基于单片机无线电子点菜系统硬件设计及实现

文章摘要：图3.4 开发板和无线数据传输模块接口部分图3.5 5V电平转3.3V电平部分3.2.5 键盘部分图3.6 键盘部分键盘部分用来实现人机通信。有四个按键开关构成，分别为S5(P3.3/INT1), S6(P3.4/T0), S7(P3.5/T0), S5(P3.2/INT0),正常情况下均为高电平。当键按下后，输出为低电平。由于四个键盘的组成一样，这里只画出了S5的电路图。图3.6为键盘部分。3.3 无线数据传输模块通过仔细的比较和反复的论证后，决定选用nRF2401芯片作为无线模块的核心芯片，它的特点在上一章已经详细论述，这里不在重复。nRF2401芯片的典型应用电路如图3.7所示。图3.7

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图3.4 开发板和无线数据传输模块接口部分
图3.5 5V电平转3.3V电平部分

3.2.5 键盘部分
图3.6 键盘部分

键盘部分用来实现人机通信。有四个按键开关构成，分别为S5(P3.3/INT1), S6(P3.4/T0), S7(P3.5/T0), S5(P3.2/INT0),正常情况下均为高电平。当键按下后，输出为低电平。由于四个键盘的组成一样，这里只画出了S5的电路图。图3.6为键盘部分。

3.3 无线数据传输模块

通过仔细的比较和反复的论证后，决定选用nRF2401芯片作为无线模块的核心芯片，它的特点在上一章已经详细论述，这里不在重复。nRF2401芯片的典型应用电路如图3.7所示。

图3.7 nRF2401芯片的典型应用电路
从图11可以看出，只需要很少外围电路就可以组成无线数据传输模块。
它与开发板的接口电路为图3.8
各个接口的要求如下：
(1) VCC脚接电压范围为 1.9V~3.6V之间，不能在这个区间之外，超过3.6V将会烧毁模块。推荐电压3.3V左右。
(2) 除电源 VCC 和接地端，其余脚都可以直接和普通的 5V 单片机IO 口直接相连，无需电平转换。当然对 3V 左右的单片机更加适用了。
(3) 硬件上面没有SPI的单片机也可以控制本模块，用普通单片机IO口模拟SPI不需要单片机真正的串口介入，只需要普通的单片机IO口就可以了，当然用串口也可以了。
(4)6脚，12脚为接地脚,需要和开发板的逻辑地连接起来。
图3.8 无线数据传输模块与开发板的接口电路

3.4 无线数据传输模块和开发板的PCB图设计

PCB板是一块绝缘材料，在表面合理安放各种电子元件，并安排连接电子元件引脚间的铜膜导线，在不同的表面间有连接不同表面的铜导孔。
随着电子技术的不断发展进步，PCB在复杂程度和应用范围方面都有了长足的进步，按复杂程度来分，可以将PCB板分为3类：1.单面印刷电路板；2.双面印刷电路板；3.多层印刷电路板。为了方便布线，本系统所用的开发板和无线数据传输模块均为双层印刷电路板。
PCB的生成主要由四个过程组成：其一是原理图的生成；其二是根据已经生成的原理图产生对应的网络表，网络表是PCB图和原理图的纽带；第三步是新建一个PCB文件，并导入网络表；第四步是将合理布局元件，并用导线将元件的引脚连起来。
3.4.1 开发板的PCB图
将开发板的原理图按照以上的步骤生成相应的PCB图。如图3.9所示：
在PCB图设计的所有过程中，原理图在上一节已经生成。网络表的生成也比较简单。由于PCB图上使用元件的封装来代表元件，因此原理图中各个元件都要明确有自己的封装方式，而且在绘制PCB图前必须将用到的封装所在的封装库调入。否则，在调入网络表的过程中将会出现元件丢失的错误。

图3.9 开发板的PCB图

开发板上主要用到两个封装库：Advpcb.ddb和Miscellaneous.ddb.另外由于USB电源接口，电源开关，键盘和四位八段数码管没有对应的封装，因此需要使用元件库编辑器建立新元件封装。图3.10为键盘封装，图3.11为USB封装，图3.12为开关封装，图3.13为四位八段数码管封装。

图3.10 键盘封装 图3.11 USB封装

图3.12 开关封装 图3.13 四位八段数码管封装

各个元件的封装的引脚的序号必须和原理图中引脚的序号保持一致，不然将会在调如网络表过程中出现管脚丢失的错误。
下面再重点分析一下布线的过程。
布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。本系统的PCB布线为双面布线，布线的方式有两种：自动布线及交互式布线。但由于自动布线效果不好，往往实际的效果和预计效果有很大的出入，因此全部使用交互式布线。布线过程中充分考虑到如何降低元件字之间互相的干扰。
首先根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻，它们的关系是：地线＞电源线＞信号线。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。线条有讲究：有条件做宽的线决不做细；高压及高频线应园滑，不得有尖锐的倒角，拐弯也不得采用直角。
由于采用双层设计，因此不可避免地将会使用到过孔。过孔太多，沉铜工艺稍有不慎就会埋下隐患。所以，设计中应尽量减少过线孔。此外，应该合理布置电源滤波/退耦电容：一般在原理图中仅画出若干电源滤波/退耦电容，但未指出它们各自应接于何处。其实这些电容是为开关器件(门电路)或其它需要滤波/退耦的部件而设置的，布置这些电容就应尽量靠近这些元部件，离得太远就没有作用了。

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