从三个层次来介绍用于机器人主控板的设计思想

在很多人眼里，主控板有着密密麻麻的芯片引脚与PCB走线，看起来非常难的样子。其实恰恰相反，主控板的设计有着其特有的设计规律，其实说白了就像搭积木，在满足单片机最小系统的条件下，需要哪些功能，只需要增添相对应的电路模块即可，也可称为模块化设计思想。

本文我将从三个层次来介绍用于机器人主控板的设计思想。分别为：

根基，主控板最基础部分的设计和原理；

枝干，主控板功能模块的扩展与设计思路；

树叶，主控板中功能模块具体电路参数的计算。

我将以一棵大树的层次结构为模型，带领大家走进电路设计的乐趣。

根基

这里的根基表示的是单片机最小系统，是单片机可以正常执行程序的最简工作环境。如果没有这些的话，单片机是无法运行程序的。

最小系统的组成包括，电源电路，时钟电路，复位电路。大多数芯片的最小系统需要包含以上三种电路，而有的芯片却可以不使用外部时钟，其芯片内部可以通过RC振荡器为程序运行提供时钟基准。

根基之电源电路。以STM32系列单片机为例，其工作电压在2.0V~3.6V,通常会使用3.3V电源供电。

假设我们使用5V电源为电路板提供电源，这样就需要将5V转换成3.3V为单片机供电。考虑到单片机需要工作在低纹波的电源环境下，这里选择了线性降压电源（LDO）。明确了设计目的，下面就需要进行方案选择了。

需要做的事：使用那款LDO芯片将5V电压降低到3.3V电压，且满足功率需求。能够实现这几项需要的方案，非常多，下面我简单列举了几款常用芯片。

细细分析上面的表格中参数，发现不同芯片有着不同的最大输出电流。这时可根据单片机内部资源使用情况来计算最大工作电流（在单片机手册可以查找到），来进行方案选取。确定了单片机最大工作电流后，需要扩大3倍来选取电源芯片。

至此，已经确定好了电源芯片方案，但是如何进行电路连接呢？如何设计能减少干扰呢？对于电路如何连接，一般在芯片手册前几页会给出典型应用电路。这里我以AMS1117-3.3为例进行介绍。

下图来自芯片手册中的典型应用电路模块。一般情况下，按照数据手册中的电路连接，就可以正常使用。为了提高系统的稳定性，我们还可以对电路稍加修改。比如，在电源输入口增加磁珠来抑制电源线上的高频干扰信号。在输入输出端增加滤波去耦电容，以保证输出电源的纯净，和瞬态响应能力。

根基之复位电路。相信很多人和我一样，从接触51单片机时就开始疑惑复位电路的工作原理，由于对模拟电路理解的不够透彻，而不能给出正确答案，当别人问起时，吞吞吐吐说不出个所以然来。对于复位电路，这里给出两种不同的解释，欢迎大家批评指正。

对于低电平复位的单片机来说，其复位电路如下图所示：

复位电路解释一：首先，明确电容器具有通交隔直的能力。而交流电的定义为非直流电都为交流电，而直流电的定义是大小方向不随时间变化。

那可以这样理解：在电路上电瞬间，电压从零变化到VCC此时电容两端电压在不断变化应该归属于交流电，这个变化过程是需要时间的。在这段时间内电容处于导通状态，RST引脚电压接近于GND（低电平）。满足单片机复位要求。具体参数可通过RC电路进行计算。通常使用0.1uf和10K电阻进行单片机复位。

复位电路解释二：从电容充电曲线理解.电容在充电时，两端电压曲线如下图仿真图所示，电压缓慢爬升，当IO口电压低于0.8V时，单片机就会认为IO口电平为低电平，则图中复位电路使用参数可提供288us低电平时间，足够满足单片机进行复位。

根基之时钟电路。对于单片机来说时钟就像心跳一般，在时钟信号的基准下，有规律的执行者代码。时钟电路大同小异，这里以无源晶振为例。

如上图所示，为时钟电路，其中两个22pf电容为起振电容，1M电阻为环路反馈电阻。采用8MHZ晶振，经STM32内部PLL锁相环,进行倍频可达到72MHZ，后经过分频电路进行分频为各外设提供时钟。

单片机最小系统主要由这三部分，作为控制器的根基，是必须要有的。无论多么复杂的功能都需要基于此进行拓展，下面介绍如何拓展主控板的功能。

枝干

这里的枝干指的是以最小系统为根基引申出来的各个功能模块。和大树一样，枝干在满足自身生长的条件下可多可少。这里简要介绍两个扩展功能，以展示控制器中“枝干”的设计过程。

新增枝干---温度检测功能：

这里想用单片机实现一个简单的温度计功能，可用于机器人中电机温度检测，也可以称为需求。这时我们需要做的就是选用哪种方法去实现温度检测。如果你学过51单片机，可能会想到DS18B20这款单总线温度传感器，好这里可以把它作为一种备选方案。还有没有其他的？？？我喜欢列表，画图去将脑海中的想法展现在纸面上，这里列表看看我脑中能够列出多少种方案。

看吧，随便一列就能够列出5个备选方案，实际中远远不止这些。为了使文章更加丰满，介绍更多的基础电路设计，这里以负温度系数热敏电阻作为实现本次任务的传感器。

负温度系数热敏电阻的阻值会随着环境温度的升高而降低。对于型号为MF52 10K ±1%的热敏电阻，其阻值随温度变化的曲线如下图所示。在-40~70之间其阻值的线性度非常好，完全可以使用一次函数式（y=ax+b）来拟合这段曲线，然后根据电阻值去反推环境温度。

问题推进到现在，测量温度的需求，已经演变成了如何测量热敏电阻阻值的需求。说道电阻，应该能够想起最基本的欧姆定律吧！

通过上式，我们就可以通过检测热敏电阻两端电压来确定热敏电阻阻值。

电压法测量热敏电阻阻值：这种办法比较简单，在产品中应用的也较多。使用电阻R1与热敏电阻串联，然后使用单片机ADC功能读取VF1点电压，后反推出热敏电阻阻值，进而计算出当前所测试温度。

其计算公式为：

电路中的R1需要选取一个合适的数值。选取过大，NTC两端电压变化范围就会变得很窄，为后期的数据出来带来不便。

如下图所示，为R1分别选取了10K，55K，100K三个阻值时，VF1随温度变化曲线。从图中可以看出当R1=10K时，VF1的范围很宽，并且温度在0度到45度范围内变化时，VF1具有很好的线性度。

相比而言当R1选取55K和100K时，VF1的表现就没有那么好了。

这样我们就在单片机最小系统上添加了测量温度的功能。在整个设计过程中，我们只仅仅使用到了单片机的一个ADC口，其余都应属于模拟电路知识。按照这个思维，我们可以实现很多功能，比如你想要给控制器添加WIFI功能，通过分析也许你连原理图都不用改，只需要购买个具有UART的WIFI模块就能够实现，就是这么简单。

新增枝干---电路电流检测功能：

在控制器设计中难免会涉及到检测电流，用于电路过流保护，或电机相电流检测。这里想用单片机检测电机某相电流，来实现电机的FOC控制，也可以称为需求。

电流检测方案有多种可供选择，比如采样电阻，霍尔电流传感器，罗氏线圈。这里我选择了电阻对电机相电流采样。