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第29天 MCU入门

article 2024/12/2 18:29:50

目录

MCU介绍

MCU的组成与作用

电子产品项目开发流程

硬件开发流程

常用元器件初步了解

硬件原理图与PCB板

常见电源符号和名称

电阻

电阻的分类

贴片电阻的封装说明：

色环电阻的计算

贴片电阻阻值计算

上拉电阻与下拉电阻

电容

电容的读数

二极管

LED 灯电路

钳位作用

三极管

在NPN三极管中

在PNP三极管中

MOS管

晶振

光耦

运放电路

MCU 最小系统电路

复位电路

晶振电路

蜂鸣器电路

继电器电路

继电器的基本组成部分及工作原理

触点解释

电机驱动芯片

学习过程中，注意遇到问题、分析问题：

问题发生前都改了什么，增加了什么，逐步打开
控制变量观察

MCU介绍

我们知道CPU是计算机控制器，而MCU就是微控制器。

边缘计算--终端

边缘计算相对于云计算，是一种将计算任务在靠近数据源或用户端的设备上进行处理的计算模式。

终端这里指网络边缘的设备端点，是数据的产生源或最终的接受处理点。

比如在一个物联网（IoT）场景下的智能摄像头系统中，摄像头本身（作为终端设备）内置了 MCU。这个 MCU 可以对摄像头捕捉到的视频数据进行初步的边缘计算，如进行简单的图像识别（比如识别是否有物体移动），而不是将所有的视频数据都传输到云端服务器进行处理。这样可以减少网络带宽的占用，同时也能更快地对本地事件做出响应。

MCU主要做数据采集、数据处理及控制。与底层传感器、电机等设备接触。

MCU底层的通信及接口比较多。

MCU的组成与作用

单片机的构成：CPU内核、总线、片上外设、IO跟外部外设进行通信的引脚、RAM、ROM

最小系统组成：电源电路、下载接口电路、时钟电路、复位电路

电源电路：给芯片提供电源
下载接口电路：给芯片烧录代码
时钟电路：给芯片提供时钟频率
复位电路：让芯片复位

只有一个单片机不够作为一个产品，需要芯片+外部电路构成+外壳+软件功能

另外，需要了解常用的STM32F103RCT6 是 Cortex_M3 V7 架构； STM32F103ZET6 是 Cortex_M3 V7 架构

电子产品项目开发流程

项目市场调查->项目需求分析->产品的总体设计方案->产品的软硬件设计

硬件开发流程

硬件产品要求->硬件总体设计方案->电路原理图设计->PCB设计->PCB加工文件制作与PCB打样->硬件产品焊接与调试->硬件产品测试

常用元器件初步了解

硬件原理图与PCB板

PCB板：分为单面板、双面板、四层板

双面板是主流使用的类型，比较好抄板，打板也比较便宜

常见电源符号和名称

VCC：接入电路的电压
GND：电线接地端。代表地线，其实也就是电源的负极。
VDD：期间内部的工作电压（接电源）。其中D=device器件的意思
VSS：电路公共接地端电压（接地）。
DGND：数字地，数字电路中的地（也称为逻辑地，是各种开关量、数字量信号的零电位）。
AGND：模拟地，模拟电路中的地（各种模拟量信号的零电位）。
VDDA：专门用于给模拟电路供电的正电源电压。在一些微控制器中，这个电压可能被用来给内部的ADC（模数转换器）或其他模拟外设供电。
VSSA：与VDDA相对应，它是专门为模拟电路提供的地线，确保模拟部分有干净的接地参考。
VBAT：电池电压输入端，通常用于便携式设备或需要电池供电的应用中。它可以直接连接到电池的正极。
VREF+ 和 VREF-：这些是参考电压输入端，用于提供精确的电压参考给某些电路，如ADC或DAC。VREF+通常表示正参考电压，而VREF-则表示负参考电压或地。

电阻

电阻器R是一个限流元件。电阻元件的电阻值大小一般与温度、材料、长度和横截面积有关。

单位(Ω) MΩ、 KΩ 、Ω 、mΩ

1MΩ = 1000KΩ

1KΩ = 1000Ω

电阻的分类

在用途方面，电阻可以分为热敏电阻、光敏电阻、力敏电阻、湿敏电阻、压敏电阻、磁敏电阻、气敏电阻。

贴片电阻的封装说明：

封装跟实际外观的关联性很大 1mil=0.001英寸

0805封装电阻 80mil 50mil

1mil==0.0254mm 1mm==39.37mil

0201 0402 0603 0805都是常用的封装

0805 宽 80*1mil=80*0.0254mm 高 50*1mil=50*0.0254mm

色环电阻的计算

色环：四色环和五色环

划分：底数+幂指数+精度

四色环：2+1+1

五色环：3+1+1

精度环一般和其他色环相距较远

红红黑金 220 5% 22*10^0 = 22R 5%

黄紫黑橙棕 4703 1% 470K 1%

贴片电阻阻值计算

5%精度 100Ω的电阻 95Ω--105Ω都算正常的

3 位数：5%精度 202 20*10^2 = 2000Ω = 2KΩ

4 位数：1%精度 2002 200*10^2 = 20KΩ

数据分成：底数+幂指数

3 位：2+1 精度 5%

4 位：3+1 精度 1%

例子：

202：20*10^2 = 2000Ω = 2KΩ

510：51*10^0 = 51Ω

4121：412*10^1 = 4120Ω = 4.12KΩ

472：47*10^2=4700Ω = 4.7KΩ

4701：470*10^1=4.7KΩ

105：10*10^5

204: 20*10^4

有 0 欧姆的电阻--隔离使用或者调试使用

上拉电阻与下拉电阻

上拉电阻：将一个不确定的信号，通过一个电阻与电源 VCC 相连，固定在高电平

下拉电阻: 将一个不确定的信号，通过一个电阻与 GND 相连，固定在低电平

电容

电容器在调谐、旁路、耦合、滤波等电路中起着重要的作用。

铝电解电容和钽电容是区分正负的

贴片瓷片电容不区分正负

贴片瓷片电容可以和贴片电阻共用封装

常用单位：μF（微法），nF（纳法）， pF（皮法）

1F=10^6uF=10^9nF=10^12pF

电容的读数

瓷片电容：472 104 【料盘】

104 = 10 * 10^4 pf = 100000pf =100nf= 0.1uf

472 = 47 * 10^2 pf = 4700pf = 4.7nf

103 = 10*10^3pf=10000pf=10nf=0.01uf

106=10*10^6pf=10^4nf=10uf

224=22*10^4=220nf=0.22uf

电解电容：会直接标注 100uf/25V 220uf/16V

二极管

二极管是用半导体材料(硅、硒、锗等)制成的一种电子器件。它具有单向导电性能。

LED 灯电路

向内检测输入模式

向外控制输出模式

LED3 高电平(3.3V) LED3 不亮

LED3 低电平(GND) LED3 亮

R8 的作用是限流电阻一般情况下二极管根据它的材料，通过二极管前后压降是一定的，二极管的压降是 0.7V，低于这个电压二极管是不会导通的，高于这个电压，则会导通。在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。

二极管的管压降：硅二极管（不发光类型）正向管压降 0.7V，锗管正向管压降为 0.3V，发光二极管正向管压降会随不同发光颜色而不同。

主要有三种颜色，具体压降参考值如下：红色发光二极管的压降为 2.0--2.2V，黄色发光二极管的压降为 1.8—2.0V，绿色发光二极管的压降为 3.0—3.2V，正常发光时的额定电流约为 20mA。

钳位作用

假如：红色发光二极管，红色二极管压降 2V，

R4 的电流：I=(3.3V2V)/330Ω=0.004A=4mA

R4 和 LED1串联，电流相等

三极管

三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。

三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的 PN 结，两个 PN 结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有 PNP 和 NPN 两种。

顺着箭头的方向为PN节的方向

在NPN三极管中

导通压降：锗：0.3V 硅：0.7V

导通条件：BE

认为的导通：CE

真正的导通：BE CE

在PNP三极管中

可以看成有两个PN结

控制三极管导通与截至==控制BE的PN结

导通和截至==CE的导通和截至

常见的三极管电路

单片机引脚高电平蜂鸣器响

单片机引脚低电平蜂鸣器不响

PN 结的导通压降：0.742V

R1 的电流（3.3V-0.742V）/1K

R2 的电流 0.742V/10K

PN 结的电流 R1的电流-R2的电流

MOS管

场效应管分为 PMOS 管（P 沟道型）和 NMOS（N 沟道型）管，属于绝缘栅场效应管。

G：栅极

S：源极

D：漏极

MOS 管的主要原理是能够控制源极和漏极之间的电压和电流。它的工作原理几乎就像一个开关，设备的功能基于 MOS 电容。MOS 电容是 MOS 管的的主要部分。当漏源电压（VDS）连接在漏极和源极之间时，正电压施加到漏极，负电压施加到源极。

N 沟道：UGS > 电压值 --》看对应的产品手册

P 沟道：UGS > -电压

晶振

无源晶振：两个信号引脚

有源晶振：只有一个信号引脚

单片机如果选择使用外部时钟，提供晶振 RTC 需要外部晶振，也需要提供一个给他 32.768KHZ

光耦

（1）隔离使用 (2) 电平转换

运放电路

根据“虚短” VP=V-

根据“虚断” V-这一点的电压等于 R2 两端的分压

V-=R2/(R1+R2)*VO

两个式子联立 VO=(R1+R2)/R2*VP

MCU 最小系统电路

首先来看看STM32名字中的每个字符都代表着什么

让单片机能够工作的最简单的电路：电源、芯片、晶振、复位、下载

电源：DC 1.8（低功耗） 3.3V（32 单片机） 5V（51 单片机）

芯片：自己选型，根据实际的硬件资源需求

晶振：提供时钟源

复位：让程序可以从头开始运行

下载接口： JTAG/SWD（下载接口）

J-link ST-link Ulink（下载器）

ISP 下载（串口）：STM32 只能使用串口 1 进行程序下载，下载的时候需要调节 BOOT0,BOOT1 的引脚电平

复位电路

单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。

STM32单片机：低电平复位

51单片机：高电平复位

晶振电路

为芯片提供外部时钟，提供外部时钟来源：外部高速时钟和外部低速时钟。晶振+谐振电容

蜂鸣器电路

蜂鸣器响：1.不响：0

无源蜂鸣器：------------

有源蜂鸣器：高低电平、0/1

继电器电路

继电器是一种电控开关，它利用电磁原理来控制电路的通断。继电器的主要作用包括但不限于以下几点：

低压控制高压：通过小电压和小电流控制大电压和大电流的电路，实现电气隔离。
直流控制交流：用直流电控制交流电的电路，适用于多种不同的应用场景。
低电流控制高电流：小电流控制大电流，实现功率放大。
带铁芯的线圈：继电器内部有一个带有铁芯的线圈，当线圈通电时会产生磁场，吸引开关动作。
单刀双掷开关：一种常见的继电器类型，可以将一个输入连接到两个输出中的一个。这种继电器具有三个主要的触点：公共触点、常开触点和常闭触点。

继电器的基本组成部分及工作原理

线圈（Coil）：当给继电器的线圈施加适当的电压时，线圈会产生磁场。
铁芯（Core）：线圈产生的磁场会使铁芯磁化，产生吸引力。
衔铁（Armature）：受到铁芯磁力的作用，衔铁会移动，从而带动触点的动作。
触点（Contacts）：继电器的触点分为常开触点（NO, Normally Open）和常闭触点（NC, Normally Closed），以及公共触点（Common）。

触点解释

公共触点（Common Contact）：这是继电器触点的一个固定点，它可以连接到常开触点或常闭触点上，取决于继电器的状态。
常开触点（Normally Open Contact, NO）：在继电器未激活（线圈不通电）时，公共触点与常开触点之间是断开的；当继电器激活后，公共触点与常开触点连接，形成闭合回路。
常闭触点（Normally Closed Contact, NC）：在继电器未激活时，公共触点与常闭触点之间是连接的；当继电器激活后，公共触点与常闭触点断开，形成开路。