【开源硬件篇】STM32F103C8T6主控板

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STM32F103C8T6主控板

设计目标

  • 能够控制9路5V舵机
  • 具有3路串口通信接口,其中有一路串口设计为串口转USB,通过一根USB数据线直接进行通信
  • 拓展口,除了所用到的功能模块的IO口,其余的IO口都拓展出去
  • 一路LED灯5V电源指示灯
  • 设计了两组3V3-GND引脚

一、STM32F103C8T6核心板外围引脚电路

1.1 原理图设计

【开源硬件篇】STM32F103C8T6主控板

​ 这里我们需要将对应的引脚和我们之前的【开源硬件篇】STM32F103C8T6核心板的外围IO电路对应起来。

​ 具体的引脚的功能我们需要可以建立一个Excel表格查找,便于我们将对应引脚的功能分配到指定电路中:
【开源硬件篇】STM32F103C8T6主控板

​ 注:第一列为引脚名称,第二列为引脚复用的功能列表,第三列为复用的功能。

1.2 PCB设计用例

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​ 一般来说,核心板的插座都会放置到主控板的中心,便于我们后期的走线以及元器件的摆放。

二、ISP一键下载电路设计

2.1 原理图设计

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2.2 原理分析
2.2.1 CH340电路选择

​ 一开始我的原理图设计时,串口转TTL芯片的采用的是CH340G,但是由于其需要额外提供晶振电路,导致物料增多,而CH340C芯片恰好把晶振电路集成到芯片的内部当中,而且价格也便宜,设计方便,所以采用CH340C芯片进行电路设计。

​ 关于CH340电路我们需要考虑以下几点:

1)电压匹配问题

  • 芯片供电问题

CH340芯片通过USB转换出来的TTL串口输入和输出电压是根据芯片的供电电压自适应的。

​ 如果CH340芯片是5V 供电,那么串口输出和采样都是5V;如果是 3.3V 供电,那么标准就成了 3.3V。若CH340芯片是5V供电,可以兼容3.3V系统;若CH340芯片是3.3V供电,则不能兼容5V系统,若使用5V系统,则可能会损坏芯片。
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  • 芯片V3引脚接线问题

    5V 供电时芯片 V3 引脚需要接一个 0.01uf电容到地;3.3V 供电时直接将 V3 脚与 3.3V 电源引脚短接
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2)晶体以及电容的选用(CH340G需要,而CH340C不需要

​ 在选用晶振时如果选择 12MHz 的石英晶体,那么旁路电容选择 22pF 的独石或高频瓷片电容。如果选用的低成本陶瓷晶体,那么旁路电路的容量必须用该晶体厂家的推荐值,一般情况下是47pF。

​ 对起振困难的晶体,建议电容数值减半。如果仍然无法起振,最好参考一下选用晶振的官方推荐电容值。

3)芯片CH340的V3引脚作用

​ V3 引脚的电容用于内部电源节点退耦,来改善 USB 传输过程中的 EMI,通常容量在 4700pF 到 0.1uF 范围,建议容量为 0.01uF,即 103 电容.

2.2.2 ISP一键下载原理

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​ DTR#和RTS#都是 输出类型,MCUISP(一键下载工具)会控制DTR#和RTS#的高低电平状态,从而控制BOOT0和NRST

​ 芯片上电后,DTR#、RST#初始状态的时都是高电平;当开始下载时,DTR#维持高,RST#拉低,此时Q1、Q2都导通,NRST为RTS#电平,即低电平,会发生复位,而BOOT0为RTS#,即高电平

​ 下载完成后,DTR#变低,Q2不导通,复位结束,此时BOOT0为高电平

注:先是DTR#变为高,RST#变为低,等到代码下载结束时 RST#先变为高电平,然后DTR#在变成高电平

所以,在使用FlyMcu的时候一定要选择如下图所示的模式:

【开源硬件篇】STM32F103C8T6主控板

2.3 PCB设计示例

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​ 注:D+和D-最好为差分走线,这样我们的信号会更加稳定。

三、串口通信电路

3.1 原理图设计

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3.2 原理分析

​ 串口是一种串行通信,设备之间通过数据信号线、地线、电源线连接,按数据位形式一位一位地传输数据的通讯方式,同一时刻只能传输一位(bit)数据。

​ 串口也是一种全双工通信,如图所示:

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​ 串口分为发送方TX和接受方RX,TX用于向外面发送数据,而RX用于接收外面的数据,两者互不干扰,可以同时进行。

​ 串口是一种异步通讯方式,不需要时钟信号进行数据同步,但是要约定好数据的传输速率(波特率)。

​ 原理图中,两个物体之间的GND和VCC要同时连接,为数据提供高低电平的参考。VCC的选择可以选择3.3V或者5V,5V可以兼容3.3V,但是3.3V不能兼容5V。

3.3 PCB设计示例

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四、5V转3.3V电路

4.1 原理图设计

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4.2 原理分析
4.2.1 AMS1117芯片数据手册分析

1)简介:

​ 通过查阅数据手册,选择了AMS1117-3.3这款芯片,可以提供1A的电流。AMS系列有多种电压输出,包括了1.5V, 1.8V, 2.5V, 2.85V, 3.3V 和 5.0V

2)封装:

​ 选择的封装为:SOT-223

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​ 1- Ground/Adjust

​ 2- VOUT

​ 3- VIN

3)最大额定值

​ 最大输入电压为15V,焊接温度最好控制在265℃以下

4)电气特性

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4.2.2 AMS1117电路分析

​ 电容起到一个对电源的输入和输出进行一个滤波的操作

4.3 PCB设计示例

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​ 电容一定要靠近芯片的对应引脚,这样滤波的效果才明显,否则会导致滤波效果很差,电源纹波比较大。

五、舵机控制电路

5.1 原理图设计

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5.2 原理分析

​ 舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器
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​ 一个舵机由变速齿轮箱,电位器,电路板与直流电机组成.伺服电机由信号线输入的PWM信号控制。信号的频率应为50Hz,周期为20ms,PWM的占空比决定了舵机旋转到的角度。

​ 舵机的控制由一个脉冲宽度调制信号(PWM波)来实现

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​ 因此舵机主要有电源线、PWM控制线、GND线。一般的舵机输入电压,从4.8V到7.2V左右,电压越大,舵机达到指定位置的速度越快。舵机的工作电流为100mA~2A,若发生舵机堵转可能会达到3A左右的电流,很容易把舵机烧坏,所以在使用时候要注意舵机的堵转问题。

5.3 PCB设计示例

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​ 由于一个舵机的电流大概在1A左右,所以多个舵机驱动的话需要进行电源铺铜的方式,防止有导线不够粗而烧毁。

上述的原理图以及PCB设计已经开源至立创开源平台上,大家可以下载进行参考设计专属自己的STM32F103C8T6主控板,链接为:https://oshwhub.com/panzhongsheng/kai-yuan-ying-jian-STM32F103C8T6

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