基于AltiumDesigner的LED流水灯电路的设计

绪论现代能源信息技术社会新一代能源技术层出不穷,随着电子技术的不断快速发展，电子集成电路的实际应用中工作电压越来越低，电流越来越大。低电压下的正常工作虽然这样可以大大有利于有效率地降低开关电路的控制系统电源整体和其他大功率开关输出端的消耗,但也给整个PCB的开关控制系统进行结构设计发展以及研究思路结构提出了新鲜的技术难题,我们需要做的,不仅要满足载流能力的需要，还要适当增加去耦电容。电子应用不断增加，新功能不断发展涌现，从而缩短了企业电子技术应用的使用寿命。所以,设计出一款实用性、便捷性LED流水电路是非常有必要的,本文根据需求,设计了LED流水灯电路并制作了模拟LED流水灯电路的设计。1〕1.1LED流水灯的发展20世纪50年代初期人们对发光半导体照明材料发光可如何产生反射光线的一些基本知识已经很好的了解,1960年，第一块商用LED芯片问世，发光技术商用二极管进行芯片是一种有一个P型发光材料半导体和一个N型发光半导体公司芯片可以组成的新型晶片,在一个N型发光半导体和一个N型发光半导体企业之间存在总是有这样一个国家横向过渡性断层的这就是它的PN半导结。PN结是电结加上反向驱动电压，很难完全注入少量载流子，不利于发光。而这种可以利用这些晶体注入式发光电容行为导致一个晶体发光管的原理分析进行设计制作的发光二极管则又叫电致发光二极管,统称LED。LED灯点亮是因为晶体管在控制电路中主要充当开关电路。当两个不同电容可以充分发展进行学习充电后,下一个三极晶体管导线接通了并使得中国第二个三极LED光灯点亮。２〕流水灯在早年我国进入现代化的工业生产社会中就已开始具有广泛的社会经济技术应用,大型高档消费品类电子产品诸如广告显示牌、霓虹灯、指示牌和广泛用于现代工业生产过程质量控制的消费电子产品控制面板等都非常重要有利于实现流水灯的广泛应用。LED光灯灯具是一种将有线光能将红外无线电能直接通过光能转换方式转化而成为红外有线可见光和红外无线辐射能的红外照明专用灯具。它主要特点具有电源工作电压低、功耗低、出光率高、光照和风力牵引运动持续时间极短、颜色纯正、结构坚固、耐冲击、耐机械应力和抗振动、性能稳定可靠、重量轻、体积小、成本低等六大基本特点。现在还提供可自行设计研制生产各种高亮度、高性能、全方位清晰可见的高功率光谱专用照明设备产品。1.2PCB设计的发展背景用于印刷设备的小型电路板的最早发明者是一位德国奥地利人。他于20世纪30年代在一个小型专用收音机作为印制用的装置内部中首次发明采用了这种作为印制装置用的小型电路板。1934年,美国人将利用该无线网络通信信息技术进行大量地广泛研究应用于军用无线电和收音机内。自20世纪50年代中期起,印制完成电路板才开始被广泛研究运用。PCB各种量子管和电路板板它们都是各种现代应用电子设备技术工业重要的各种现代电子设备组成的零部件之一,几乎每一种新的现代电子技术和设备，从智能电子表到智能电子秤和计算机，通信用电子通信设备，军用电子枪和武器系统，只要板上安装了具有各种量子管和集成电路等各种新的电子技术应用设备元器件,为了它们之间的各种量子线路电气管和电路板的互连,都会强迫需要大量的人使用这种量子电路板。PCB的影响产品设计以及产品制造商与产品质量直接的关系会受到影响这个关系涉及到整个所有电子产品的最终生产质量的实际生产成本,所以我们一个新的PCB电路板在整个新的电子技术产品中,扮演了一个可以整合电子产品系统连接其所有功能系统组件功能的重要组成角色,也因此时常的当一个电子产品系统中的某个功能系统组件出现了重大故障时,最先被所有用户提出怀疑的往往都是它只能认为是一个新的。３〕印制电路板设计的基本原则是以印制电路板原理设计图为设计依据，实现印制电路板设计者可能需要的各种功能。印制端子电路板的优化教学设计发展过程我们需要学生充分考虑企业外部组件连接的优化产业布局、内部控制连接电子电路组件的组合优化连线布局、金属组件连线和电子通孔的组合优化连线布局、热耗的分散等各种具有重要问题原因,印制电路板的设计是每一个从事电子技术的工作者都需要掌握的基本技能。1.3PCB工艺的发展现状电子仪器设备产业在摩尔定律的相互促进作用可以不断创新驱动下,产品的各种因素综合发展应用系统功能要求越来越强,集成度越来越高,信号的信息传递处理速率越来越快,产品的技术企业研发设计公司生产生命周期也越来越短。由于现代电子产品的不断发展，PCB电路设计不仅简单，而且需要准确完成各类电子产品的高速和低密度电路之间的连接，更多时候还要认真仔细考虑高速、密度线路连接可能带来的各种相关技术上的挑战。印制机和数字电路板被广泛研究应用于企业各个不同领域,几乎所有的工业数字产品电子化和打印印制设备及其组件系列中都已经可以找到包含它还有其它相对应的各种数字电子印制机和数字电路板。而在新型PCB板连接技术尚未出现之前,电子零件印刷品与元器件之间的直接互联相连都主要目的是通过直接依靠传统专用离子电线直接印刷进行电子连接而最终得以合并组成完整的电子连接制作线路,在20世纪初,为了达到能有效简化其他传统专用电子零件印刷品与机器的直接互连制作,减少其他传统电子部件的直接互连布线，降低生产成本，人们已经逐渐开始努力研究钻研以专用电线直接印刷的各种制作方式以及用来制造取代其他传统直接配线的各种制作方法。成功在1925年半的时间之内建立了以金属导体作为电镀材料作为装配线,再以其他导体材料电镀的生产方式。PCB使用工艺也复杂随现代电子产品日新月异,印制印刷电路板的使用规格工艺复杂多变,可以按照主板PCB的使用层数分类来进行判别,按使用层数分类可以细分为:单层表面板、双层板、多层板和使用挠性板;按柔软度分类可以细分为使用刚性材料印刷印制电路板和使用柔性材料印刷印制电路板;按使用材质分类可划为分为:覆铜箔板和积层板的绝缘材料。随着微电子技术的不断学习进步经济发展和你可能会看到中国未来商业电子商务应用的发展前景非常广阔,所以电子元件集成化,元件生产批量化,组装作业简易化发挥了越来越重要的作用,面对新的挑战我们要不畏困难,从设计思路到工具的运用,我们精雕细琢,诚心对待。４〕1.4本文的设计与安排根据资料设计LED流水灯电路硬件图,利用Multisim仿真软件进行电路仿真在软件组件库中找到所需的组件，并连接各个元件，制作完整的电路原理图。完成原理图绘制后进行仿真、封装,仿真的过程中,我们要根据PCB电路板的大小调整线路粗细和焊盘的大小,并按照原理进行仿真验证。绘制各种PCB类的电路板时,可以直接使用AltiumDesignerr等软件直接进行原图绘制。整个PC级微电路板的软件生成过程包括:元器件库、原理图、PCB电路板的生成、PCB电路板的设计规则、电路板的线规划、线路图、焊盘图等方面。2电路仿真2.1Multisim软件介绍Multisim软件是美国一个国家仪器有限责任公司管理公司可以推出的以0软件为设计理论基础的硬件系统仿真研究设计分析工具,适用于板级的数字模拟器和数字集成电路板的硬件进行设计仿真工作。它主要包括两种方式：基于电路设计原理流程图的语言图形输入和基于电路原理硬件过程描述语言的图形输入。Multisim自动仿真教学设计软件不仅我们可以得到很好的有效解决中国传统文化理论模拟教学与实际工作生活动手教学实验相相互脱节的这一现代世界教育教学难题,Multisim仿真软件将直观的图像捕捉与强大的自动仿真完美结合，能够快速、轻松、高效地设计和测试各种电路元件。５〕2.2电路仿真首先我们打开Multisim管理软件,从每个元器件库表中选择我们日常需要的几个元件库并绘制基本电路结构图,元件库根据分类依次依序是驱动电源、基本电路原件、二极管、晶体管、模拟器和电路板等元件。图2.1Multisim软件元器件库芯片555:HansR.camenzind为西格尼蒂克公司在1971年期间设计了一种新型集成电路脉冲芯片555,可广泛用作一个脉冲定时器、脉冲进行信号产生器和振荡系统电路。因为其具有易用性、可靠性、价格低,它广泛应用于各种电子集成电路的工程设计中。受到众多厂商的欢迎,仅在2003年，就生产了大约10亿件。图2.2555芯片示意图芯片4017：16位十进制脉冲计数器，脉冲时钟分配器，内部由脉冲计数器及脉冲译码器两组成以及部分学生共同发展组成,由整个译码器和输出器来实现对整个脉冲时钟输入信号的同步时间分配,整个脉冲输出器在时序中也就是q0、q1、q2、q9依次可以产生问题出现与脉冲时钟信号同步的一个具有高电平,宽度大约等于企业整个社会时钟方式运行管理周期,是一个很常见的流水灯芯片和555芯片搭配使用,4017流水灯利用的也很广泛例如:广告牌、门店面等。６]图2.34071芯片示意图2.3仿真结果按照已经画好的电路仿真图进行实物仿真，4017芯片进行脉冲电路的分配LED的闪烁，555芯片计时器实现定时LED的亮与灭。图2.3LED流水灯仿真结果图3PCB设计及制图3.1库文件绘制创建PCB工程:首先我们打开AltiumDesigner软件用鼠标左键进行选中选择左上角设计文件,再将鼠标移至下方点击新建,再往右下移动鼠标至工程,然后右移鼠标点击PCB工程。图3.1创建工程文件创建PCB原理图库:鼠标放置在我们创建的工程上右击创建PCB工程,鼠标左击给工程添加新的,再点击SchematicLibrary。８〕图3.2创建原理图库有一些元件在元器库中没有需要自己进行原理器件的绘制,元件的绘制需要根据软件内原理图的大小而设置。绘制的时候要注意美观性、整洁性看起来舒服很重要。3.2PCB原理图绘制原理图的元器件库绘制完成后,在自带的软件组件库中找寻自己未绘制的元件,或者在软件本身自带的元器件库中寻找自己绘制的原理器件,按照下方指示操作进行原理图的绘制:先选中之前创建好的工程右击,再点击给工程添加新的,鼠标进行右移点击Schematic就可以通过创建工作原理图。图3.3创建原理图使用面板原理图选择元器件：图3.4原理图的绘制从组件库中选择此设计所需的组件并将其放置后，再顺便调整一下元器件的位置。图3.5绘制完善后的原理图图3.6创建PCB封装库3.3AltiumDesigner软件介绍在21世纪,电子科技的多元快速发展,元器件设计数量不仅庞大层层可见层重叠出,集成电路设计变得越来越复杂因而单靠手工设计是无法轻松完成各种电子线路的辅助设计,所以集成电子线路设计ad级的辅助设计研究成为当前开展的主要研究方向。ad在本软件中的辅助设计操作人员不仅如此可以快捷且高效的直接完成印制电路设计原理板板图、印制电路原理板图的辅助设计,甚至都能将打印各种报表的时间效率缩短。PCB的一个专业图书设计科学软件AltiumDesignerr这是一个结合设计科学原理好的图书其功能十分一应俱全,操作方便容易快速上手。AltiumDesigners它是澳大利亚的一款新型电子产品设计开发管理系统,1991年Protel公司第一次开发推出了Windows的新版本iad并迅速流行起来,通过软件融合将工作原理板路图格式设计、电路仿真、PCB板路图绘制、自动主板布线、信号处理分析和电路设计数据输出等多种技术在一个开发软件,大大地减少了我们的画图时间。7〕本文利用AltiumDesigner软件对LED水灯电路进行了设计，并进行线路的调整。在做出实物之前AltiumDesigner的绘制举足轻重,可以说是成功的第一步。下文会提到完整制作PCB电路板的过程。3.4PCB电路板绘制创建PCB电路板：鼠标右击创建PCB工程，点击给工程添加新的，点击PCB可以生成PCB板。图3.7创建PCB电路板图3.8PCB电路板创建完成初期样式3.5线规则设置设置路线的距离，线不能靠的太近，不然到后面雕刻的时候会断线，就没有完整性。线要钝角，严禁直角，本设计将线宽加至0.4焊盘加宽。图3.9线路加粗图3.10VCC尺寸修改3.6线路图检查线路是否靠的太近，手动布线，接着导出线路图，点击文件-制造输出-GerberFiles-通用(使用毫米)-层(使用GBL-画线，GKO-画线，高级-使用软件弧，点击确定，保存如下图所示：图3.11线路修改完的样式图3.12创建GerberFiles图3.13Gerber设置尺寸图3.14Gerber设置图3.15完整PCB板线路图样式3.7焊孔图雕刻机的定位是建立在焊孔图的基础上，我们需要创建焊孔图，鼠标选择目录栏制造输出，点击GerberFiles即可，接着导出焊孔文件如图所示：图3.16建立NC文件图3.17NC钻孔设置图3.18焊孔图4工艺步骤4.1雕刻工艺雕刻是艺术随着人类文明的发展而逐步推进，拥有着五千年的文明，从最初的材料粘土到如今的高级数字雕刻机，雕刻已经不仅仅是一门艺术的造诣更是精神文明的一种高尚的象征。电子工业产品的高速化发展战，计算机设计的广泛应用造成工艺产品的变化急速需求增高，如现今数字雕刻主要是用数控雕刻机和雕刻软件结合，由电脑控制进行PCB电路板的自动化雕刻和钻孔，本文中会详细讲解雕刻机的运行及制作过程。通过AD软件来绘制原理图，得到后在仿真软件上进行仿真，生成该PCB图，生成边框文件、孔文件等，导入到雕刻机上进行雕刻，先给机器换上0.8mm的钻头进行钻孔，接着用0.4mm的刀进行粗雕刻，后用0.2mm的刀进行细雕刻，拿吸尘器吸完雕刻出的粉末后，换成0.8mm的钻头进行割边，割完边后进行电路板的焊接。4.2裁板在学校电子工艺技术实验室,穿好电子防护服、防护帽、橡胶鞋和手套,我们要需要裁制160mm*140mm的板子在裁板器上,量好尺寸,裁制时要注意安全,手不能碰到板子内部。图4.2裁板器4.3钻孔钻孔前，我们会在板子后面贴上双面胶，固定到雕刻机的台面上，防止雕刻机在钻孔和雕刻的过程中发生移动划破板子表面。把前面裁好的板子固定在雕刻机台面上，检查机器上的钻头是不是0.8mm的。点击机器上的设原点按键，机器移动到某一点设置为板子的零点（零点选择电路板的左下，距离板子的两边都是1cm），电脑显示零点设置完成，数据设置完成点击机器上主轴启停按键，这时钻头开始运行，再点击电脑上的钻孔，雕刻机就会自动开始钻孔。图4.4雕刻机器图图4.5钻孔头图4.6雕刻示意图4.4PCB电路板雕刻机电路板射频雕刻机不仅使您具有快速加工制作射频电路板及各种射频管和微波控制电路板,可以进行PCB加工钻孔、图形精细切割雕制、图形立体轮廓精细透铣、盲孔盲槽切割加工的强大能力,甚至我们可以加工PCB、有机玻璃、铝等材料制成的表面板和标志。十几年前,人们的最大希望也就是先进的工业生产管理技术成果能用实际应用推广到机械雕刻制造行业内,因而使计算机网络技术、信息网络技术、自动化制造技术在我国机械制造与工业自动化、管理学与物流等工业生产力和流通领域广泛应用,人们不再满足传统雕刻,随着现代工艺品、模具加工等业务发展推动了数字雕刻技术的市场。如今,只需在一台雕刻机上根据一个PCB设计线路下载设计的草图文件用户信息可以只需在一台进行计算机上手动完成这样一个PCB设计相关文件并根据其下载生成后的设计技术文件,该雕刻机可快速自动完成布线、钻孔、雕刻、切边等功能，制作并设计出美观的微机电路板。９〕图4.41PCB电路板雕刻机4.5雕刻过程把雕刻机上的0.8mm钻头卸掉，换成0.6mm的雕刻刀，从零点开始围绕着板子形成一个矩形，点击电脑上的底层粗雕刻，开始进行雕刻。等待一会儿，完成粗雕刻后再把0.6mm的雕刻刀换成0.4mm的雕刻刀，再次点击电脑上的底层雕刻把板子上有连接在一起的线分开。１０〕图4.7添加挖孔图4.8添加钻头图4.9制板前期修改图4.10制成PCB板的样式等待雕刻的时候一定要将雕刻机的玻璃盖盖上,防止同学不小碰到雕刻刀,雕刻时候粉末飞扬。雕刻完成后,用吸尘机把板子上的粉末很容易的吸走。图4.11钻孔雕刻图4.13雕刻完成图4.6刷油作为PCB电路板的阻焊剂绿油具有耐高温、高附着力不脱落、绝缘度强的特点作为一种保护层,涂覆在印制电路板上起到保护电路的作用而且不会产生短路、连焊,必须在焊接的部分进行,避免焊料的浪费。按照3:1的规定把两种不同的化学剂搅拌在一个桶里制成绿油。刷绿油时,要在刷板器上用双面胶固定一张白纸,是防止刷绿油刷在上绿油印到刷板器上,再将印制电路板放在白纸上,使用刷板器印刷。图4.13刷油示意图图4.14烤箱图4.7焊接电路板绿油刷好后，开始准备焊接，用到的元器件有555芯片、4017芯片、电阻、LED灯、开关、电熔、电解电容器，在焊接电路板上的电容、电阻、LED灯等注意引脚不能留太长或者太短，也不要把元器件贴着电路板焊接。有正负极的元器件一定要区分，如果放置错误电路将无法运行。对于焊点的要求也很高，电烙铁不能伤害到焊盘也不能在焊接时焊点焊的过大，不能连焊过大的焊点也会影响电路板整体的美观性。4.8调试排故焊接完成后我迫不及待的测试，当直流电夹碰到我的电路板上，每个LED灯都亮却不常亮，等待几秒可以手动流水，用万用表每一条线路的检查都没有问题。会不会是芯片的引脚被电烙铁烫坏，线路之间是否间隔太近，线是不是因为太细接触不良导致。5总结与展望5.1总结本次的论文设计中,是需要大量的资料查阅,根据理解设计整个LED流水灯电路,整个过程难以用语言来表达。设计与制作中运用了三个不同的软件和雕刻机,让我巩固，把学到的东西提高，我从查阅的资料中,掌握了很多PCB印制电路板、LED流水灯、雕刻机的知识,并且让我对如今的电子工艺技术发展有新的了解。设计的过程中我发现以前在课堂上完全没有理解AD软件的优越性,这次我们通过Multisim软件的仿真,雕刻机的制板让我明白制作好一块PCB电路板的艰辛。首先要在画原理图的时候就要仔仔细细,因为错一根线就会影响到下一步,布线的距离是否会影响到其他元器件,元器件摆放的位置合适否,还要注意美观性,可使用性。光是修改PCB电路板仿真的线就修改了好多次,整体的布局经过很多次验证后放到合适的位置。仿真结束后的电路板制作更是不能马虎一步,错一步就会造成印制电路板报废,雕刻时更是要全神贯注。特别是用到三种不同的雕刻刀和挖孔刀,换取过程中都要把雕刻机停下来,如果雕刻过程中挖孔刀移位很容易断,雕刻完一块电路板还不能直接焊接,需要上一层绿油保护线路。刷绿油的过程不严格按照操作,电路板上的绿油会分布不均,焊接也是重中之重,如果电烙铁将元器件烫坏或者锡多了把相近的两条线连接,会造成线路短路。整个电路板的设计与制作都是对自己动手能力的一种提升,让我对于专业知识的理解也更加透彻。在学校设计老师老师耐心的详细设计指导和热心人的帮助下,完成了一个非常整体的毕业设计,本次论文即对基础知识的掌握,更多是磨练我的意志和耐心。5.2展望设计的初衷是为了实用性和便捷性，在节能环保方面