[Single-chip microcomputer] Heart-shaped running water lamp design based on 51 single-chip microcomputer

1、项目简介
      基于STC89C52RC单片机设计的心形流水灯，采用TYPEC接口进行供电，30个LED灯环绕PCB板，通过下载接口可自行DIY设计流水灯形式。
2、电路原理
      基于STC89C52RC单片机设计的心形流水灯主要由主控芯片电路、晶振电路、复位电路、USB电源供电电路、LED驱动电路、下载接口电路组成，下文将对各模块电路原理进行分析。
3、电路解析
3.1、主控芯片电路
      主控单片机使用的是STC89C52RC（DIP-40P封装），价格便宜，高速可靠，低功耗，强抗干扰。指令代码完全兼容传统的8051单片机，工作电压3.3~5.5V，工作频率范围在0-40Mhz，相当于普通8051的0~80Mhz，实际工作频率可达48Mhz，Flash程序存储器空间大小为8K字节，片上集成512字节RAM数据存储器，工作温度范围在-40~85℃。图中的RN1为P0端口的上拉排阻，P0口内部无上拉电阻，所以作I/O口必须外接10K-4.7K的上拉电阻。当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线[A0~A7]，数据线的[D0~D7]，此时无需外接上拉电阻。
图3.1 STC89C52RC主控芯片电路
 
3.2、晶振电路
       晶振的作用是给最小系统提供时钟信号，晶振旁的电容作用是保证输出的震荡频率更加稳定。根据数据手册，可以选择的晶振频率可以从0M~48M，晶振频率不同，对应的匹配电容也不相同，常用的晶振频率为12M或11.0592Mhz，其主要原因是使用12Mhz晶振时，刚好是一个机器周期，也就是1US，在设计程序时，比较好计算。使用11.0592MHz时，串口通信波特率等运算中能够得到一个整数，计算的结构更加的精确和方便。一个照顾时间，一个照顾波特率。具体情况看项目选择或个人需要选择。
图3.2.1 晶振电路选型
图3.2.2 晶振电路
 
3.3、复位电路
      复位也叫重启，当电源上电的时候，电容还没有充满电，此时RST引脚处是高电平，当电容充满电，此时是短路，RST引脚被电阻拉低，产生外部复位脉冲使系统复位。
图3.3 复位电路
 
3.4、USB供电电路
      电源电路主要由TYPE-C接口组成，采用2Pin的TYPE-C接口，简单方便，易于焊接。
图3.4 USB供电电路
 
3.5、LED驱动电路
        使用30个LED灯，5V电源输入，经过LED再经过2K的限流电阻到达IO引脚，通过IO引脚输出高低电平来控制LED灯的点亮和熄灭。STC89C52RC单片机通用IO引脚输出高电平能力不强，建议不要使用IO引脚输出高电平去点亮LED灯，而是使用输出低电平去点亮。
 
图3.5.2 led驱动电路
 
3.6、下载接口电路
      采用USB转TTL串口烧录方式，预留出1×4Pin的直插排针接口，用来调试下载程序。
图3.6 下载电路
 
4、原理图设计
4.1、新建工程
      打开嘉立创EDA专业版，创建新工程并命名为【单片机】基于51单片机的心形流水灯设计，将原理图文件命名为SCH_心形流水灯设计。根据以下电路进行绘制电路原理图。
图4.1 SCH_心形流水灯设计
 
4.2、器件选型
       在本项目的元器件选型中，所有元器件可直接在嘉立创EDA的元件库中进行搜索。如果对元器件不熟悉，也可以通过复制物料中的商品编号进行搜索（每一个元器件在立创商城都有唯一的商品编号），如果出现物料缺货情况，亦可选择其他可替换物料，通过以上电路的分析，相信聪明的你对各个元器件在电路中的作用有所了解，那么更换个别物料也不会影响到电路的工作性能的，了解电路工作特性后，电路选型也就变得简单了。
图4.2.1 元器件搜索示意图
图4.2.2 通过供应商编号进行搜索
 
4.3、物料清单
 
基于51单片机的心形流水灯设计
序号
名称
参数
位号
数量
封装
供应商编号
1
主控芯片
STC89C52RC-40I-PDIP40
U1
1
DIP-40_L52.0-W13.7-P2.54-LS15.2-BL
C14022
2
排阻
10K
RN1
1
RES-ARRAY-TH_9P-P2.54-D1.0
C8692
3
电阻
2K
R2~R31
30
RES-TH_BD2.4-L6.3-P10.30-D0
C410663
4
10K
R1
1
RES-TH_BD2.4-L6.3-P10.30-D0.6
C410695
5
LED灯
红灯
LED1~LED30
30
LED-TH_BD5.9-P2.54-RD
C87271
6
晶振
11.0592MHz
X1
1
HC-49US_L11.5-W4.5-P4.88
C127675
7
电容
22PF
C2、C3
2
CAP-TH_L4.0-W2.6-P2.50-D0.5
C2170230
8
10UF
C1
1
CAP-TH_BD5.0-P2.00-D0.8-FD
C432355
9
USB连接器
TYPE-C
USB1
1
USB-C-TH_TYPE-C-31-M-33
C2848624
10
排针
2.54*4P
H2
1
HDR-TH_4P-P2.54-V-M
C492403
 
5、PCB设计
       完成原理图设计后，经过检查电路与网络连接正确后点击顶部菜单栏的 “设计 ”→ “原理图转PCB”（快捷键为Alt+P），随即会生成一个PCB设计界面，可先暂时忽略弹出的边框设置，然后将PCB文件保存到工程文件中，并命名为：PCB_心形流水灯设计。
5.1、边框设计
      在绘制PCB前需根据个人意愿以及元器件数量所占空间确定PCB的形状及边框大小,风格样式可自由发挥，但尽量控制在10cm*10cm之内，这样就可以到嘉立创免费打样啦～,下面介绍一下心形图案绘制步骤：
第一步：圆形在绘图区里画出两个半径相等并且相切的圆形
第二步，画好圆形之后再选择直线，我们以圆的切点为起点向下画出一条直线
第三步，画好直线之后我们按下空格键在直线取一点，分别向这两个圆形引切线
第四步，画好切线之后，修剪掉不必要的线，这样一个心形图案就绘制好了
第五步，对心形图案进行修改，留出TYPE-C接口位置
大家也可以直接复制我们的参考边框。
图5.1 心形边框
 
5.2、PCB布局
       在绘制完板框外形后，接下来进行PCB设计的第二步，对元器件进行分类和布局，分类指的是按照电路原理图的功能模块把各个元器件进行分类，图中有很多按键和对外的接口，这里需要我们用到嘉立创EDA所提供的布局传递功能，首先确保PCB工程已保存到原理图文件的同一个工程文件夹中，然后框选原理图中的某一电路模块，比如选中主控电路，然后点击顶部菜单栏中的 “工具” → “布局传递”（快捷键为Ctrl+Shift+X），PCB页面所对应的元器件就好进行选中并按照原理图布局进行摆放， 使用这个方法将各个电路模块进行分类后依次摆放在前面所放置的边框中。
       在布局的时候注意摆放整齐，可根据飞线的指引进行摆放，按照原理图信号的流向和器件连接关系进行摆放，是可以把原理图器件摆放非常整齐的，在布局的过程中注意接口位置。 在该项目的布局中提供以下几点参考建议：
1、TYPE-C接口放置在预留的心形边框处
2、晶振底部尽量不要走线，靠近对应IO引脚，减少干扰
3、将LED灯围绕心形灯进行摆放，主要不要太靠近板框
4、板子比较简单，可以去除一部分丝印显得更简洁美观
图5.2 PCB布局参考图
 
5.3、PCB走线
      接下来进行PCB设计的第三步：PCB走线，全称为印刷电路板布线（PCB LAYOUT）。由于电路板有顶面与底面两个面，在PCB走线也就可以分为顶层和底层走线，其中顶层走线默认是红色线，底层为蓝色线，也可按照个人喜好设置其他颜色，走线也就是在电路板中按照飞线连接导线，将相同的网络连接起来即可。
      首先选择层与元素中要走线的层，然后点击导线工具进行连线（快捷键为W）。看似简单的连连看，其中需要我们耐心的进行调整，元器件的摆放布局也会影响走线的难度，所以还需要在走线过程中进一步调整布局，进一步优化。前面所介绍的PCB布局相当于是在给走线做铺垫，布局好了走线也就自然顺畅了。该项目的走线中提供以下几点参考建议：
①电源线设置为25mil，信号线设置为15mil宽度；
②走线以顶层走线为主，走不通的可以切换到底层进行连接；
③走线过程中优先走直线，需要拐弯的地方以圆弧拐弯或钝角为主；
④最后加上泪滴，添加丝印标记该按键功能以及接口功能；
图5.3 PCB走线参考图
 
5.4、铺铜与丝印
      PCB 走线画完后进行铺铜，就可以连接好 GND 网络。丝印字符遵循从上往下从左到右的原则。对拨动开关、电源指示灯和按键等加上丝印标注说明，在板子加上工程名称与LOGO注释。
图5.4.1 PCB顶层铺铜与丝印参考图
图5.4.2 PCB底层铺铜与丝印参考图
 
6、电路调试
6.1、硬件调试
（1）器件焊接
在焊接中应注意：
在进行焊接时，可在嘉立创EDA专业版PCB界面的工具栏中点击焊接辅助工具，实时交互方便焊接；
在焊接顶层时，TYPE-C接口建议优先焊接，避免其它器件影响焊接；
焊接排针时可用一块空板或洞洞板顶住，防止焊斜，影响使用；
焊接顺序应遵循从低到高原则进行，避免影响小器件的焊接；
图6.1.1 PCB空板-顶层
图6.1.2 PCB空板-底层
 
图6.1.3 PCBA实物图
（2）硬件调试
      若焊工比较粗糙，在焊接完一种元器件，可以目测检查是否短路，也可用万用表检查。焊接完成后需要使用万用表检查电源与地是否短路，焊接过程中有没有出现短路以及断路的情况，检查无误后方能进行上电测试。
 
6.2 、软件调试
（1）编程环境
      使用keil C51进行编程开发，AT89系列、STC89系列和STC15系列等单片机都可以使用keil C51进行开发，keil C51软件支持的芯片多达几百款。
官方下载地址: https://www.keil.com/download/product/
（2）固件烧录
使用USB转TTL串口烧录工具将程序下载到单片机，USB转TTL线的RXD端接单片机的TXD端，TXD端接单片机的RXD端；
点击下载/编程后，需重新插拔VCC上电，显示握手操作成功，即可成功下载用户代码。
图6.2 心形流水灯工作图