《第二彈》自制Arduino最小系統(tǒng)板之PCB的繪制，集成N多種功能

ID:241755 · 發(fā)表于 2018-11-22 12:11

前幾天有些小忙，今天終于抽出時(shí)間來(lái)完成接下來(lái)的設(shè)計(jì)，首先放上之前帖子的鏈接（自制Arduino最小系統(tǒng)板，集成N多種功能！趕快來(lái)圍觀吧）。接下來(lái)呢我會(huì)完成元件封裝的選取以及PCB電路圖的設(shè)計(jì)，以及更加詳細(xì)的講解電路中各個(gè)元件的功能，然后送給加工廠去制板，那么廢話少說(shuō)，馬上開(kāi)始�。�！

第一部分
完成了所有的原理電路圖的設(shè)計(jì)，下面就是選擇合適的元件封裝了，首先要求整個(gè)板子體積越小越好，所以我盡量都是選擇了貼片元件（SMD），貼片元件相比通孔元件的好處就是無(wú)需要在PCB板上開(kāi)孔去固定器件，簡(jiǎn)單來(lái)講就是它貼在電路板的表面，這樣就可以在電路板上做到雙面貼裝，可以最大電路板的體積。下面我放了一張貼片電阻和通孔式電阻的比較圖，方便大家理解。

明確了盡量使用貼片器件，我就開(kāi)始了選擇元件封裝型號(hào)的工作。這回耗費(fèi)一點(diǎn)時(shí)間，不過(guò)耐心就可以完成。我們從最主要的電路到次要的電路依次來(lái)進(jìn)行選擇。
1.Atmega328P-AU與外圍電路
對(duì)于這個(gè)電路，主要就是一些濾波電容（c1和c2），兩個(gè)補(bǔ)償電容（c3和c4），以及一個(gè)復(fù)位電路（SW和R2，c6），對(duì)于阻容元件（電阻和電容），我統(tǒng)一選擇的都是0603封裝的器件，因?yàn)檫@個(gè)尺寸是我的焊接技術(shù)所可以焊接的最小器件了。。。。。（希望以后可以焊接更小的。）而對(duì)于開(kāi)關(guān)我選擇的是3*4的貼片龜仔開(kāi)關(guān)。

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2.NRF24L01接口電路
查看了一下網(wǎng)上有關(guān)NRF24l01的教程，普遍反映NRF24L01的通信穩(wěn)定性和電源影響很大，供電不足容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失以及亂碼，于是為了保證穩(wěn)定性，我添加了電解濾波電容c16，容量為47uf。由于電解電容的封裝普遍比無(wú)極性電容的封裝體積要大，所以我尋找許久。。終于找到一款體積比較小巧的貼片電解電容，尺寸為4*5.4（直徑4mm高5.4mm）。而接頭p5我則使用了適合NRF24L01直接插接使用的2.54mm間距的2*4母杜邦頭。
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3.鋰電池升壓電路
對(duì)于這個(gè)升壓電路，E50D升壓芯片的封裝為SOT89-3，基本上市面可以買到的E50D都是這個(gè)封裝，沒(méi)有什么可以選擇的，而且體積也足夠小巧，正好符合我的要求。兩個(gè)濾波電容（c8和c10）同樣還是使用0603封裝。其中的肖特基二極管1N5819我選擇了SOD323封裝，這個(gè)封裝以及算是二極管的封裝里面較小的了，同樣是我可以焊接的最小器件。。。而在電感的選擇上，我使用了SLF0705的封裝（直徑7mm高5mm），注意這里一定要選擇功率電感，而且要確保電感的最大工作電流要足夠，在這里我的E50D升壓芯片最大允許電流在600ma左右，所以我選擇了編號(hào)為CD75的功率電感。
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4.3.3V穩(wěn)壓電路
這個(gè)電路是專門為NRF24L01來(lái)供電的，元件非常簡(jiǎn)單。同樣，濾波電容選擇0603封裝，而MIC5205則是SOT-23-5的封裝，同樣也是市面上可以買到的常見(jiàn)封裝。
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5.7-12V降壓電路
特別預(yù)留的一路外部電源輸入穩(wěn)壓電路，可以讓整個(gè)板子更好適應(yīng)多種電壓范圍，所以我對(duì)輸入端濾波電容c7有特別的考慮，我選擇了封裝為3528的膽電容，相比一般的電解電容，膽電容擁有更小的體積，以及耐高溫、寬頻率范圍的特點(diǎn)，但是我們?cè)谔暨x膽電容的時(shí)候，一定要注意膽電容的耐壓，因?yàn)槠毡榈哪戨娙荻急入娊怆娙莸哪蛪旱停砸欢ㄒ⒁膺x擇膽電容的耐壓值。而輸出端的濾波電容c9我還是采用常規(guī)的0603封裝。而降壓芯片ME6210則是和E50D芯片相同的SOT89-3封裝。
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6.電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
首先呢輸入信號(hào)限流電阻R10和mos管結(jié)電壓放電電阻R4都使用0603封裝，而mos管Q4則是采用SOT23-3封裝，我選擇這個(gè)封裝原因主要還是因?yàn)樾∏�，嘻�?/font>

。而續(xù)流二極管D7我選擇了SOD323封裝，和鋰電池升壓電路里面使用的二極管一樣。對(duì)于接口H4的選擇，我使用了市面上一種常見(jiàn)用于電機(jī)接口的PH1.0接頭，比較適合我這種小體積的板子。
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7.報(bào)警電路的設(shè)計(jì)
555芯片市面上就只有兩種封裝，一種是通孔芯片封裝，一種是貼片芯片封裝。為了節(jié)省空間，我使用了貼片的封裝，型號(hào)為SOIC8。而對(duì)于RC震蕩電路（R3，R6和c12）我統(tǒng)一用了0603封裝，對(duì)于第五腳的濾波電容c11以及限流電阻（R1和R12）我都用了0603封裝器件。而控制蜂鳴器通斷的三級(jí)管Q1我則使用了和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的mos管同樣的封裝SOT23-3，最后，續(xù)流二極管仍然是SOD323封裝。在蜂鳴器的選擇上，有許多種，我這里使用的是9*5.5的有源蜂鳴器（直徑9mm高5.5mm）
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8.其他輸出接口的設(shè)計(jì)
   其他的一些接口呢我有不同的安排，首先是面對(duì)Atmega328P的串行口，我沒(méi)有選擇需要通孔安裝的杜邦頭，而是使用了一種貼片的接頭，SH1.0 6P，這樣我只需要配上一根轉(zhuǎn)接線就可以和usb轉(zhuǎn)ttl模塊連接了。對(duì)于6路的數(shù)字口呢，我考慮了同樣的接口，這樣節(jié)省了許多空間。而到了4路模擬輸入的接口上，我使用的則是2.54mm間距的焊盤，這樣直接省去了接頭，也方便以后直接焊接。最后是電源輸入，我還是用了焊盤，因?yàn)榭赡軙?huì)出現(xiàn)多個(gè)設(shè)備需呀同時(shí)從板子上取電的情況，所以留下焊盤比使用接頭更加方便。

   到這里所有的封裝就全部都選好了，下一步就是排版和布線PCB了。

                                 第二部分
首先將原理圖導(dǎo)入到PCB，然后吧所有的器件拖動(dòng)到方框內(nèi)，就是先把元器件在電路板上的位置先定下來(lái)。這一步耗時(shí)若干分鐘，略。。。。。。我想給大家分享的是元器件位置的擺放，是否合適的擺放位置會(huì)對(duì)整個(gè)板子的穩(wěn)定性影響很大。。。。首先放一張圖：
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1.我最先確定的是Atmega328P的位置（圖中腳最多的芯片），如果將主控芯片安排在其他比較靠電路板邊緣的位置，都會(huì)影響到其他接口的擺放，并且所有的信號(hào)都是由Atmega328p發(fā)出，所以擺放在中央會(huì)更好布線。傾斜45度擺放對(duì)于這種小板子是非常適合的，可以盡量減少線的長(zhǎng)度。
2.接著就是圍繞主控的其他元器件的擺放（比如晶振和濾波電容）
3.我將NRF24L01的接口放在了主控芯片旁邊的位置，這樣可以盡量減少線的長(zhǎng)度，避免一些干擾和信號(hào)的衰減（因?yàn)镹RF24L01和Atmega328P使用SPI通訊，速度較快，最高10M，所以盡量避免使用較長(zhǎng)的線）
4.我將5V升壓電路布置在電路板的左上角，盡量遠(yuǎn)離主控，因?yàn)檫@個(gè)電路的升壓芯片E50D工作頻率較高（約300K，所以其易對(duì)其他的芯片產(chǎn)生較大干擾）
5.我設(shè)計(jì)電機(jī)的電源直接從鋰電池取電，所以當(dāng)多個(gè)電機(jī)工作時(shí)容易造成鋰電池電壓的波動(dòng)以及較大的電流，同時(shí)容易造成對(duì)其他弱電流的設(shè)備的干擾。于是我將四路的驅(qū)動(dòng)放在最右邊的位置，如圖中右側(cè)所示。
6.其他的兩路降壓電路我則是布置在板子背面，靠上方的位置，給其他的接口留出余地。
7.而6路的數(shù)字口以及串行口和模擬輸入口，我則全部布置在板子的最下放，盡量遠(yuǎn)離電源，以減少干擾。
定好了位置之后就是布線了，這里一般的布線方法有自動(dòng)布線和手動(dòng)布線方法，我在這里選擇自動(dòng)布線，不一會(huì)兒，線就布好了，如圖（其中紅色為正面，藍(lán)色為反面）。
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之后就是選擇鋪銅了，鋪銅就是將電路板上空著的部分用銅皮覆蓋上，一般鋪銅的銅皮都是和地線連接在一起的，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)電路板的抗干擾都有很好的作用

，下面是鋪銅之后的樣子：
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完成了正面和反面的鋪銅，我開(kāi)始運(yùn)行DRC（電氣規(guī)則檢查）這個(gè)功能所有電路板設(shè)計(jì)軟件都有，主要功能就是可以幫你檢查電路板有沒(méi)有出現(xiàn)什么問(wèn)題之類的（比如兩條線之間距離太近，或者焊盤和某條線短接在一起了，總之在完成設(shè)計(jì)之前運(yùn)行一遍DRC可以幫你找出錯(cuò)誤，要不然等到制作PCB的時(shí)候損失就大了）幾秒鐘過(guò)后。。。。DRC沒(méi)有報(bào)錯(cuò)，說(shuō)明整個(gè)板子沒(méi)有電路問(wèn)題，我可以放心的交給工廠制作板子了。首先我先在軟件上預(yù)覽一下電路板完成后的樣子：
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   確認(rèn)沒(méi)有問(wèn)題了就可以導(dǎo)出文件了，然后提交給工廠了，對(duì)于PCB電路板有很多種文件格式，工廠一般都可以接受，在這里我用的是Gerber格式，比較通用。
我選擇的工藝是1.6mm雙面板，綠油白字，有鉛噴錫，1OZ銅厚，價(jià)格也是比較便宜，賣家算我25元10塊，工期大概3-4天。接下來(lái)就是漫長(zhǎng)的等待了，哈哈哈。

                                               總結(jié)
最后呢我在給大家總結(jié)一些注意事項(xiàng)：
1.選擇器件時(shí)注意器件的最大電流，電壓需要滿足需求，不然會(huì)導(dǎo)致器件過(guò)流/過(guò)壓而損壞。
2.充分掌握器件的特性，這樣會(huì)使你設(shè)計(jì)時(shí)候更加得心應(yīng)手。
3.使用各種IC時(shí)請(qǐng)注意查看數(shù)據(jù)手冊(cè)，以找到符合要求的器件。
4.PCB設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先布置重要，核心元件，然后依次擺放次要元件。
5.信號(hào)線盡量遠(yuǎn)離大電流電源線。
6.避免使用直角走線
7.避免電源線和信號(hào)線近距離平行擺放。
8.對(duì)于高頻線路，周圍最好鋪銅以減少干擾。

   制作圖紙已經(jīng)提交給了工廠了，需要3-4天的工期，所以等板子到了我會(huì)焊接并測(cè)試以及改進(jìn)，如果有什么關(guān)于電路設(shè)計(jì)以及PCB板的問(wèn)題，歡迎大家提問(wèn)，我會(huì)認(rèn)真的回復(fù)你們。。
   最后，感謝你們閱讀我寫的這么多文字，希望我此次做的電路可以對(duì)你們提供一些幫助和引導(dǎo)，謝謝。

ID:424598 · 發(fā)表于 2018-11-22 16:11

樓主牛B，期待發(fā)布成品。Arduino相對(duì)51，容易學(xué)習(xí)。代碼也容易理解。新手先學(xué)Arduino，在反過(guò)來(lái)學(xué)c語(yǔ)言。會(huì)更容易看得懂。

ID:632008 · 發(fā)表于 2019-11-1 12:07

可以直接打板嗎？？？

ID:622823 · 發(fā)表于 2019-11-8 10:48

期待樓主把pcb文件分享一下

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