硬件电路设计
- 硬件电路是电路系统的重要组成部分，硬件电路设计是否合理直接影响电路系统的性能。硬件电路设计的一般分为设计需求分析、原理图设计、PCB设计、工艺文件处理等几个阶段，设计过程中的每一个细节都可能成为导致设计成功与失败的关键。
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原理图设计是硬件电路设计的核心，合适的器件选型、必要的计算分析以进行参数搭配、仿真工具的运用与验证等是其常用工作流程，最终通过绘制原理图将这些技术用图形化语言表达出来。
元器件的选型是原理图设计过程中的一个重要环节。元器件是否合理、优质选用，将直接影响整个硬件电路的性能和可靠性，也关系到产品后期的使用与维护。在选用元器件时，应根据电路功能要求确定元器件的关键参数，图表中给出了常用元器件选型时需要关注的参数，此外还应考虑元器件工作的可靠性、成本、供货周期等因素。
在确定好元器件型号后，就可使用EDA工具软件绘制电路原理图。在绘制过程中应该注意以下问题：
（1）对于初次使用的元器件，一定要查看元器件手册，弄清楚其关键参数、封装、推荐电路等。
（2）尽量使用或借鉴成熟电路，对于不成熟电路要多测试。
（3）按照信号流向绘制原理图。对于复杂电路，可根据功能模块分多张sheet绘制，并给出必要的文字说明。
（4）网络名称的命名尽量遵循信号的含义，以增加原理图的可读性。
（5）综合考虑PCB性能和加工的效率选择电路加工流程。因为少一个工艺流程，可以有效缩短硬件电路的加工时间。加工工艺的优选顺序为：元器件面单面贴装﹥元器件面贴、插混装﹥双面贴装﹥元器件面贴插混装、焊接面贴装。
（6）原理图绘制完成后要编译。这样可以检查出很多问题，如缺少网络标号、信号源属性错误等。
（7）在原理图编译通过后，需要生成网络表。这是原理图到PCB的一个必要环节，如果原理图存在错误，网络表是无法成功导入PCB中的。
PCB设计是以电路原理图为依据实现硬件电路的功能，此外还应满足可生产性、可测试性、安规、EMC、EMI等技术规范要求，以构建产品的工艺、技术、质量和成本优势。
封闭的物理边框是PCB设计的基本平台，对后续的自动布局和布线起着约束作用。绘制物理边框时一定要精确，以免出现安装问题。使用圆弧边框可以减少应力导致PCB板断裂的现象，也能避免尖脚划伤人员。
引入元器件和网络是将原理图中的元器件和网络等信息引入到物理边框内，为布局和布线做准备。在更新PCB之前，应确认原理图中与PCB关联的所有元器件的封装库均可用。
元器件的布局与布线对产品的寿命、稳定性、电磁兼容等都有很大的影响。布局常用的规则有：
（1）元器件的放置顺序。先放置与电路结构有关的需固定位置的元器件，如电源插座、指示灯、开关、连接件等，最好将其位置锁定，以免被误移动；再放置电路中的特殊元器件，如发热元件、大体积元件、IC等；最后放置小元件。
（2）元器件的安放位置。首先应考虑特殊元器件的安放位置，例如发热元件要尽量靠边放置以便散热，且不宜集中放置，并远离电解电容；去耦电容要尽量靠近IC的电源管脚，并力求与电源和地之间形成的回路最短。其次应考虑信号的隔离问题，例如高电压、大电流的强信号与低电压、小电流的弱信号应完全分开；模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频信号分开等。非特殊元器件的布局应使总的连线尽可能短，关键信号线最短。结构相同的电路可采用对称式设计以提高设计效率、减小出错率，并节省调试时电路的辨识时间。布局应留有足够的工艺边，以免干涉PCB板的正常传送。
（3）元器件的放置方向。在设计许可的条件下，同类元器件应按相同方向排列，相同封装的元器件等距离放置，以便元件贴装、焊接、测试和返修。
合理的布线可以有效减少外部环境对信号的干扰以及各种内部信号之间的相互干扰，提高设备运行的可靠性，同时也便于查找故障原因和维护工作，提高产品的可用性。布线常用的规则有：
（1）布线的位置。布线应尽量走在焊接面；模拟部分和数字部分的地和电源应分开布线；大电流、高电压信号与小信号之间应注意隔离；尽量少用过孔、跳线；布线也应留有足够的工艺边。
（2）布线的宽度与长度。除地线外，在同一块PCB板上导线的宽度应尽可能均匀一致，避免突然变粗或变细。电源线和地线的宽度要求可以根据1mm的线宽最大对应1A 的电流来计算，电源和地构成的环路应尽量小；在可能的条件下电路的连线应尽量短，这样有利于降低线路阻抗，也可减弱由于连线引起的各种干扰效应。
（3）布线的角度。布线时应避免锐角、直角，宜采用135°或圆角布线。
随着集成电路设计与制造技术的不断发展，电路系统的功能越来越强大，组成却越来越简单，软件设计的重要性逐渐提高，但硬件电路设计的重要性不容忽视。软件设计得再完美，若硬件电路设计不合理，系统的性能将大打折扣，严重时甚至不能正常工作。硬件电路的设计一般分为设计需求分析、原理图设计、PCB设计、工艺文件处理等几个阶段。
硬件电路的设计需求是基于项目或控制平台的系统需求，设计需求的合理分析是选用电路核心元器件及其典型电路的关键。硬件电路的通用设计需求有应用环境、面积/体积限制、电源、功耗等，此外功能不同电路需求也不同。以某控制平台典型电路为例，设计前必须关注的需求如表所示。
布线完成后，需要对个别元器件、布线和文字的位置和大小等进行调整完善，以便进行生产、调试和维修。然后进行覆铜，推荐采用接地覆铜方式。其次核对网络是否与原理图一致，最后还可使用软件仿真功能对电路进行调试。 2100433B
硬件电路设计规范
硬件电路设计规范
硬件电路设计规范 1、 详细理解设计需求，从需求中整理出电路功能模块和性能指标要求； 2、 根据功能和性能需求制定总体设计方案，对 CPU 进行选型， CPU 选型有以下几点要求： a） 性价比高； b） 容易开发：体现在硬件调试工具种类多，参考设计多，软件资源丰富，成功案例多； c） 可扩展性好； 3、 针对已经选定的 CPU 芯片，选择一个与我们需求比较接近的成功参考设计，一般 CPU 生产商 或他们的合作方都会对每款 CPU 芯片做若干开发板进行验证， 比如 440EP 就有 yosemite 开发板和 bamboo 开发板， 我们参考得是 yosemite 开发板， 厂家最后公开给用户的参考设计图虽说不是产品级的东西，也应 该是经过严格验证的，否则也会影响到他们的芯片推广应用，纵然参考设计的外围电路有可推敲的地方， CPU 本身的管脚连接使用方法也绝对是值得我们信赖的， 当然如果万
单相智能电表硬件电路设计
单相智能电表硬件电路设计
1 单相智能电表硬件设计 物理与电子信息学院 电气工程及其自动化 学号： 指导教师： 摘要：本文设计单相智能电表的硬件电路。主要由 CPU 模块、电能计量模块和电压电 流采样模块、显示模块、电源模块、时钟模块、存储模块、通讯模块组成。电压电流采 样模块采用分流器和精密电阻实现对市电的转换；电能计量模块采用 ADE7755 计量芯 片实现对电流、电压的测量与转换；时钟模块采用 DS12C887时钟芯片为系统提供时钟 基准，存储模块采用 AT24C04，显示模块用 1602液晶，通信模块采用 MAX485 芯片， 并利用 AT89C52组成的 CPU模块控制所有芯片的工作、测量、计算电能，送往显示模 块和存储模块进行实时显示。该电度表成本低、使用方便、安全可靠、具有广泛的应用 前景。 关键词：智能电表 ;计量芯片 ;时钟芯片 Hardware Design of Single-phase S
1， 先得了解MCU 的功能及每一个管脚的作用，确定用什么样的电源输入，有无大电流负载及一些安规方面的要求，体积封装大小有无规定.
2， 采用电池供电时是否要考虑做一些省电低功耗线路
3， 带检测功能的产品是否用到A/D功能，有无必要用到一些精密参考源，主要针对测量及充电电路，或是可否直接采用RC充放电线路来做模拟量检测, A/D通道转换需要一定的稳定时间，在软件设计时需要作考量。为了保证每次A/D转换的稳定与正确，最好在每次A/D转换前都重新确定A/D转换通道、A/D转换分辨率、A/D时钟源选择位，而且根据所应用场合对所取得数据进行合理的处理。A/D转换在硬件设计方面的注意事项：信号源要尽量与A/D转换输入端接近，而且要视芯片输入阻抗添加合适的电容并入信号源输入端。此外需保证A/D转换基准电压的稳定，模拟地与数字地要分开或隔离。
4， 操作时有多少个按键，能否采用跟其他I/O口复用，按键是否采用唤醒功能，即采用带有唤醒功能的I/O口，按键输入可否采用矩阵扫描,以便节省单片机的I/O
5， 输出指示能否跟输出控制I/O复用，这样可以节省I/O，但要考虑到输出电流的大小，不能影响负载的正常输出控制
6， 有无精确度要求较高的定时，用来确定采用什么样的振荡源( 晶振，陶振及RC)
7， 复位电路的选取,I/O不够时能否采用内部复位, 芯片的上电复位时间与系统电压上升速度，外部振荡器频率、种类及外部Reset 电路造成的delay都有关联。
8， 有无显示电路，是LED还是LCD，是否必要采用外挂驱动IC 或直接采用i/o推动，一般采用I/O推动的 LCD都采用1/2 偏压
9， 大电流负载输出采用mos管，继电器还是可控硅控制,当输出为可控硅时，是否采用共地或共电源控制，或是直接用耦合或用光电耦合，同时得考虑是否要用到到同步信号做一些调速、调光、调功、调温度待可调的功能（同时些交流同步信号也可以做一些定时产品的参考)
10， 输入尽可能放在同一I/O，输出放在同一I/O，同时应该考虑到PCB布线，输入输出保护电阻应尽可能靠近I/O口
11， I/O口内部有无上拉电阻,有些I/O只能做单一的输入且无上拉电阻
12， 对空闲口的设置，空闲口一般设定为输入上拉或输出低电平。对ADC I/O通道，应用P4CON的设定，可以避免I/O口的漏电流。对于不同的外部硬件电路，考虑I/O的状态设置，设定不当，会有漏电流，特别 注意上拉电阻的正确设定，若 I/O 在 outputlow level, 又将pull-up enable会造成漏电, 例如: VDD=5V 会有约 5V / 100K = 50uA 漏电.
输入部分电路的设计
按键部分硬件电路部分应用实例
普通独立按键：
图中S1、S2、S3为常用的三种按键，其中S3接在U1第4脚为低电平触发脚有效，因为U1第4脚内部没有上拉电阻，所以得在U1第4脚外面接一上拉电阻以确保在不按下按键时让U1第4脚维持在高电平状态，采用S2接法时，为高电平触发有效，因这颗IC内部没有下拉电阻，所以得在U1第4脚外面接一下拉电阻以确保在不按下按键时让U1第4脚维持在低电平状态，S1因Ic内部有上拉电阻，则不要外加器件。
纯按键矩阵描按键：
电路中扫描口都得为双向的I/O口，如此电路是用电池供电需要省电功能（让ic进睡眠模式），则将COM1、COM2或SEG口用到具有唤醒功能的I/O口即可。
LED矩阵描复用按键：
加二极管的按键复用1：
加二极管的按键复用2：
加二极管的按键复用3：
加电阻并联型复用:
加电阻的按键复用：
上图中按键同样可以复用在COM口上!
采用移位寄存器的按键复用：
采用A/D功能的按键:
触摸式按键:
在目前MCU应用领域里，很多场合都离不开开关信号，这些开关信号的实现都是通过按键操作实现。而传统的按键应用最广最普遍的就是机械式按键（或称为B键），这一类按键的共同点就是透过金属触点来得到开关信号，也正是这些共同点决定了机械式按键的应用场合和使用寿命。如在一些带有油烟或腐蚀性气体的应用场合；另外，在很多小家电应用领域，也都是在模具表面开孔，使用PVC胶来做按键触摸点，这些PVC胶随着使用时间的增加也很容易损坏。因此，目前市场上出现了一种新型的按键输入方式——触摸式按键（或称感应型按键）。
顾名思义，这种按键输入方式与传统机械式按键不同，它不需要金属触点，取而代之的是感应人体的触摸动作。目前市场上常见的触摸按键方案中，多为采用MCU+专用IC以及只用MCU实现两种，在MCU+专用IC方案中，具有代表性的触摸信号专用IC是英国昆腾（QUANTUM）公司的QT系列IC，如QT1080就是带有8路独立触摸按键输入的处理芯片。但是使用MCU+专用IC方案面临的一大挑战就是其抗干扰能力不强以及其成本较高的问题，也正是这一缺陷决定了在很多MCU应用场合这种方案显得有些无能为力了。下面就从应用的角度对采用独立MCU方案开发感应型按键的原理进行讨论。
一、 感应型按键的电气原理
这种感应型按键的实现原理是基于电容对高频脉冲信号的耦合特性，通常称该电容为耦合电容。当该耦合电容的容值发生改变时，经过该电容耦合得到的高频脉冲的高电平幅值将发生改变。如图所示：
如图所示，高频信号OSC经过电容C1耦合，再经过电容C2滤波，这样在K1点可以得到一直流信号；A点为按键电极连接点，电极的表面可以是一些如玻璃或塑料的绝缘物质。当人体透过电极表面的介质触摸按键时，此时人体、电极和这些介质就等效成一个电容，该等效电容与耦合电容C1并联，最终就相当与改变了耦合电容的容值，从而经由C1耦合得到的高频脉冲的高电平幅值就将发生变化，在K1点得到的直流信号也将随之发生改变。当人体接触按键时，K1点的电压将降低。由MCU的AD口读取K1点的电压变化，便可知道按键与否。K1点的电压变化范围一般在几十至一百毫伏范围变化，这与电极表面的介质和高频信号的频率有关。 在有些应用中，由于K1点的电压变化太小，通常还会在K1点接一级放大器，这样MCU AD口端的电平变化范围将相应变大。由于SONiX 8bit MCU，至少提供12bit 的AD，所以在采用SONiX 8bit MCU开发时并不需要增加一级放大电路。
针对上图所示的参数，下面将给出A点在人体触摸前后的波形变化（电极表面的介质为压克力板）。
人体触摸前A点的波形
人体触摸时A点的波形
对于高频脉冲的产生，通常都在几百KHz，根据具体的应用可以有不同的选择。常见的电路形式有采用NE555和CD4069：
通常SONiX的MCU都有提供至少一路PWM功能，根据应用的需求，也可以采用该PWM功能作为
高频脉冲发生器。对于应用中可能会出现按键数量超出MCU提供的AD通道数的情形，此时可以增加一模拟开关,如CD4051。
一、 感应型按键的软件实现
从上述电气原理的讨论中，可以看出，到达MCU AD口的直流信号并不是十分理想的直流信号，由于是经由104电容滤波直接得到，其纹波系数很大，因此，在软件的实现中，应充分考虑AD口信号的正常波动。其次，程序判断按键与否的根据是AD口信号变化的大小，当AD值负变化达到给定量时，认为有键按下；反之，AD值正变化达到给定量时，则认为是按键弹起。
由于程序判定按键的根据是AD值的变化量，所以在程序中，还应确定一个基准值，所有的变化量都应相对这个基准值，一般情况下，在上电时应将这个基准值确定，或通过实验计算出一个基准值保存在程序中，但后者随着使用时间的增加，可能会出现基准值变化而导致按键失灵，最好的做法是将两者都考虑进去。
在程序中应充分考虑对AD值做数字滤波处理，常见的数字滤波如滑动平均值滤波和中位值滤波，在此不讨论具体的滤波算法，可以参考相关的书籍。此外，程序中还应做好按键去抖动的动作，这是任何形式的按键处理程序都应考虑的。
通过以上对感应型按键的原理的讨论，重点在于如何使得整个系统稳定可靠，即抗干扰能力要强，这主要与程序编制有关。所以，关键的还是强调程序处理。本人按照上面讨论的原理，有做一跑马灯DEMO，可以轻松通过EFT日规2000V测试。
一种简易的接触式触摸电路：
直接采用人体感应电压去改变输入检测口的电平做按键检测，此电路稳定性比较差，但成本低，图中的触摸开关为一导体。
常见的单片机输入部分线路:
风扇外壳触摸保检测电路:
高灵敏度MIC声控线路:
R9可以调节灵敏度
单管mic放大电路：
压电陶瓷蜂鸣片声控电路:
带自动增益控制的随音乐变化转换电路:
本文转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_8b58097f0102x88h.html
第1章 电子系统设计概论 1
1.1 电子系统设计的基本工作流程 1
1.2 分析设计任务、查找参考方案、拟定初步设计方案 2
1.3 单元电路仿真及系统集成仿真 2
1.4 设计电路PCB 4
1.5 元器件选型 5
1.6 加工、制作电路PCB 6
1.7 电路的装配、焊接及调试 6
1.8 修改、升级原先的设计方案，整理并完成设计文档 6
第2章 电子元器件的分类、功能及选型 7
2.1 元器件的分类、参数及封装 7
2.1.1 元器件的参数标称值 7
2.1.2 元器件的型号及参数标注 9
2.2 电阻器 13
2.2.1 电阻器的常见类型 14
2.2.2 电阻器的主要参数 16
2.2.3 电阻器的串联与并联 17
2.2.4 电阻器的选型 19
2.2.5 排阻 20
2.2.6 保险管 21
2.2.7 熔断电阻 22
2.2.8 敏感电阻 23
2.3 电位器 26
2.3.1 电位器的内部结构及工作原理 27
2.3.2 电位器的基本工作电路 27
2.3.3 常用电位器的分类 28
2.3.4 电位器的主要参数 32
2.3.5 电位器的选型 34
2.4 电容器 35
2.4.1 电容器的功能概述 36
2.4.2 电容器的主要种类 36
2.4.3 电容器的主要参数 44
2.4.4 电容器的串联与并联 46
2.4.5 电容器的选型 47
2.5 电感器 49
2.5.1 电感器的结构 49
2.5.2 电感器的主要参数 52
2.5.3 电感器的串联与并联 55
2.5.4 常用电感器 56
2.5.5 电感器选型及注意事项 58
2.6 变压器 58
2.6.1 变压器的种类、特性及设计 59
2.6.2 变压器的主要参数 59
2.6.3 变压器的主要分类 60
2.7 晶振 62
2.7.1 无源晶振 62
2.7.2 有源晶振 63
2.7.3 常用的晶振频率 63
2.8 电声器件 63
2.8.1 麦克风 63
2.8.2 扬声器 65
2.8.3 蜂鸣器 66
2.9 半导体二极管 67
2.9.2 二极管的分类 68
2.9.3 二极管的参数及选型 71
2.9.4 二极管使用时的注意事项 71
2.10 发光二极管 72
2.10.1 LED的外形特征 72
2.10.2 LED应用电路 72
2.11 三极管(双极型晶体管) 73
2.11.1 三极管的常见类型 74
2.11.2 三极管型号的识别 75
2.11.3 三极管的选用原则及注意事项 75
2.12 场效应管 75
2.12.1 场效应管的分类 76
2.12.2 MOSFET的正确使用 76
2.13 集成芯片 76
2.13.1 常用集成芯片的基本分类及使用 77
2.13.2 集成芯片的型号命名规则 77
2.13.3 常用集成芯片的封装及引脚排列规律 78
2.13.4 集成芯片的正确使用 79
2.14 接插件 80
2.14.1 排针与排插 81
2.14.2 排针与杜邦线 81
2.14.3 接插件的防呆工艺 82
2.14.4 集成芯片插座 82
2.14.5 其他常用接插件 84
2.15 开关与继电器 84
2.15.1 翻转开关 85
2.15.2 自复位按钮 88
2.15.3 电磁继电器 89
2.15.4 开关的机械抖动与消抖 91
习题 93
第3章 模拟电路功能模块设计 94
3.1 模拟电路设计概述 94
3.1.1 模拟电路的基本结构 94
3.1.2 模拟电路的发展趋势 95
3.2 集成运放基础 96
3.2.1 集成运放电路的实用分析方法及步骤 96
3.2.2 集成运放的电源供电 96
3.2.3 集成运放的输出调零 97
3.2.4 集成运放的负载驱动能力 98
3.3 电压放大及转换电路设计 99
3.3.1 同相比例运算放大电路 99
3.3.2 同相交流放大电路 100
3.3.3 反相比例运算放大电路 101
3.3.4 反相交流放大电路 102
3.3.5 交流信号分配电路 102
3.3.6 反相加法电路 103
3.3.7 差动减法电路 103
本书可作为高等院校、高职学院、职业技能培训学校的电子、通信、物联网、自动化、电气、检测技术、光电信息、测控技术及仪器、计算机、机电一体化等专业的电子技术课程设计与电子工艺实训教材，可面向电子设计基础、电子技术综合训练、模电/数电技术课程设计、电子创新实验、电子系统设计、电子工程技能培训等课程。本书也可作为全国大学生电子设计竞赛的赛前训练、"卓越工程师"计划、大学生课外科技活动的参考资料;对广大的电子制作爱好者而言，本书也不失为一本全面的入门读本，具有较高参考价值。
单片机硬件电路设计实例分析