干扰的影响。在单片机 PCB 板电子设计中，合理的地线和屏蔽设计可以提高系统的性能和抗干扰能力。例如，在单片机控制系统的 PCB 地线布局中，对于板子上有数字地、模拟地、电源地的情况，应将模拟地和数字地完全分开，最后单点接到电源地，以防止地信号的相互串扰而影响敏感元件。对于只有数字地、电源地的情况，可以在电源地和数字地之间用一个 0 欧电阻或磁珠单点接地，降低干扰。同时，在 PCB 板设计中，可以采用屏蔽罩等方式，对易受干扰的元件进行屏蔽，提高系统的抗干扰能力。