实用：Atmega 32U4 控制电路 持续更新中

标签：MCU 控制电路 辉光管 项目集成化 嵌入式

Zhongmin_Zhu 发布于 2017-03-14 04:07

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Abstract：

这篇文章将会针对 Atmega 32U4 单片机讲解如何将这块芯片集成到自己的项目中。

这样做的好处是可以避免使用外部单片机/Arduino加跳线的不稳定设计，将一个项目的后期作品控制部分和项目本身直接集成到一块PCB上，并精简外围原件以达到需要的功能。

这篇文章将进行广义上的集成设计讲解，如需要辉光管控制电路制作教程，请直接前往 辉光管音频频谱仪 制作教程板块 （编写中） 获取已经设计好的PCB/原理图资源。

 

应用范围：

爱好者项目集成化，自动化控制，项目成品/后期Demo制作。

 

本篇文章演示任务：

完成基于Atmega32U4的控制电路设计。

 

选件介绍：

选择Atmega32U4的原因是，Atmega32U4是一块自带USB并且支持USB-HID的芯片，这样可以免除单独设计串口转USB芯片的工作并简化调试流程和固件更新的流程。

其次，Atmega32U4是Arduino Leonardo兼容MCU，这意味着初学者可以直接将Arduino的Bootloader烧写入Atmega32U4并使用Arduino的编程语言对其直接控制。


系统概览：

Atmega32U4控制模块包含以下部分（基本）：

·        Atmega32U4

·        时钟信号发生部分

·        5V/3.3V稳压部分

·        SPI总线

·        数字/模拟输入输出接口

·        USB及其外围元件

·        外部直流电源输入（可选）

·        其它通讯接口（e.g., I2C, SPI, Serial .,etc）


系统工作原理：

Atmega32U4通过预先设计好的程序完成指定操作。

 

其它：

我为这个模块设计了两个5V稳压模块：

  1. 一种延伸了Arduino原生设计，使用1117系列三端稳压管，最大工作电流1A，效率较低，适合小功率外部电源项目。
  2. 第二种使用了TI的反馈电压调节电路，最高功率可以长时间连续输出5V/2A，在5V/1A输出下可以达到90%+的工作效率，适合大功率以及电池供电项目。

根据猜测的使用场景，我取消了USB电源/外部电源自动选择电路，如有需要可以参考 Arduino UNO 的原理图部分。（见附件）


Step 1： 主体部分设计

Main.PNG
主体部分电路原理图设计基本延续其推荐应用电路，应注意的是确保保留SPI总线以方便后期程序烧写。

为节省空间，我将AGND并入了GND讯号，如果需要进行精度较高的模拟讯号收集，请注意隔离AGND与GND讯号。

Step 2： 电源设计：1 （可选）

PWR1.PNG
这个版本的电源延续Arduino原生设计，使用三端稳压管进行5V稳压。最大工作电流1A，效率较低，适合小功率外部电源项目。

在此版本中省略了3.3V稳压，如有需要同理。

Step 3： 电源设计：2 （可选）

PWR2.PNG
第二个5V稳压电源电路使用了德州仪器的TPS5405非同步降压稳压模块，最高功率可以长时间连续输出5V/2A，在5V/1A输出下可以达到90%+的工作效率，适合大功率以及电池供电项目。

请注意参考原理图中的外部原件参数！

其中输入/输出部分的无极性电容需要选择低ESR的电容（参考值3mOhm），推荐使用电解质参数为X5R/X7R的Ceremic电容。有源电容采用常规铝电解电容即可。

补充：此原理图中电感使用4.7uH/2A电感。

Step 4： I/O 输入输出设计 （及对应Arduino相应引脚图）

IO.PNG Main.PNG Ar.PNG
IO部分根据自己的项目需求将IO引脚引出即可，在同一块PCB上的设计可以直接在原理图中连接Atmega32U4的引脚与被控制讯号。在不同PCB上可以使用排线端子进行连接。

Atmega32U4引脚和Arduino引脚对应的图见白色原理图截图。

Step 5： USB部分电路设计

USB.PNG
USB部分没有过多的差异化要求，需要注意的是在PCB布局是严格保证两条USB讯号线的长度一致并尽可能减少过孔。

Step 6： PCB布局

PBV.PNG PBV_Ink_LI.jpg
A：电源设计方案2
B：总体部分
C：电源设计方案1
D：USB
PWR：直流电源输入 （7-28V）
红色排线：前往自己的项目被控制部分

注意：此设计同时包含两种电源设计方案，请选择一种使用，并删除第二种；或同时保留，在焊接原件时选择一种进行焊接。

Step 7： 集成建议

Step 8： 烧写Arduino Bootloader

Step 9： 原题图文件

1.PNG
注意：此原理图同时包含两种电源设计方案，请选择一种使用，并删除第二种；或同时保留，在焊接原件时选择一种进行焊接。

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Step 10： PCB布局文件

2.PNG
我提供了一个在一个电路中集成多个Atmega32U4的样例PCB设计，这两块Atmega32U4之间可以使用串口进行通讯。

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Step 11： Gerber 加工文件

2.PNG 3.PNG
注意：此文件只具有参考价值，请不要使用此文件进行生产；应当根据自行情况设计电路并生产！

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Step 12： 相关元件 DataSheet 及 BOM清单

PartValueDevicePackageDescriptionMFMPNOC_FARNELLOC_NEWARK
C1100nC-EUC0603C0603-ROUNDCAPACITOR, European symbol
C2100nC-EUC0603C0603-ROUNDCAPACITOR, European symbol
C322pC-EUC0603C0603-ROUNDCAPACITOR, European symbol
C422pC-EUC0603C0603-ROUNDCAPACITOR, European symbol
C5100nC-EUC0603C0603-ROUNDCAPACITOR, European symbol
C71uFC-EUC0603C0603-ROUNDCAPACITOR, European symbol
C810uCPOL-EUSMCBSMC_BPOLARIZED CAPACITOR, European symbol
C9100nC-EUC0603C0603-ROUNDCAPACITOR, European symbol
C1010uCPOL-EUSMCBSMC_BPOLARIZED CAPACITOR, European symbol
C1210uCPOL-EUSMCBSMC_BPOLARIZED CAPACITOR, European symbol
C331uFC-EUC0603C0603-ROUNDCAPACITOR, European symbol
C350.1uFC-NP-SMD-0805C-0805NON-POLARIZED FILM/CHIP
C3622uFCNP-12101210NON-POLARIZED CAP
C3722uFCNP-12101210NON-POLARIZED CAP
C3820nFC-NP-SMD-0805C-0805NON-POLARIZED FILM/CHIP
C3922uF 3mOhmCNP-12101210NON-POLARIZED CAP
C40100uFCPOL-EUDPANASONIC_DPOLARIZED CAPACITOR, European symbol
C41100uFCPOL-EUDPANASONIC_DPOLARIZED CAPACITOR, European symbol
C42100pFC-NP-SMD-0805C-0805NON-POLARIZED FILM/CHIP
C432.2nFC-NP-SMD-0805C-0805NON-POLARIZED FILM/CHIP
D1M7DIODE-SMBSMBDIODE
D2CD1206-S01575DIODE-MINIMELFMINIMELFDIODE
D8SS24DIODE-DO214AADO214AADIODE
F1MF-MSMF050-2 500mAL-EUL1812L1812INDUCTOR, European symbol
IC1NCP1117ST50T3GMC33269ST-3.3T3SOT223Adjustable Output Low Dropout Voltage Regulator 800 mA
ICSPICSPPINHD-2X32X03PIN HEADER
L1SLF7045SLF7045SLF7045SMD Inductors(Coils) For Power Line (Wound, Magnetic Shielded)
R110kR-EU_M1206M1206RESISTOR, European symbol
R210kR-EU_M1206M1206RESISTOR, European symbol
R23MH2029-300YR-US_M0805M0805RESISTOR, American symbol
R2685.5kR-EU_M0805M0805RESISTOR, European symbol
R2747kR-EU_M0805M0805RESISTOR, European symbol
RN322R4R-NCAY16CAY16Array Chip Resistorunknownunknown
U$19MICRO-USB-SHIELD-ZX62RMICRO-USB-SHIELD-ZX62R-B-5PZX62R-B-5PHirose Micro USB Connector
U$20TPS5405TPS5405DDA
U1ATMEGA32U4-XUAUATMEGA32U4-XUAU   TQFP44-PAD
X152559-149252559-149252559-1492FFC/FPC-to-Board 0.50mm (.020") SMT, Vertical, ZIF Receptacle
Y116MHz KX-7CRYSTAL-3.2-2.5CRYSTAL-3.2-2.5
Z1CG0603MLC-05EVARISTORCN0603CT/CN0603VARISTOR
Z2CG0603MLC-05EVARISTORCN0603CT/CN0603VARISTOR

附件：

Arduino_Uno_Rev3-schematic.pdf

arduino-leonardo-schematic_3b.pdf

tps5405.pdf

Step 13： 赞助与支持

alipay.jpg
本人17岁大一学生一枚，平时项目经费有限，希望大家能够支持，非常感谢！

支付宝：zhusf2008@sina.com
 
动力老男孩2017-03-14 23:32:02
好专业！持续围观中

作者

Zhongmin_Zhu

其它，北美洲

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