红外线警报器设计

1 2 红外线警报器设计红外线警报器设计 摘要 随着时代的不断进步 人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求 尤其 是在家居安全方面 不得不时刻留意那些不速之客 现在很多小区都安装了智能报警系统 因而大大提高了小区的安全程度 有效保证了居民的人身财产安全 关键字 单片机系统 电源电路 声光报警电路 一 正文一 正文 2 2 产品的整体设计及原理产品的整体设计及原理 2 12 1 设计原理设计原理 这一台红外线防盗报警器 具有以下特点 用当今最流行的 AT89C2051 单 片机控制 体积小 成本低 用红外线收发管进行检测 安装隐蔽 不易被发现 探测信号采用脉冲信号 节能且抗干扰 当有人试图闯入室内时 能自动进行声 光报警 现将该报警器原理如下 2 1 1 硬件电路 可将该电路分为以下三个部分 a 电源电路 220V 交流市电经变压器 T 降压 桥式整流器 D1 整流 电解电 容 C7 滤波 三端稳压器 78L05 稳压 最后得到整机要求的 5V 稳定直流电源 b 单片机系统 U1 为 AT89C2051 单片机 C1 R0 R1 和复位按钮 RESET 组 成手动电平复位和上电自动复位电路 C2 C3 以及晶振 JT1 组成时钟电路 C4 C5 为 5V 电源滤波电容 U2 为 CMOS6 反相器 CC4069 起驱动作用 VD1 VD6 为红外发射管 其负极端接与 P1 口 P1 口设置为输出状态 当 P1 口为 0 时 VD1 VD6 发红外光 VD7 VD12 为红外接收管 当接收到红外光时导通 5V 电源 通过 VD7 VD12 加到反相器 CC4069 的输入端 经反相为低电平 这时 P3 0 P3 5 为低电平 发射管和接收管分别安装在门和窗口的适当位置 当有人闯入时遮挡 了红外线 接收管截止 反相器输入端为低电平 这时 U1 的 P3 0 P3 5 为高电 平 当在一定时间内检测到位于不同位置的光束被遮挡时 则由 P3 7 口输出报 警信号 高低电平间隔 1S 的脉冲信号 驱动声光报警电路 进行声光报警 直 3 至按复位按钮 RESET 或电源开关 S1 由于红外收发管之间没有遮挡时为正常 有 遮挡时为异常 则当 P1 口输出 00H 时 P3 口的正常状态数据为 00H c 声光报警电路 555 定时器 U4 扬声器 BY 普通红色发光二极管 VD13 等 组成声光报警电路 其中 555 定时器接成了一个低频多谐振荡器 其控制电压输 入端 5 脚与单片机 AT89C2051 的 P3 7 脚相连 受 P3 7 脚输出的高低电平间隔 1S 的脉冲信号控制 当 P3 7 为高电平时控制电压 Uco 较高 阈值电压 UT Uco 和 UT 1 2Uco 也较高 当 P3 7 为低电平时 UT 和 UT 也较低 当 UT 较高时 电容 C9 充 放电的电压幅度较大 因而振荡频率较低 反之 当 UT 较低时 电 容 C9 充 放电过程中电压变化幅度较小 充 放电过程完成得较快 故振荡频 率较高 即当 P3 7 1 时 555 输出脉冲的振荡频率较低 当 P3 7 0 时 555 输 出脉冲的振荡频率高 该输出脉冲经过隔直电容 C8 加到扬声器上 扬声器将交 替发出高 低不同的两种叫声 同时 P3 7 脚输出的高低电平间隔 1S 的脉冲信 号经电阻 R8 加到红色发光二极管 VD13 上 VD13 将闪烁发光 达到声光同时报警 的效果 硬件电路原理图见附录 元件参数见表 2 1 表 2 1 元件列表 元件名元件类型元件参数 Y1 晶振 6 0M VD1 VD6 红外线发射管 VD7 VD12 红外线接收管 U274LS04 U2274LS04 U0274LS04 U 274LS04 UU74LS04 UU2274LS04 U1AT89C2051 U378L05 U4555 T 变压器 S1 电键开关 R0 电阻 270 4 R1 电阻 1K R2 R7 电阻 10K R8 电阻 470 R9 电阻 10K R10 电阻 110K LS1 扬声器 F1 保险丝 0 5A D1 桥式整流器 C1 电容 20u C2 电容 30p C3 电容 30p C4 电容 470u C5 电容 0 1u C6 电容 0 33u C7 电容 2000u C8 电容 30u C9 电容 0 01u 2 1 2 软件设计 我们的目标是 当检测到有人闯入时就由 P3 7 口输出高低电平间隔 1S 的脉 冲信号去驱动声光报警电路 产生声光报警 这可通过使 P3 7 口每隔 1S 取反一 次实现 而 1S 时间可通过让定时器 T0 工作于定时方式 1 重复定时 100ms 十 次实现 用工作寄存器 R1 作循环计数器 初值为 10 0AH 采用中断方式编程 整个软件由主程序和中断服务程序两部分构成 a 主程序主要功能是对系统进行初始化和对系统进行监视 看是否有人闯入 其程序流 程图如图 2 1 所示 开始 系统初始化 启动定时 等待时间到 转报警程序 有人闯入 时间到吗 NO NO YSE 5 图 2 1 程序流程图 程序清单如下 ORG 0000H AJMP MAIN 转向主程序 ORG 000BH 定时器 T0 中断入口 LJMP BJ 转向中断服务程序 ORG 0030H MAIN MOV SP 50H 设置堆栈栈底 MOV R1 0AH 设置循环计数器初值 MOV P3 00H 设置 P3 口为正常状态 MOV P1 00H 使 VD1 VD6 发红外光 MOV TMOD 01H 设 T0 为定时方式 1 MOV TH0 3CH 设置定时 100ms 初值 MOV TL0 0B0H SETB EA CPU 开中断 SETB ET0 定时器 0 允许中断 JS MOV A P3 监视是否有人闯入 CJNE A 00H LP AJMP JS LP SETB TR0 启动 T0 定时 100ms SJMP 等待定时 100ms 完成 b 中断服务程序 主要功能是判断定时 1S 是否完成 从而决定是否对 P3 7 口取反 其 程序流程图如图 2 2 所示 YSE P3 7 取反 NO 保护现场 重设定时初值 恢复现场 中断返回 1S 到吗 YSE 6 图 2 2 中断服务程序流程图 程序清单如下 ORG 0060H BJ PUSH Acc 现场保护 PUSH PSW MOV TH0 3CH 重设定时初值 MOV TL0 0B0H DJNZ R1 FH 1S 未到返回 MOV R1 0AH 重设计数器初值 CPL P3 7 P3 7 口取反 FH POP PSW 恢复现场 POP Acc RETI 中断返回 END 2 22 2 电路主要原件介绍电路主要原件介绍 2 2 1 CC4069 六反相器 a 简要说明 CC4069 是由六个COS MOS 反相器电路组成 此器件主要用作通用反相器 即用于不需要中功率TTL 驱动和逻辑电平转换的电路中 7 CC4069 提供了14 引线多层陶瓷双列直插 D 熔封陶瓷双列直插 J 塑料双列直插 P 和陶瓷片状载体 C 4 种封装形式 推荐工作条件 电源电压范围 3V 15V 输入电压范围 0V VDD 工作温度范围 M类 55 125 E 类 40 85 极限值 电源电压 0 5V 18V 输入电压 0 5V VDD 0 5V 输入电流 10mA 储存温度 65 150 b 认识 CMOS 六反相器 CC4069 CC4069 是一种 CMOS 集成电路 内部含有六个反相器 它们的输入分别用 1A 6A 表示 输出分别用 1Y 6Y 表示 逻辑表达式 外引线排列如图 4 所AY 示 引出端符号 1A 6A 数据输入端 VDD 正电源 Vss 地 1Y 6Y 数据输入 端 VDD VSS 1 2 3 5 6 7 4 8 9 10 11 12 13 14 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y 5Y 4A 4Y 6A 6Y 5A 1 1 1 1 1 1 CC4069 图 2 3 CC4069 外引线排列图 在该设计中由于在prtel元件库中没有该器件及其封装所以采用了六个比较 常见的74LS04反相器代替它 实现了相同的效果 但占用的体积较大 不利于集 成 2 2 2 AT89C2051 单片机 a 程序保密 8 89C2051 设计有 2 个程序保密位 保密位 1 被编程之后 程序存储器不能再 被编程除非做一次擦除 保密位 2 被编程之后 程序不能被读出 b 软硬件的开发 89C2051 可以采用下面 2 种方法开发应用系统 1 由于 89C2051 内部程序存贮器为 Flash 所以修改它内部的程序十分方便 快捷 只要配备一个可以编程 89C2051 的编程器即可 调试人员可以采用程序编 辑 编译 固化 插到电路板中试验这样反复循环的方法 对于熟练的 MCS 51 程序 员来说 这种调试方法并不十分困难 当做这种调试不能够了解片内 RAM 的内容 和程序的走向等有关信息 2 将普通 8031 80C31 仿真器的仿真插头中 P1 0 P1 7 和 P3 0 P3 6 引出 来仿真 205T 这种方法可以运用单步 断点的调试方法 但是仿真不够真实 比 如 2051 的内部模拟比较器功能 P1 口 P3 口的增强下拉能力等等 c 性能价格比 1 与 80C31 系统相比较 如果需要构成一个 80C31 的最小系统的话 除了 CPU 之外 至少需要一片 27C64 而系统的有效引脚和 89C2051 基本相同 从元器件的成本 电路板的面积 和加密性来看 使用 89C2051 都是合算的 2 与 PIC 单片机比较 目前 国内小型的单片机全胜较多的有 PIC 系列 89C2051 与 PIC 相对应芯 片比较有如下特点 89C2051 的价格高于 PIC 的 OTP 型号 但大大低于 PIC 的 EPROM 型 89C2051 片内不含 Watch Dog 这是 89C2051 的不足之处 中断系统堆栈结构 串等通讯 笔定时器系统都大大强于 PIC 系统 由于 PIC 芯片中无标准串等口 所以在单片机的联网应用上面 PIC 不太适 合 与 PIC 相比 2051 更适合于较复杂的应用场合 适合一些软件需要多次修改 的应用 d 应用 就目前中国市场的情况来看 89C2051 有很大的市场 其原因有下列几点 1 2051 采用的是 MCS51 的核心 十分容易为广大用户所接受 2 2051 内 部基本保持了 80C31 的硬件 I O 功能 3 2051 的 Flash 存贮器技术 可重复擦 9 写 1000 次以上 容易解闷调试手段 4 更适合小批量系统的应用 容易实现软 件的升级 89C2051 适合于家用电器控制 分布式测控网络 I O 量不足不是很 大的应用系统 3 3 硬件电路的硬件电路的 PCBPCB 设计流程设计流程 用 PROTEL99 设计电路板的基本流程如下 a 电路板设计的先期工作 1 利用原理图设计工具绘制原理图 并且生成对应的网络表 2 手工更改网络表将一些元件的固定用脚等原理图上没有的焊盘定义到与 它相通的网络上 没任何物理连接的可定义到地或保护地等 将一些原理图和 PCB 封装库中引脚名称不一致的器件引脚名称改成和 PCB 封装库中的一致 b 画出自己定义的非标准器件的封装库 将自己所画的器件都放入一个自己 建立的 PCB 库专用设计文件 c 设置 PCB 设计环境和绘制印刷电路的板框含中间的镂空等 1 进入 PCB 系统后的第一步就是设置 PCB 设计环境 包括设置格点大小和 类型 光标类型 板层参数 布线参数等等 2 规划电路板 主要是确定电路板的边框 包括电路板的尺寸大小等等 d 打开所有要用到的 PCB 库文件后 调入网络表文件和修改零件封装 这一步是非常重要的一个环节 网络表是 PCB 自动布线的灵魂 也是原理图 设计与印象电路板设计的接口 只有将网络表装入后 才能进行电路板的布线 在原理图设计的过程中 ERC 检查不会涉及到零件的封装问题 因此 原理图设 计时 零件的封装可能被遗忘 在引进网络表时可以根据设计情况来修改或补充 零件的封装 e 布置零件封装的位置 也称零件布局 Protel99 可以进行自动布局 运行 Tools 下面的 Auto Place 布线的关键 是布局 多数设计者采用手动布局的形式 用鼠标选中一个元件 按住鼠标左键 不放 拖住这个元件到达目的地 放开左键 将该元件固定 注意 零件布局 应当从机械结构散热 电磁干扰 将来布线的方便性等方面综合考虑 先布置与 10 机械尺寸有关的器件 并锁定这些器件 然后是大的占位置的器件和电路的核心 元件 再是外围的小元件 f 根据情况再作适当调整然后将全部器件锁定 板上有重的器件或较大的接插件等受力器件边上也应加固定螺丝孔 有需要 的话可在适当位置放上一些测试用焊盘 最好在原理图中就加上 g 布线规则设置 布线规则是设置布线的各个规范 象使用层面 各组线宽 过孔间距 布线 的拓朴结构等部分规则 可通过 Design Rules 的 Menu 处从其它板导出后 再 导入这块板 这个步骤不必每次都要设置 按个人的习惯 设定一次就可以 选 Design Rules 一般需要重新设置以下几点 1 安全间距 Routing 标签的 Clearance Constraint 它规定了板上不同 网络的走线焊盘过孔等之间必须保持的距离 2 走线层面和方向 Routing 标签的 Routing Layers 3 走线线宽 Routing 标签的 Width Constraint 它规定了手工和自动 布线时走线的宽度 整个板范围的首选项一般取 0 2 0 6mm 另添加一些网络或 网络组 Net Class 的线宽设置 如地线 5 伏电源线 交流电源输入线 功 率输出线和电源组等 4 敷铜连接形状的设置 Manufacturing 标签的 Polygon Connect Style 用 Relief Connect 方式导线宽度 Conductor Width 取 0 3 0 5mm 4 根导线 45 或 90 度 其余各项一般可用它原先的缺省值 h 自动布线和手工调整 1 点击菜单命令 Auto Route Setup 对自动布线功能进行设置 选中除了 Add Testpoints 以外的所有项 2 点击菜单命令 Auto Route All 开始自动布线 3 对布线进行手工初步调整 i 切换到单层显示模式下 点击菜单命令 Tools Preferences 选中对话框 中 Display 栏的 Single Layer Mode 将每个布线层的线拉整齐和美观 手工调 整时应经常做 DRC 因为有时候有些线会断开而你可能会从它断开处中间走上好 11 几根线 快完成时可将每个布线层单独打印出来 以方便改线时参考 其间也要 经常用 3D 显示和密度图功能查看 最后取消单层显示模式 存盘 j 如果器件需要重新标注可点击菜单命令 Tools Re Annotate 并选择好方 向后 按 OK 钮 并回原理图中选 Tools Back Annotate 并选择好新生成的那个 WAS 文件后 按 OK 钮 原理图中有些标号应重新拖放以求美观 全部调完并 DRC 通过后 拖 放所有丝印层的字符到合适位置 k 对所有过孔和焊盘补泪滴 补泪滴可增加它们的牢度 但会使板上的线变得较难看 l 放置覆铜区 将设计规则里的安全间距暂时改为 0 5 1mm 并清除错误标记 选 Place Polygon Plane 在各布线层放置地线网络的覆铜 尽量用八角形 而不是用圆弧 来包裹焊盘 m 最后再做一次 DRC 选择其中 Clearance Constraints Max Min Width Constraints Short Circuit Constraints 和 Un Routed Nets Constraints 这几项 按 Run DRC 钮 有错则改正全部正确后存盘 n Email 或拷盘给加工厂家 注明板材料和厚度 数量 加工时需特别注 意之处等 o 产生 BOM 文件并导出后编辑成符合公司内部规定的格式 p 将边框螺丝孔接插件等与机箱机械加工有关的部分 即先把其它不相关 的部分选中后删除 导出为公制尺寸的 AutoCAD R14 的 DWG 格式文件给机械设 计人员 q 整理和打印各种文档 如元器件清单 器件装配图 并应注上打印比例 安装和接线说明等 生成的 PCB 图如图 3 1 所示 12 图 3 1 PCB 图 4 4 报警器电路报警器电路 PCBPCB 设计要点设计要点 4 14 1 电磁兼容设计电磁兼容设计 目前电子器材用于各类电子设备和系统仍然以印制电路板为主要装配方式 实践证明 即使电路原理图设计正确 印制电路板设计不当 也会对电子设备的 可靠性产生不利影响 例如 如果印制板两条细平行线靠得很近 则会形成信号 波形的延迟 在传输线的终端形成反射噪声 因此 在设计印制电路板的时候 应注意采用正确的方法 电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调 有效地进行工作的 能力 电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰 使电子设 备在特定的电磁环境中能够正常工作 同时又能减少电子设备本身对其它电子设 备的电磁干扰 4 1 1 PCB 布局 印制电路板大小要适中 过大时印制线条长 阻抗增加 不仅抗噪声能力下 13 降 成本也高 过小 则散热不好 同时易受临近线条干扰 在器件布置方面与其它逻辑电路一样 应把相互有关的器件尽量放得靠近些 这样可以获得较好的抗噪声效果 如原理图所示晶振和 555 定时器输入端都易产 生噪声 要相互靠近些 易产生噪声的器件 小电流电路 大电流电路等应尽量 远离逻辑电路 如有可能 应另做电路板 这一点十分重要设计要求归结如下 a 对低电平模拟电路和数字逻辑电路要尽可能地分离 有助于降低线路板 内部的串扰 公共阻抗耦合和辐射发射 b 在线路板上有模拟电路的情况 把数字电路和模拟电路分开 有条件时 将数字电路和模拟电路安排在不同层内 如果一定要安排在同层 可采用开沟 加接地线条 分隔等方法补救 模拟的和数字的地 电源都要分开 不能混用 数字信号有很宽的频谱 是产生干扰的主要来源 c 数字电路的电磁兼容设计中要考虑的是数字脉冲的上升沿和下降沿所决 定的频带宽而不是数字脉冲的重复频率 方形数字信号的印制板设计带宽定为 1 tr 通常要考虑这个带宽的十倍频 d 时钟电路和高频电路是主要的干扰和辐射源 一定要单独安排 远离敏 感电路 e 要建立分布参数的概念 高于一定频率时 任何金属导线都要看成是由 电阻 电感构成的器件 所以 接地引线具有一定的阻抗并且构成电气回路 不 管是单点接地还是多点接地 都必须构成低阻抗回路进入真正的地或机架 25mm 长的典型的印制线大约会表现 15nH 到 20nH 的电感 加上分布电容的存在 就会 在接地板和设备机架之间构成谐振电路 f 接地电流流经接地线时 会产主传输线效应和天线效应 当线条长度为 1 4 波长时 可以表现出很高的阻抗 接地线实际上是开路的 接地线反而成为 向外辐射的天线 g 接地板上充满高频电流和干扰场形成的涡流 因此 在接地点之间构成 许多回路 这些回路的直径 或接地点间距 应小于最高频率波长的 1 20 专用 零伏线和 VCC 的走线宽度应 1mm 要为模拟电路专门提供一根零伏线 h 单面或双面板的电源线和地线应尽可能靠近 最好的方法是电源线布在 印制板的一面 而地线布在印制板的另一面 上下重合 这会使电源的阻抗为最 14 低 另外 整块印制板上的电源和地线要呈 井 字分布 以便使布线的电流达 到均衡 i 印制线路设计中还要特别注意电流流过电路中的导线环路尺寸 因为这 些回路就相当于正在工作中的小天线 随时随地向空间进行辐射 特别是要注意 时钟部分的走线 因为这部分是整个电路中工作频率最高的 信号走线要尽量短 因为它们是典型的发射天线 晶振要尽量靠近 IC 且布线要较粗 晶振外壳接地 PCB 板上的线宽不要突变 导线不要突然拐角 j 为了减少平行走线时的串扰 必要时可增加印刷线条间的距离 或在走 线之间有意识地安插一根零伏线 作为线条之间的隔离 如有可能 在 PCB 板的 接口处加 RC 低通滤波器或 EMI 抑制元件 如磁珠 信号滤波器等 以消除连 接线的干扰 但是要注意不要影响有用信号的传输 PCB 板的信号接口要尽可能 多地分配一些零伏线的连接脚 并均匀地将信号线分开 k 设计印制板时经常要在电路上加电容器来满足数字电路工作时要求的电 源平稳和洁净度 电路中的电容可分为退耦电容 旁路电容和容纳电容三类 退 耦电容用来滤除高频器件在电源板上引起的辐射电流 为器件提供一个局域化的 直流 还能减低印制电路中的电流冲击的峰值 旁路电容能消除高频辐射噪声 噪声能限制电路的带宽 产主共模干扰 平滑或容纳电容是用来解决开关器件工 作时电源电压会产生突降的问题 l 设计中最重要的是确定电容量和接入电容的地点 电容器的自谐振频率 是决定电容设计的关键参数 电容器有引出线 就会给电容器附加了固有的电感 和电阻 考虑这些因素 实际的电容可看成由电阻 电感 电容组成的串联谐振 电路 因此 实际电容器都有自谐振频率 在自谐振频率以下 电容器呈电容性 高于自谐振频率时 电容器呈电感性 阻抗随频率增高而增大 使旁路作用大大 下降 4 1 2 PCB 布线 在 PCB 设计中 布线是完成产品设计的重要步骤 可以说前面的准备工作都 是为它而做的 在整个 PCB 中 以布线的设计过程限定最高 技巧最细 工作量 最大 PCB 布线有单面布线 双面布线及多层布线 布线的方式也有两种 自动 布线及交互式布线 在自动布线之前 可以用交互式预先对要求比较严格的线 15 进行布线 输入端与输出端的边线应避免相邻平行 以免产生反射干扰 必要 时应加地线隔离 两相邻层的布线要互相垂直 平行容易产生寄生耦合 自动布线的布通率 依赖于良好的布局 布线规则可以预先设定 包括走线 的弯曲次数 导通孔的数目 步进的数目等 一般先进行探索式布经线 快速地 把短线连通 然后进行迷宫式布线 先把要布的连线进行全局的布线路径优化 它可以根据需要断开已布的线 并试着重新再布线 以改进总体效果 a 电源 地线的处理 既使在整个 PCB 板中的布线完成得都很好 但由于电源 地线的考虑不周 到而引起的干扰 会使产品的性能下降 有时甚至影响到产品的成功率 所以对 电 地线的布线要认真对待 把电 地线所产生的噪音干扰降到最低限度 以 保证产品的质量 1 众所周知的是在电源 地线之间加上去耦电容 退藕电容的一般配置 原则是 首先 电源输入端跨接 10 100uf 的电解电容器 如有可能 接 100uF 以 上的更好 第二 原则上每个集成电路芯片都应布置一个 0 01pF 的瓷片电容 如遇印 制板空隙不够 可每 4 8 个芯片布置一个 1 10pF 的钽电容 第三 对于抗噪能力弱 关断时电源变化大的器件 如 RAM ROM 存储器件 应在芯片的电源线和地线之间直接接入退藕电容 第四 电容引线不能太长 尤其是高频旁路电容不能有引线 此外 还应 注意以下两点 在印制板中有接触器 继电器 按钮等元件时 操作它们时均会 产生较大火花放电 必须采用 RC 电路来吸收放电电流 一般 R 取 1 2K C 取 2 2 47uF CMOS 的输入阻抗很高 且易受感应 因此在使用时对不用端要接地 或接正电源 2 尽量加宽电源 地线宽度 最好是地线比电源线宽 它们的关系是 地 线 电源线 信号线 通常信号线宽为 0 2 0 3mm 最经细宽度可达 0 05 0 07mm 电源线为 1 2 2 5 mm 3 用大面积铜层作地线用 在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作 为地线用 或是做成多层板 电源 地线各占用一层 16 4 电源线设计 根据印制线路板电流的大小 尽量加粗电源线宽度 减少环路电阻 同时 使电源线 地线的走向和数据传递的方向一致 这样有助于增强抗噪声能力 5 地线设计 在电子产品设计中 接地是控制干扰的重要方法 如能将接地和屏蔽正确结 合起来使用 可解决大部分干扰问题 电子产品中地线结构大致有系统地 机壳 地 屏蔽地 数字地 逻辑地 和模拟地等 在地线设计中应注意以下几点 第一 正确选择单点接地与多点接地 在低频电路中 信号的工作频率小于 1MHz 它的布线和器件间的电感影响较 小 而接地电路形成的环流对干扰影响较大 因而应采用一点接地的方式 当信 号工作频率大于 10MHz 时 地线阻抗变得很大 此时应尽量降低地线阻抗 应采 用就近多点接地 当工作频率在 1 10MHz 时 如果采用一点接地 其地线长度 不应超过波长的 1 20 否则应采用多点接地法 第二 数字地与模拟地分开 电路板上既有高速逻辑电路 又有线性电路 应使它们尽量分开 而两者的 地线不要相混 分别与电源端地线相连 低频电路的地应尽量采用单点并联接地 实际布线有困难时可部分串联后再并联接地 高频电路宜采用多点串联接地 地 线应短而粗 高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔 要尽量加大线性电路的接 地面积 第三 接地线应尽量加粗 若接地线用很细的线条 则接地电位则随电流的变化而变化 致使电子产品 的定时信号电平不稳 抗噪声性能降低 因此应将接地线尽量加粗 使它能通过 三倍于印制电路板的允许电流 如有可能 接地线的宽度应大于 3mm 第四 接地线构成闭环路 设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时 将接地线做成闭路可以 明显地提高抗噪声能力 其原因在于 印制电路板上有很多集成电路元件 尤其 遇有耗电多的元件时 因受接地线粗细的限制 会在地线上产生较大的电位差 引起抗噪能力下降 若将接地线构成环路 则会缩小电位差值 提高电子设备的 抗噪声能力 17 6 屏蔽电缆的接地 将负载直接接地的方式是不合适的 这是因为两端接地的屏蔽层为磁感应的 地环路电流提供了分流 使得磁场屏蔽性能下降 在要求高的场合要为内导体提 供 360 的完整包裹 并用同轴接头来保证电场屏蔽的完整性 b 信号线布在电 地 层上 在多层印制板布线时 由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多 再多加 层数就会造成浪费也会给生产增加一定的工作量 成本也相应增加了 为解决这 个矛盾 可以考虑在电 地 层上进行布线 首先应考虑用电源层 其次才是地 层 因为最好是保留地层的完整性 c 大面积导体中连接腿的处理 在大面积的接地 电 中 常用元器件的腿与其连接 对连接腿的处理需要 进行综合的考虑 就电气性能而言 元件腿的焊盘与铜面满接为好 但对元件的 焊接装配就存在一些不良隐患如 1 焊接需要大功率加热器 2 容易造成虚焊 点 所以兼顾电气性能与工艺需要 做成十字花焊盘 称之为热隔离 heat shield 俗称热焊盘 Thermal 这样 可使在焊接时因截面过分散热而产生虚 焊点的可能性大大减少 多层板的接电 地 层腿的处理相同 d 布线中网络系统的作用 在许多 CAD 系统中 布线是依据网络系统决定的 网格过密 通路虽然有所 增加 但步进太小 图场的数据量过大 这必然对设备的存贮空间有更高的要求 而有些通路是无效的 如被元件腿的焊盘占用的或被安装孔 定位孔所占用的等 网格过疏 通路太少对布通率的影响极大 所以要有一个疏密合理的网格系统来 支持布线的进行 标准元器件两腿之间的距离为 0 1 英寸 2 54mm 所以网格系统的基础一般 就定为 0 1 英寸 2 54 mm 或小于 0 1 英寸的整倍数 如 0 05 英寸 0 025 英 寸 0 02 英寸等 e 设计规则检查 DRC 布线设计完成后 需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则 同时 也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求 一般检查有如下几个方 面 18 1 线与线 线与元件焊盘 线与贯通孔 元件焊盘与贯通孔 贯通孔与贯 通孔之间的距离是否合理 是否满足生产要求 2 电源线和地线的宽度是否合适 电源与地线之间是否紧耦合在 PCB 中是 否还有能让地线加宽的地方 3 对于关键的信号线是否采取了最佳措施 如长度最短 加保护线 输入 线及输出线被明显地分开 4 模拟电路和数字电路部分 是否有各自独立的地线 5 后加在 PCB 中的图形 如图标 注标 是否会造成信号短路 6 对一些不理想的线形进行修改 4 24 2 PCBPCB 电路抗干扰电路抗干扰 4 2 1 整体抗干扰措施 在电子系统设计中 应充分考虑并满足抗干扰性 的要求 避免在设计完成 后再去进行抗干扰的补救措施 形成干扰的基本要素有三个 干扰源 指产生干扰的元件 设备或信号 用数学语言描述如下 du dt di dt 大的地方就是干扰源 如 雷电 继电器 可控硅 电机 高频时钟等都 可 能成为干扰源 传播路径 指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介 典型的干扰传 播路径是通过导线的传导和空间的辐射 敏感器件 指容易被干扰的 如 单片机 数字 IC 弱信号放大器等 抗干扰设计的基本原则是 抑制干扰源 切断干扰传播路径 提高敏感器件的 抗干扰性能 类似于传染病的预防 具体措施如下 a 抑制干扰源 抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的 du dt di dt 这是抗干扰设计中最 优 先考虑和最重要的原则 常常会起到事半功倍的效果 减小干扰源的 du dt 主要是通过在干扰源两端并联电容来实现 减小干扰源的 di dt 则是在干扰源回 路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现 抑制干扰源的常用措施如下 1 继电器线圈增加续流二极管 消除断开线圈时产生的反电动势干扰 仅 加 续流二极管会使继电器的断开时间滞后 增加稳压二极管后继电器在单位时 19 间内可 动作更多的次数 2 在继电器接点两端并接火花抑制电路 一般是 RC 串联电路 电阻一般选 几 K 到几十 K 电容选 0 01uF 减小电火花影响 3 给电机加滤波电路 注意电容 电感引线要尽量短 4 电路板上每个 IC 要并接一个 0 01 F 0 1 F 高频电容 以减小 IC 对 电源的影响 注意高频电容的布线 连线应靠近电源端并尽量粗短 否则 等于 增大了电 容的等效串联电阻 会影响滤波效果 5 布线时避免 90 度折线 减少高频噪声发射 b 切断干扰传播路径 按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类 所谓传导干扰是指通过 导线传播到敏感器件的干扰 高频干扰噪声和 有用信号的频带不同 可以通过 在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰 噪声的传播 有时也可加隔离光耦来 解决 电源噪声的危害最大 要特别 注意处理 所谓辐射干扰是指通过空间辐 射传播到敏感器件的干扰 一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离 用 地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩 切断干扰传播路径的常用措施如下 1 充分考虑电源对单片机的影响 电源做得好 整个电路的抗干扰就解决 了一大半 许多单片机对电源噪声很敏感 要给单片机电源加滤波电路 或稳压器 以减小电源噪声对单片机的干扰 比如 可以利用磁珠和电容 组成 形滤波电 路 当然条件要求不高时也可用 100 电阻代替磁珠 2 如果单片机的 I O 口用来控制电机等噪声器件 在 I O 口与噪声源之间 应加隔离 增加 形滤波电路 控制电机等噪声器件 在 I O 口与噪声源之 间应加隔离 增加 形滤波电路 3 注意晶振布线 晶振与单片机引脚尽量靠近 用地线把时钟区隔离起来 晶振外壳接地并固定 此措施可解决许多疑难问题 4 电路板合理分区 如强 弱信号 数字 模拟信号 尽可能把干扰源 如电机 继电器 与敏感元件 如单片机 远离 5 用地线把数字区与模拟区隔离 数字地与模拟地要分离 最后在一点接 于电源地 A D D A 芯片布线也以此为原则 20 6 单片机和大功率器件的地线要单独接地 以减小相互干扰 大功率器件 尽可能放在电路板边缘 7 在单片机 I O 口 电源线 电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件 如 磁珠 磁环 电源滤波器 屏蔽罩 可显著提高电路的抗干扰性能 c 提高敏感器件的抗干扰性能 提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声 的拾取 以及从不正常状态尽快恢复的方法 提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下 1 布线时尽量减少回路环的面积 以降低感应噪声 2 布线时 电源线和地线要尽量粗 除减小压降外 更重要的是降低耦 合 噪声 3 对于单片机闲置的 I O 口 不要悬空 要接地或接电源 其它 IC 的闲置 端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源 4 在速度能满足要求的前提下 尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电 路 d 采用信号隔离技术 信号隔离使数字或模拟信号在发送时不存在穿越发送和接收端之间屏障的电 流连接 这允许发送和接收端外的地或基准电平之差值可以高达几千伏 并且防 止了可能损害信号的不同地电位之间的环路电流 信号地的噪声可使信号受损 隔离可将信号分离到一个干净的信号子系统地 1 隔离串行数据流 隔离数字信号有很大选择范围 假若数据流是位串行的 则选择方案范围从 简单光耦合器到隔离收发器 IC 主要设计考虑包括 第一 所需的数据速率 第二 系统隔离端的电源要求 第三 数据通道是否必须为双向 基于 LED 的光耦合器是用于隔离设计问题的第一种技术 现在有几件基于 LED IC 可用 其数据速率为 10Mbps 及以上 一个重要的设计考虑是 LED 光输出 随时间减小 所以在早期必须为 LED 提供过量电流 以使随时间推移仍能提供足 21 够的输出光强 因为在隔离端可能提供电很有限 所以需要提供过量电流是一个 严重的问题 因为 LED 需要的驱动电流可以大于从简单逻辑输出级可获得的电流 所以往往需要特殊的驱动电路 2 模拟信号隔离 在很多系统中 模拟信号必须隔离 模拟信号所考虑的电路参量完全不同于 数字信号 模拟信号通常先要考虑 第一 精度或线性度 第二 频率响应 第三 噪声考虑 电源要求 特别是对输入级 也应该关注隔离放大器的基本精度或线性度不 能依靠相应的应用电路来改善 但这些电路可降低噪声和降低输入级电源要求 4 2 2 防静电设计 为了便于对系统硬件解决进行讨论 将系统上的静电放电效应划分成以下三 个部分 一 静电放电之前静电场的效应 二 放电产生的电荷注入效应 三 静电放电电流产生的场效应 尽管印刷线路板 通常也称之为PCB 的设计会对上述三种效应都产生影响 但是主要是对第三种效应产生影响 通常 源与接收电路之间的场耦合可以通过 下列方式之一减小 一 在源端使用滤波器以衰减信号 二 在接收端使用滤波 器以衰减信号 三 增加距离以减小耦合 四 降低源和 或接收电路的天线效 果以减小耦合 五 采用一致的 低阻抗参考平面 如同多层PCB 板所提供的 耦合信号 使它们保持共模方式 在这个设计中 如电场占主导地位 静电放电一般同时产生电场和磁场 下 面详细阐述通过上述方法解决问题 a 保持环路面积最小 任意一个电路回路中有变化的磁通量穿过时 将会在环路内感应出电流 电 流的大小与磁通量成正比 较小的环路中通过的磁通量也较少 因此感应出的电 流也较小 这就说明环路面积必须最小 应用这一经验的困难之处是如何找到环 路 但与其试着去找出所有可能的环路 还不如采取下列步骤来减小环路面积 1 电源线与地线应紧靠在一起以减小电源和地间的环路面积 22 2 多条电源及地线应连接成网格状 PCB 的一面布垂直线 而另一面则布 水平线 可以在双面板上添加一些连接线以减小环路面积 网格构成的环路面积 小得多 这将使感应电流很低 出现问题的可能性也较小 插在底板 或母板 PCB 上的PCB 板 应该有多个地线和电源线节点 且在连接器长度方向上均匀布 置 这将有利于减小整个系统的环路面积 上述步骤1 和2 既可减小电源与地之间的环路面积 同时也可减小环路天线 的效能 步骤3 和4 将降低环路天线及信号线的效率 3 并联的导线必须紧紧地放在一起 最好仅使用一条粗导线 这就是说 地平面不应有大的开口 因为这些开口如同平行导线一般 其作用等同于环路天 线 4 信号线应与地线应紧挨着放在一起 在每根信号线的旁边安排一条地线 不过 这也许会产生很多平行地线 为了避免这个问题 如前所述 可采用地平 面或地线网格 而不采用单条地线 可在与信号线相对的一面上布置地线面 5 特别敏感的器件之间的较长的电源线或信号线应每隔一定间隔与地线的 位置对调一下 对调的含义是将一 根导线从上移到下面 或从左边移到右边 另一根导线则做相反的调整 这种方法与减小环路面积 的等同效果 对调有关 导线后 只有较小的环路存在 6 在电源线与地线间安装高频旁路电容 因为在静电放电较低的频率段 旁路电容的阻抗较低 在这些频率处 旁路电容能有效减小电源与地间的环路面 积 然而 在静电放电较高的频率段 由于寄生电感的影响 即使是高频电容 其作用也很有限 当然 电源线与地线彼此靠得越近 滤波电容的效果就越不 明显 因为环路面积已经足够小了 b 使导线长度尽量短 即使将电源线与地线并列分布 较长的导线仍会导致较大的环路面积 这就 是说 较长的导线将有利于接收静电放电脉冲产生的更多的频率成份 而较短的 导线只能接收较少的频率成分 因此 短导线从静电放电产生的电磁场中接收并 馈入电路的能量较少 使导线尽可能短是一个比是环路面积尽量小更容易实现 的措施 因为它不象信号环路那样不容易识别 环路面积的尽可能小不可能立即 23 看到 而导线的长短则是很显然的 有关设计步骤如下 1 使所有元件紧靠在一起 应将元件过于分散而占用更多的面积 2 在相关的元件组 相互之间具有很多互连线的元件应彼此靠得很近 例如 I O 器件是与I O 连接器尽量靠得近些 前述的各种步骤都有助于减小各种PCB 回路的阻抗差异 例如 步骤4 特 别有用 因为这样处理会使信号线与相关地线的回路阻抗几乎相等 因此 串入 到这两条路径中的共模噪声在幅度上也很接近 产生的差模噪声极小 另外 PCB 设计也能采取措施减小由于静电场和电荷注入所带来的问题 下面的规则就 与这个问题有关 c 尽可能在PCB 上使用完整的地线面 前面已提到过 地线面有助于减小环路面积 同时也降低了接收天线的效率 地线面作为一个重要的电荷源 可抵消静电放电源上的电荷 这有利于减小静电 场带来的问题 PCB 地线面也可作为其对面信号线的屏蔽体 当然 地线面的开 口越大 其屏蔽效能就越低 另外 如果发生放电 由于PCB 板的地平面很大 电荷很容易注入到地线面中 而不是进入到信号线中 这样将有利于对元件进行 保护 因为在引起元件损坏前 电荷可以泄放掉 然而 即使泄放到地的电荷 也可能损坏器件 应采取措施加以避免 d 加强电源线和地线之间的电容耦合 电源线与地线间的耦合通过两种方式来实现 这在前面已经提到过 1 使电源线与地线靠得很近 或采用多层PCB 板 这将在电源线和地线间 产生更多的寄生电容 2 在电源线与地线之间接入高频旁路电容 电容组合方式可适用于静电放 电频率较低和较高的场合 电源线与地线间的耦合将有助于减小电荷注入问题 两个物体之间由各个物体上电荷量的差异造成的电压取决于两者 V Q C 间的 电容 如果X库仑的电荷注入到电源线中 就会在电源线和地线间产生Y 伏的电 压 如果电源线与地线间的电容增加一倍 X 库仑的电荷将仅仅产生Y 2 伏的电 压 当然 这个较小的电压造成损坏的可能性也相应减小 e 隔离电子元件与静电放电电荷源 在静电放电效应的讨论中 曾指出注入到电子仪器中的电荷可通过隔离来解 24 决 对于PCB 设计 这主要指将电子仪器与可能的电荷源隔离开 也与连接器端 口或感应电流趋于集中的信号线相隔离 可采取以下两个步骤来进行隔离 1 使电子元件与PCB 走线远离会暴露在静电放电中的PCB 部分 例如 操 作人员可直接触摸到的地方 2 使电子元件和PCB 走线远离会暴露在静电放电中的任意一个金属物体 包括螺钉 机架 连接器外壳等 f PCB 上的机壳地线的阻抗要低 隔离要好尽管PCB 轨线上的阻焊层有利 于隔离PCB走线 但阻焊层可能会导致插针孔发生电弧 1 隔离机壳地线的最好方法是使之远离电子仪器 另外 如果机壳地线的 阻抗很低 静电放电电流易于通过 就不会发生电弧 当然 如此迅速的电荷泄 放会产生更强的场 但这比电荷通过电弧直接注入到电路中好得多 2 机壳地线的长度不能超过其宽度的四或五倍 比这个比例更宽的地线仅 能使其阻抗 电感 稍微减小 但是更窄的地线却会使其阻抗大幅度增加 这个 长宽比例意味着机壳地线必须很短才行 否则当地线增长时 其宽度要很宽 4 34 3 热设计热设计 从有利于散热的角度出发 印制版最好是直立安装 板与板之间的距离一般 不应小于 2cm 而且器件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则 a 对于采用自由对流空气冷却的设备 最好是将集成电路 或其它器件 按纵长方式排列 对于采用空气冷却的变压器 最好是将集成电路 或其它器件 按横长方式排列 c 在水平方向上 大功率器件尽量靠近印制板边沿布置 以便缩短传热路 径 在垂直方向上 大功率器件尽量靠近印制板上方布置 以便减少这些器件工 作时对其它器件温度的影响 d 对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域 如设备的底部 千 万不要将它放在发热器件的正上方 多个器件最好是在水平面上交错布局 e 设备内印制板的散热主要依靠空气流动 所以在设计时要研究空气流动 路径 合理配置器件或印制电路板 空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动 所以在印制电路板上配置器件时 要避免在某个区域留有较大的空域 整机中多 块印制电路板的配置也应注意同样的问题 25 大量实践经验表明 采用合理的器件排列方式 可以有效地降低印制电路的 温升 从而使器件及设备的故障率明显下降 以上所述只是印制电路板可靠性设计的一些通用原则 印制电路板可靠性与 具体电路有着密切的关系 在设计中不还需根据具体电路进行相应处理 才能最 大程度地保证印制电路板的可靠性 5 5 电路板制作工艺要求电路板制作工艺要求 5 15 1 PCBPCB 材料选择材料选择 印刷电路板基材主要有二大类 有机类基板材料和无机类基板材料 使用最 多的是有机类基板材料 层数不同使用的 PCB 基材也不同 比如 3 4 层板要用 预制复合材料 双面板则大多使用玻璃 环氧树脂材料 无铅化电子组装过程中 由于温度升高 印刷电路板受热时发生弯曲的程度加大 表面组装技术中用 PCB 要求高导热性 优良耐热性 150 60min 和可焊 性 260 10s 高铜箔粘合强度 1 5 104Pa 以上 和抗弯强度 25 104Pa 高导电率和小介电常数 好冲裁性 精度 0 02mm 及与清洗 剂兼容性 另外要求外观光滑平整 不可出现翘曲 裂纹 伤痕及锈斑等 印制电路板厚度有 0 5mm 0 7mm 0 8mm 1mm 1 5mm 1 6mm 1 8mm 2 7mm 3 0mm 3 2mm 4 0mm 6 4mm 其中 0 7mm 和 1 5mm 板厚的 PCB 用 于带金手指双面板的设计 1 8mm 和 3 0mm 为非标尺寸 印制电路板尺寸从生产 角度