2021年信息学部物联网工程学院学生科协第二次硬件大培训

1.Multisim部分

准备阶段

multisim简介

Multisiｍ是由美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

Multisim可以辅助使用者完成从理论设计到电路仿真的一系列操作，其在电路设计以及实践教学中有着广泛的使用。

Multism 界面介绍

如图所示，这是Multisim的界面介绍，根据其功能可分为项目管理区、元件库栏、通用菜单栏、工具栏、以及仪器栏等多个功能模块区。

而我们在电路设计中，常常会使用到以下几个仪器：

示波器：

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。

信号发生器

信号发生器用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。

示波器常常被我们用来观察电压波形、特别是直流电压波形的变化，而信号发生器常常被用做特定交流信号发生电路的替代品，方便我们更快捷地设计与分析电路。

三极管简介

三极管是半导体基本元器件之一，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区。其又可被分为NPN型和PNP型，分为c（集电极）、b（基极）、e（发射极）,其主要功能为实现电流的放大，β= △Ic/△Ib。

三极管是电路设计中必不可少的元件之一。
另外，三极管并不会凭空提供能量，靠的是额外的电源供电、提供能量。

以NPN型为例：
Vc>Vb>0，Ve=0（GND）（ps：此处指的是电势）

根据原理图，Vbe>0可以看到在电场力的驱动下，电子由E极移动向B极，并且由于Vb 且Ic=βIb，Ic远大于Ib
Vbe=Vc-IcRc= Vc-βIbRc

H桥简介

这里是H桥的简单设计原理与思路，在实际使用者常常使用下图的MOS管代替三极管。
其对电机的驱动方面有着广泛的运用。
现在市面上通用的电机驱动芯片如L298N等，多是内置了H桥。

运算放大器

运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。由于早期应用于模拟计算机中用以实现数学运算，因而得名“运算放大器”

下图是常见的理论放大电路

实战阶段

Multisim仿真电路图的绘制可以被分为如下四个阶段：

下面以绘制LED发光电路为例介绍Multisim的电路图绘制：

这是LED发光电路的完成图

绘制电路仿真图

之后可以通过在元件库中手动找到所需元件，也可通过Multisim自带的元件查找功能。

手动添加元件操作步骤如下：

按照图示步骤首先放置VCC、GND、LED、和电阻

注意：一定要添加GND（地极）！！！

之后将各个元件按电路规则连接起来，并点击仿真按钮观察效果：

可以看到LED灯被点亮

选定元件之后，双击左键可以参看和更改元件属性：
将电阻改为3k：

可以看到灯未被点亮

仿真效果对比图如下：

经过简单的Multisim电路设计介绍之后就可以去绘制更为复杂且使用的仿真电路了：

图示的是一个十分简单的八路灯模块，其相对原始的LED灯点亮模块在难度上并没有太大提升，但可以方便熟悉Multisim电路绘制。

之后就可以去尝试绘制更为复杂的电路仿真图了：

这是三极管直流放大电路的简单原理图，常常用在单片机电路设计中用于使用单片机I/O口驱动大电流元件

这是一个比较常见的三极管使用实例，通过三极管可以使得单片机通过I/O
口驱动蜂鸣器

下图是H桥的原理仿真电路

这是H桥的原理电路图
当S1打到GND极，S2打到VCC极时，Q4与Q1导通，LED2灯亮，LED1灯灭
当S2打到GND极，S1打到VCC极时，Q3与Q2导通，LED1灯亮，LED2灯灭

这是实用性的H桥电路图
可以看到搭建一个实用性H桥电路仍旧是比较复杂的

下图是运算放大器的原理仿真电路

不需要重新发明轮子

L298N模块：

基于L298N芯片，内置了H桥，可用于驱动电机

这是比较常见，也比较常用的L298N电机驱动模块，如果对使用环境没有太高需求的话，可以使用它来代替H桥电路。

ULN2003D驱动蜂鸣器：

可以通过已经集成了放大电路的芯片来控制蜂鸣器

基于单片机的仿真：

点击仿真之后，会有一个LED灯闪烁的效果。

2.AD使用复习

AD基本操作复习

原理图画图要点

• 模块化布局

• 注意使用网络标号

• 使用快捷键提升画图效率

• 注意设置元件封装

• 使用分割线和文字说明

PCB画图要点

• PCB也要模块化布局

• 利用垂直或水平分割，同时看原理图和PCB
  

• 设置元件交互提高效率
  

• 使用快捷键提升画图效率
  T+A+A 批量重命名
  P+G 快速铺铜
  Shift+空格 更改线的种类
  P+G 快速铺铜
  P+R 快速铺铜
  2：2D视图
  3：3D视图
  A：对齐方式的选择
  T+G+M：铺铜管理器
  左键长按选中+Space：器件旋转
  左键长按选中+x：左右翻转
  左键长按选中+y：上下翻转
  放大、缩小：Ctrl+滚动鼠标滚轮
  上下平移、左右平移：滚动鼠标滚轮、Shift+滚动鼠标滚轮

• 注意元件的位置，布局合理

• 注意线宽和布线

• 避免出现锐角和直角

• 注意设置元件封装

• 合理添加滴泪的和铺铜

常见问题汇总

1. 裁板时线没有对齐，导致板子无法正常裁出
   

2. 添加新的PCB和原理图元件库到工程中之后要注意点击编译

封装库

什么是封装库？

封装，就是指把硅片上的电路管脚，用导线接引到外部接头处，以便与其它器件连接。封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。还通过芯片上的接点连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又可以与外部电路相连。

结构方面：TO－>DIP－>PLCC－>QFP－>BGA －>CSP；
材料方面：金属、陶瓷－>陶瓷、塑料－>塑料；
引脚形状：长引线直插－>短引线或无引线贴装－>球状凸点；
装配方式：通孔插装－>表面组装－>直接安装

更多封装知识：电子元件封装知识大全

原理图库PCB库有什么关系？

原理图更偏向于理论上的电气连接，原理图库是实际元件的一种抽象表示，将其抽象为只有引脚的电路模型，我们只关注其电气特性，电路连接，它在电路中所起的功能，方便我们进行电路设计，类比于物理上的质点，具有物理属性，但大小可忽略。
就像我们在物理上会把电源抽象成电源符号一样。

PCB库中的元件更多的是与实际元件的封装有关，在电脑上模拟元件的大小、型号、样式，最终目的是为了安装元件，PCB库则是将原理图库中的元件与现实元件相对应，实质上对应的是一种元件的安装模型。对应的是实际元件布局。
原理图库到PCB库是一种理论向现实过渡的过程。

PCB图和原理图和现实中的电路板又有什么关系？

可以这么说，原理图对应的是现实电路板的理论电路图，理论上来说，这种电路可以正常工作。
PCB图对应的是实际电路板元件排布与走线，是一种布局图，反映了元件的实际连接关系。
它们的最终目的都是为了制作电路板，实现某种功能。

3.制作电路板

方法一：手工制板

1. 第一步，打印电路

（1）将Scaling（缩放比例）窗口中的Scale Mode（缩放方式）更改为Scaled Print（按比例缩小的打印）

（2）将缩放比例改为1.0（这样才是我们所制作的电路板实际的大小哦~）；然后我们将Color Set窗口选择为Mono，这样我们的电路板就会以实际大小的黑白图像显示在预览窗口了。

（3）调整组态：
右键并选择Configuration（配置），进入Configuration之后，我们可以看到所绘制的PCB各个不同层的情况，例如包括元器件、是否含有过孔、镜像对称等等；
我们在这里需要删除我们不需要的层并加上过孔。（强烈推荐大家将每个不同的按键都一个个按下去试试，理解会更深哦~）

我们选中Holes的小勾，然后选中我们不需要的层，单层板只保留Top Layer （以及Keep out Layer），然后右键选择Delete（删除）

完成界面，点击OK，这时候剩下来的图形就是我们实际需要转印到板子上的电路了~

2. 第二步，打印+转印
   将设置好的页面用油印纸打印下来，再用热转印机将打印的电路转印到铜板上
   

3. 第三步，腐蚀铜板
   1）.在塑料盒内放入铜板，倒入适量蚀刻粉
   2）.加入开水至淹没铜板
   3）.不断晃动盒子，加快腐蚀
   4）.降温之后，重新换水
   5）.重复上述操作，直至油墨以外的铜完全腐蚀消失
   
   用水量：水刚好覆盖板子就行，在保证板子被浸满的前提下越少越好，保证溶液浓度；（转印之前对铜板的打磨程度在这个步骤的影响尤为巨大，如果铜板表面氧化层较厚，很可能有些部分需要很长很长时间的反应。）

   加粉量：除了最开始加的，还可以在泡的过程中持续加，不用舍不得；
   注意：在腐蚀铜板的过程中，铜板表面会因为反应覆盖上一层气泡阻碍反应的继续进行，要不停的摇动去除气泡；水温要高以加快反应（常温下几乎不反应），冷了就倒了，然后立马重新加水加粉，直到全部没有覆盖在油墨下的铜板完全消失时即可清洗并取出板子。

4. 第四步，打磨和钻孔
   1).用砂纸磨净油墨
   2).忍住噪音
   3).对焊盘开始认真钻孔（0.8-1.0mm打孔针）
   
   
5. 第五步，焊接
6. 第六步，成板检验
   排除表面错误，焊接的润色，每个焊点都得沉凝，圆滑；不能有虚焊。懂得用万用表，尤其是检验是否导通的档位，检测导通之后会有蜂鸣器提示音;检测完板子的连接之后（特别是电源部分）可以上电进行硬件调试。

方法二：工厂制作

1. 第一步，下载安装嘉立创下单助手

2. 第二步，进入下单系统

3. 上传PCB文件
   

4. 选择需求
   
   
   
   

5. 焊接

6. 成板检验

4.单片机简介

单片机是什么？

单片机（Single-Chip Microcomputer）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。

单片机的应用

单片机的结构

CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；
相当于人类的大脑
RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；
数据储存器
ROM ： 用以存放程序、一些原始数据和表格；
程序储存器
I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；
内外交流的通道
一个全双工 UART（通用异步接收发送器）的串行 I/O 口，用于实现单片机之 间或单片机与微机之间的串行通信；
片内振荡器和时钟产生电路

单片机周期介绍

单片机引脚

引脚排列方式及分类

电源引脚：

时钟引脚：

控制信号引脚RST,EA,ALE,PSEN：

I/O：

电平特性

数字电路中只有两种电平：高和低
我们通过控制电平高低来实现对I/O口的控制
单片机电平定义为TTL电平：高+5V,低0V
计算机串口：高+12V,低-12V
所以单片机与计算机通讯时需要加电平转换芯片，或者转换器。

上拉电阻和下拉电阻

寄存器

那我们又该如何通过我们熟悉的语言去进行单片机编程呢？
单片机编程和直接的计算机编程的一个突出区别就是对底层的操作，计算机编程时不需要关心计算机的寄存器如何配置，而单片机则需要通过配置寄存器来实现某些功能。在将寄存器的地址也以C语言的命名规则进行命名之后，我们就可以使用C语言来对单片机进行编程。
像内存一样，寄存器中存储着许多数字，只不过是这些数字都被保存在特定的寄存器（地址）中。我们通过修改寄存器中的数字，从而实现对硬件的控制。

其他常用的单片机