前言 JLC EDA

星火計(jì)劃，必出精品！且還是與眾不同的精品~

絕大部分開源項(xiàng)目都是開源PCB和代碼，好點(diǎn)的再加個(gè)結(jié)構(gòu)，但是這些過程是如何從無到有的呢？很少有人會(huì)詳細(xì)解答！

本次工程將手把手教你從硬件選型，原理圖PCB，軟件編程和結(jié)構(gòu)建?！?/p>

我會(huì)從幾個(gè)方面，全方位介紹我們開發(fā)一個(gè)產(chǎn)品的流程！

包含：

規(guī)格書解讀、元器件選型；

原理圖PCB；

軟件編程；

結(jié)構(gòu)建模；

面板繪制。

工程描述 JLC EDA

使用PLS-K-100激光測(cè)距儀模塊+ESP32做MCU，可以實(shí)現(xiàn)100米±2mm高精度激光測(cè)距，和其他對(duì)比精度是很高的！

了解PLS-K-100激光測(cè)距儀 JLC EDA

先簡(jiǎn)單的看看模塊的參數(shù)。

參數(shù)圖

PLS-K-100測(cè)量精度高，測(cè)量速度快，安裝操作簡(jiǎn)單。已廣泛用于家裝測(cè)量，工業(yè)控制等各領(lǐng)域。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

體積小巧

重量輕

測(cè)距距離遠(yuǎn)，可達(dá)100m

精度高，最高可達(dá)1mm

耐高低溫-30~+60℃，常溫款0-40℃

模塊圖

從選型到繪制原理圖 JLC EDA

元器件選型+MCU選型+編程選型+需求分析+原理圖。

這一部分是整個(gè)文章最核心部分??！

01確定核心元器件

首先你需要知道你做的這個(gè)東西的核心元器件是什么。

不同的產(chǎn)品可能有不同的核心元器件，復(fù)雜的產(chǎn)品甚至是有多個(gè)核心元器件。

例如：手機(jī)的核心元器件就是SOC；藍(lán)牙音響的核心器件是功放和藍(lán)牙芯片。以藍(lán)牙音響舉例，你要想好是側(cè)重藍(lán)牙芯片還是側(cè)重功放，再選型。

這個(gè)激光測(cè)距儀的核心元器件就是——PLS-K-100激光測(cè)距儀模塊。

這個(gè)模塊是串口通訊的，所以MCU只要有串口通信都可以使其工作。

其他像電源芯片和MCU都是非核心元器件。原理圖上只需要接到MCU的串口腳即可。這里我使用HDR2.54排針連接到主板，此外還需要接上拉電阻。

02預(yù)選MCU

因?yàn)檫@個(gè)元器件可以通過串口通信，然后接收指令和發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，因此MCU選有串口通信的MCU，像是ESP32、普通的51單片機(jī)、STM32、甚至上樹莓派等arm的處理器都是可以的。

但是這都需要功能需求分析后才能選，這里先告訴大家選用的是ESP32。

03選定編程軟件

至于選用什么MCU又關(guān)系到你選擇編程軟件的問題。

例如STM32，可以支持keil、ST官方的CUBE mx、IAR arm版、VsCode、arduino。

ESP32也可以用官方的IDE或者arduino等。

如果是簡(jiǎn)單的做點(diǎn)東西，我還是更推薦使用arduino。

04確定功能需求

那么確定了核心器件和MCU這種主要需求后，剩下的就是其他需求了。

其他需求指的是什么呢?

最簡(jiǎn)單的就是看系統(tǒng)的輸入輸出。

我舉一些例子：

有無外置電池？是一直插電使用還是隨身攜帶使用？

如果有電池需求，那么電池電壓選擇？

電池低于系統(tǒng)電壓？需要升壓芯片

電池高于系統(tǒng)電壓？需要降壓芯片

有無用戶輸入？如何輸入？使用按鍵還是搖桿？使用鼠標(biāo)還是鍵盤？使用觸屏還是語音識(shí)別？細(xì)分一下又可以分為：按鍵是IO輸入還是ADC輸入？搖桿是ADC輸入還是編碼輸入？

有無用戶輸出？如何輸出？使用屏幕還是LED燈？使用震動(dòng)還是機(jī)械反饋？使用蜂鳴器還是語音播報(bào)？這里也可以細(xì)分：LED燈是否需要呼吸燈？LED燈有幾盞，多的話是否需要譯碼器？屏幕是否需要驅(qū)動(dòng)芯片又或者直接驅(qū)動(dòng)？

05看看別人是怎么做的

我找來了一個(gè)優(yōu)利德的LM150e+ 150m激光測(cè)距儀，就看系統(tǒng)的輸入輸出。

輸入：兩節(jié)AAA電池、按鍵、激光測(cè)距模塊
輸出：屏幕顯示距離、激光測(cè)距模塊

在這里激光測(cè)距儀是輸入也是輸出，輸出了激光然后輸入了激光反饋，因此才測(cè)得距離。

看完了別人的那我們就仿照它來做吧。

06確定輸入按鍵

首先輸入是肯定用按鍵，因?yàn)檫@種產(chǎn)品有時(shí)你是看不見測(cè)量的屏幕。

比如測(cè)量縫隙的時(shí)候你的眼睛就不能盯著觸摸屏，如果用觸摸屏那不如實(shí)體按鍵來的準(zhǔn)確。

然后就是按鍵數(shù)量，優(yōu)利德的一共有7個(gè)按鍵：

開機(jī)兼測(cè)量模式的復(fù)合按鍵

測(cè)量長寬高算體積面積的按鍵

儲(chǔ)存按鍵

多組數(shù)據(jù)加減求和的按鍵

基準(zhǔn)切換的按鍵

蜂鳴器開關(guān)的

關(guān)機(jī)和清零復(fù)合按鍵

我們簡(jiǎn)單點(diǎn)，就要個(gè)測(cè)量，基準(zhǔn)切換，開關(guān)機(jī)，蜂鳴器開關(guān)，然后我們?cè)偌狱c(diǎn)其他東西。

比如說優(yōu)利德的沒有單位切換，那我加一個(gè)單位切換，我想要一個(gè)單純的激光開關(guān)，不測(cè)量，我想把測(cè)量模式分開……

那么一套下來我們就一共需要至少8個(gè)按鍵：

蜂鳴器開關(guān)

激光開關(guān)

基準(zhǔn)切換

單位切換

連續(xù)測(cè)量

單次測(cè)量

開機(jī)

關(guān)機(jī)

然后這就有一個(gè)問題：

我們電池產(chǎn)品的話要考慮低功耗，所以用按鍵開關(guān)機(jī)就要做開機(jī)電路，關(guān)機(jī)電路等。

但是想簡(jiǎn)單點(diǎn)的話直接做一個(gè)硬開關(guān)，開關(guān)電池的供電就好了。

所以以上，就確定要有6個(gè)按鍵，一個(gè)開關(guān)。

07確定屏幕輸出

輸出用的屏幕可以用彩色屏，1602屏，也可以用OLED。

但是這種儀器，彩色屏的話成本會(huì)高，而1602屏顯示的信息就又太少了。如果想要經(jīng)濟(jì)又實(shí)惠，可以用OLED。

雖然是單色但也足夠。

使用帶驅(qū)動(dòng)的模塊OLED屏幕，可以用SPI或者IIC通訊，這種不是需要快速顯示的。

為了節(jié)省IO先預(yù)選IIC通訊，原理圖上需要上拉電阻：

08確定外圍

除了主要的輸入輸出外，我還需要加入其他外圍，方便用戶指示或者調(diào)試用。

①蜂鳴器

用于提示用戶，需要加三極管驅(qū)動(dòng)，原理圖上只需要當(dāng)下管，IO驅(qū)動(dòng)即可：

②激光指示燈

用于提示用戶前激光是否打開，不需要用眼睛去看，雖然是二類激光產(chǎn)品，但是看久了還是對(duì)眼睛不好。

LED想用IO直接驅(qū)動(dòng)：

③串口輸入輸出

用于方便調(diào)試和升級(jí)燒錄用，這里就用CH340C把。

這個(gè)前期可以用，后期產(chǎn)品開發(fā)成型后可以做空焊。

看規(guī)格書搭好電路。

需要注意的是V3腳，3.3V直接接3.3V，5V要外接退耦電容。

我這里使用的是USB的5V直接供電。

當(dāng)然如果是STM32可以留JTAG或者SWD，這部分可以等選完MCU再回過來確定，也是可以的。

④電池電量和充電指示

如果要使用到電池電量指示那么首先要檢測(cè)，很明顯需要用ADC檢測(cè)，而充電器是否插入可以用IO或者ADC檢測(cè)。

09確定MCU和IO分配

那么輸入輸出和外圍都預(yù)選后，就要選擇MCU了。

實(shí)際上確定MCU可以在前面，也可以在這里，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整的過程。

比如前面選擇了資源較少的MCU，后面需求多了，那么就要更換更大資源的MCU。如果一開始就選很多資源的MCU也是可以的，但是這樣就不經(jīng)濟(jì)，因此需要結(jié)合需求綜合的確定出MCU。

首先先確定外圍，通訊，IO數(shù)量：

核心，激光測(cè)距儀模塊：UART

蜂鳴器：IO

調(diào)試：UART

按鍵：IO6或ADC1或ADC*2？

電池電量檢測(cè)：ADC

充電器插入檢測(cè)：ADC或IO？

屏幕：IIC或SPI？

那么需要一個(gè)MCU要有兩個(gè)UART，ADC1~3路，IO2~8或10，IIC或SPI。

最好是硬件的，雖然很多時(shí)候軟件也能模擬，但是沒有硬件效率高。

MCU這部分IO分配需要仔細(xì)去看規(guī)格書或者IO解讀才能知道。

傳統(tǒng)8051單片機(jī)沒有硬件IIC，ADC，直接不看。

ESP8266 IO不夠。

經(jīng)典STM32F103C8T6備選。

ESP32 備選

還有很多很多mcu都是可以的，MCU滿足需求后反過來再看看編程環(huán)境和現(xiàn)有的庫。

第3節(jié)推薦過arduino開發(fā)。

實(shí)際上STM32F103C8T6也是支持arduino的，ESP32也是，都可以使用很多現(xiàn)成的庫。

不過綜合考慮后還是選擇ESP32，主要理由是：

現(xiàn)階段STM32F103C8T6支持arduino不夠完善；

ESP32支持WIFI，后續(xù)可以增加聯(lián)網(wǎng)功能；

外圍簡(jiǎn)單，無需晶振。

然后回過頭來在確定按鍵全部可以用IO，比較好開發(fā)，屏幕用IIC。

最后就是MCU分配IO了。

首先先按照那些IO口能輸入，能輸出，功能復(fù)用等先分配。

例如ESP32，有些IO是開機(jī)會(huì)輸出PWM啊，或者只能輸入不能輸出。

比如說開機(jī)會(huì)輸出PWM最好就不能接LED啊蜂鳴器的，拉高啟動(dòng)失敗就不能接上拉的IOKEY等等，這些都需要做調(diào)整。

然后除了看以上情況還需要看PCB的布線是否走得通，好不好出現(xiàn)，走不走的順，走不了只能調(diào)換IO，這些是要PCB畫到一半再回過頭來調(diào)整的。

選擇好MCU后還需要畫上MCU外圍，也就是最小系統(tǒng)電路。

對(duì)于ESP32最小系統(tǒng)基本上就是電源和復(fù)位電路了。

當(dāng)然我集成到CH340自動(dòng)下載電路了，因此這兩個(gè)按鈕實(shí)際上可以省掉。

如果是STM32等還需要外圍晶振電路。

10確定電池和電源系統(tǒng)

首先這種手持產(chǎn)品不可能說接著個(gè)AC電，TYPE-C5V來用，這樣很不方便，因此電池肯定是要有，那選什么電池？選多大的呢？

主要還是看各個(gè)元器件的輸入電壓范圍。

那么我們需要找規(guī)格書。

關(guān)于如何找規(guī)格書，有空我可以寫個(gè)文章單獨(dú)講如何找，這里先直接給出來：

MCU

蜂鳴器

激光測(cè)距模塊

CH340

OLED屏幕

以上就是主要元器件的工作電壓范圍，除了MCU和激光測(cè)距模塊是在3.3V，其他都可以到3.3~5V。

綜合考慮各個(gè)系統(tǒng)給定3.3V。

然后就是確定電源（電池）。

如果是一節(jié)鋰電池（4.2V~3.2V，3.7V額定），那么又有兩種方法：

1.是升壓到5V然后降壓到3.3V；
2.是直接降壓到3.3V。

實(shí)際上鋰電池大多數(shù)情況到后面壓降很厲害了，能用的基本都在3.3V以上，考慮到經(jīng)濟(jì)和損耗，不如直接降壓到3.3V。

那么降壓又有DCDC和LDO，這里更推薦使用DCDC。

因?yàn)榇蠖鄶?shù)LDO需要有0.1~1V的壓差才可以使用。

例如：1V壓差需要4.3V才能降壓到3.3V，而我們電池電壓會(huì)波動(dòng)，所以大多數(shù)LDO都用不了，而且我們希望一個(gè)電源降壓芯片就給整個(gè)系統(tǒng)供電，因此使用DCDC效率更高而且電流帶載能力越大。

這里使用我經(jīng)常用的一顆LP3220。

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)上典型應(yīng)用圖就可以搭出來電路了。

可以帶1.2A電流，而且可以低壓差甚至無壓差輸出。

例如3.4V輸出3.3V，3.3V輸出3.3V，當(dāng)然3.2V不可能輸出3.3V，這就需要升降壓芯片了，但是這里沒有必要用到升降壓。

如果是兩節(jié)鋰電池串聯(lián)（8.4V~6.4V，7.4V額定），那么推薦用DCDC直接到3.3V是最好的，但是兩節(jié)鋰電池又需要考慮電池均衡的問題，還有電池的管理芯片和外圍也比單節(jié)的多得多，因此不如用單節(jié)鋰電池。

干電池的話也是可以的，但是自己做DIY的話就不推薦了，要經(jīng)常買，兩節(jié)干電池串聯(lián)實(shí)際上只有2.幾V的電壓，基本上是升壓了。

綜合考慮下來還是使用單節(jié)鋰電池最為經(jīng)濟(jì)。

11電源管理芯片和電源路徑

選定電池單節(jié)鋰電池后要考慮充電問題，充電芯片有很多，我這里選的是TP5100，單節(jié)充電可以上到2A，不過我選用的是1A電流。

然后要考慮路徑管理，很多電池產(chǎn)品例如手機(jī)，可以邊用邊充電，但是考慮到激光測(cè)距儀專用性比較強(qiáng)，也不是24小時(shí)都要插電用的，更多是手持的時(shí)候，因此沒做路徑管理。

當(dāng)然要做路徑管理也是可以的，如下：

邊用邊充，5V給電池充電同時(shí)給系統(tǒng)5V供電，沒有5V時(shí)用電池供電。

那么到這里元器件選型+MCU選型+編程選型+需求分析+原理圖就完了！

審核編輯 ：李倩