《智能光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課件 項(xiàng)目10-13 智能光電電路設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)-智能光電運(yùn)維部署

項(xiàng)目10智能光電電路設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)1、學(xué)會(huì)AltiumDesigner21版本軟件，包括下載、安裝AltiumDesigner21軟件，安裝好以后對軟件的設(shè)置、基本操作等等。2、設(shè)計(jì)智能回收桶電路。3、設(shè)計(jì)智能手環(huán)電路。項(xiàng)目10智能光電電路設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)智能光電應(yīng)用開發(fā)工作過程中在完成對產(chǎn)品的功能和性能需求評(píng)估后，就是要對主控芯片、外圍電路進(jìn)行選型，主控芯片涉及資源、存儲(chǔ)容量及速度、IO口分配、接口資源、外圍電路的可靠性等進(jìn)行具體分析和對比。結(jié)合智能光電應(yīng)用開發(fā)電路設(shè)計(jì)典型工作任務(wù)與工作過程，具體工作任務(wù)可分解為原理圖設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)。原理圖設(shè)計(jì)：電路原理圖是指說明電路中各個(gè)元器件之間電氣連接關(guān)系的圖紙。依托需求分析選擇合適的電子元器件，參考電子元器件的手冊，將智能光電電路設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為各部分功能的原理圖。PCB圖設(shè)計(jì)：PCB圖是用來安裝、固定各個(gè)實(shí)際電路元器件并用銅箔進(jìn)行走線，實(shí)現(xiàn)元器件正確連接關(guān)系的圖紙。根據(jù)原理圖選用的電子元器件，參考手冊繪制元件的PCB封裝，然后進(jìn)行板子外形設(shè)計(jì)、布局，并實(shí)際要求進(jìn)行布線，最后完成PCB圖的繪制，然后進(jìn)行PCB投板，完成PCB加工生產(chǎn)。項(xiàng)目10智能光電電路設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)PCB設(shè)計(jì)的可制造性分為兩類，一類是指印制電路板的加工工藝；另一類是指電路接結(jié)構(gòu)上的元器件和印制電路板裝配的工藝性。一般的PCB加工廠家，受制造能力與生產(chǎn)能力的影響，會(huì)非常詳細(xì)的給開發(fā)設(shè)計(jì)人員提出PCB相關(guān)的要求，最大程度滿足PCB電路板的可實(shí)施生產(chǎn)與制造。作為一名智能光電開發(fā)工程師，應(yīng)該對所設(shè)計(jì)的PCB電路板裝聯(lián)工序流程有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)，這樣就可以避免犯一些原則性的錯(cuò)誤。在選擇組裝方式時(shí)，除考慮PCB的組裝密度，布線的難易外，必須還要考慮裝配的工藝流程，同時(shí)考慮到企業(yè)本身的裝配工藝水平。10.1常用電路設(shè)計(jì)軟件智能光電應(yīng)用開發(fā)電路設(shè)計(jì)軟件是智能光電產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)必不可少的軟件，通常此類軟件均具有電路原理圖設(shè)計(jì)、電路優(yōu)化、電路測試等強(qiáng)大的功能。軟件設(shè)計(jì)功能多樣，界面簡約、操作一目了然，可極大方便用戶、幫助用戶快速完成硬件電路設(shè)計(jì)。學(xué)者需要對設(shè)計(jì)類軟件有一個(gè)清晰的認(rèn)知，即無論何種設(shè)計(jì)軟件都只是一個(gè)工具，關(guān)鍵是軟件的應(yīng)用與設(shè)計(jì)思想。10.1.1ALTIUMDESIGNER電路設(shè)計(jì)軟件AltiumDesigner是原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)。AltiumDesigner除了全面繼承包括Protel99SE、ProtelDXP在內(nèi)的先前一系列版本的功能和優(yōu)點(diǎn)外，還做了許多改進(jìn)并增加了很多高端功能。該平臺(tái)拓寬了板級(jí)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)界面，全面集成了FPGA設(shè)計(jì)功能和SOPC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能，從而允許工程設(shè)計(jì)人員能將系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的FPGA、PCB設(shè)計(jì)及嵌入式設(shè)計(jì)集成在一起。AltiumDesigner電路設(shè)計(jì)軟件主要運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計(jì)者提供了全新的設(shè)計(jì)解決方案，使設(shè)計(jì)者可以輕松進(jìn)行設(shè)計(jì)，熟練使用這一軟件使電路設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率大大提高。10.1.2PADS電路設(shè)計(jì)軟件PADS軟件是MentorGraphics公司開發(fā)的電路原理圖和PCB設(shè)計(jì)工具軟件組包，它包括PADSLogic、PADSLayout和PADSRouter。PADS是國內(nèi)從事電路設(shè)計(jì)的工程師和技術(shù)人員主要使用的電路設(shè)計(jì)軟件之一，以其強(qiáng)大的交互式布局、布線功能和易學(xué)易用等特點(diǎn)，在通信、半導(dǎo)體、消費(fèi)電子、醫(yī)療電子等當(dāng)前最活躍的工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。PADSLayout/Router支持完整的PCB設(shè)計(jì)流程，涵蓋了從原理圖網(wǎng)表導(dǎo)入，規(guī)則驅(qū)動(dòng)下的交互式布局布線，DRC/DFT/DFM校驗(yàn)與分析，直到最后的生產(chǎn)文件（Gerber）、裝配文件及物料清單（BOM）輸出等全方位的功能需求，確保PCB工程師高效率地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。10.1.3KICAD電路設(shè)計(jì)軟件KiCadEDA是一款用于印刷電路板設(shè)計(jì)的開源自由軟件包，遵守GNU的GPL版權(quán)協(xié)議，最初由法國人Jean-PierreCharras于1992年推出，現(xiàn)由KiCad開發(fā)團(tuán)隊(duì)維護(hù)。KiCad支持英語、法語、德語、意大利語、中文、日語、韓語等22種語言版本。KiCad軟件包含原理圖設(shè)計(jì)、線路板繪制、電器規(guī)則檢測、符號(hào)庫設(shè)計(jì)、封裝庫設(shè)計(jì)、3D視圖功能、Gerber查看、線路板實(shí)用計(jì)算等工具。值得注意的是，KiCad是一個(gè)跨平臺(tái)的工具，在Linux和Windows系統(tǒng)中都可以使用圖形操作界面，非常方便使用。此外，KiCad生成Gerber文件很簡便，PCB畫好以后可以直接生成Gerber文件，不用擔(dān)心文件格式。10.1.4ALLEGRO電路設(shè)計(jì)軟件Allegro是Cadence推出的先進(jìn)PCB設(shè)計(jì)布線工具包。Allegro提供了良好且交互性強(qiáng)的工作接口和強(qiáng)大完善的功能，它和前端產(chǎn)品Cadence、OrCAD、Capture的結(jié)合，為當(dāng)前高速、高密度、多層的復(fù)雜PCB設(shè)計(jì)布線提供了完美的解決方案。Allegro擁有完善的Constraint設(shè)定，用戶只須按要求設(shè)定好布線規(guī)則，在布線時(shí)不違反DRC就可以達(dá)到布線的設(shè)計(jì)要求，從而節(jié)約了煩瑣的人工檢查時(shí)間，提高了工作效率。它還能夠定義最小線寬或線長等參數(shù)以符合當(dāng)今高速電路板布線的種種需求。Allegro軟件中的ConstraintManger提供了簡潔明了的接口，方便使用者設(shè)定和查看Constraint聲明。它與Capture的結(jié)合讓E.E.電子工程師在繪制線路圖時(shí)就能設(shè)定好規(guī)則數(shù)據(jù)，并能一起帶到Allegro工作環(huán)境中，自動(dòng)在擺零件及布線時(shí)依照規(guī)則處理及檢查，而這些規(guī)則數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)值均可重復(fù)使用在相同性質(zhì)的電路板設(shè)計(jì)上。10.1.4ALLEGRO電路設(shè)計(jì)軟件Allegro除了上述的功能外，其強(qiáng)大的自動(dòng)推擠push和貼線hug走線以及完善的自動(dòng)修線功能更是給用戶提供了極大的方便；同時(shí)具備強(qiáng)大的貼圖功能，可以支持多用戶同時(shí)處理一塊復(fù)雜板子，從而大大地提高了工作效率。它還支持利用選購的切圖功能將電路版切分成各個(gè)區(qū)塊，讓每個(gè)區(qū)塊各有專職的人同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到同份圖多人同時(shí)設(shè)計(jì)從而縮短時(shí)程的目的。10.1.5ORCAD電路設(shè)計(jì)軟件ORCADCapture(以下簡稱Capture)是一款電路設(shè)計(jì)工具軟件，它是當(dāng)今世界最流行的原理圖繪制工具之一，具有簡單直觀的用戶設(shè)計(jì)界面。Capture軟件繪制的電路原理圖可以與PADS同步，在日常開發(fā)工作中，許多工程師都是使用Capture繪制原理圖，然后使用PADS-Layout繪制PCB。10.2小米智能回收桶電路設(shè)計(jì)一個(gè)成熟硬件電路的形成過程是設(shè)計(jì)者進(jìn)行原理設(shè)計(jì)、電路仿真、原理圖確定、實(shí)物制作、環(huán)境測試、參數(shù)性能指標(biāo)極限測試等,當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí),再迭代、再測試，直到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。智能光電電路設(shè)計(jì)具體工作任務(wù)分以下幾個(gè)方面：設(shè)計(jì)元件原理圖封裝、設(shè)計(jì)原理圖、設(shè)計(jì)元件PCB封裝、設(shè)計(jì)PCB圖、PCB投板。針對以上具體工作任務(wù)流程，學(xué)者既可以進(jìn)行單項(xiàng)實(shí)訓(xùn)，又可以進(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)，以掌握具體工作任務(wù)中設(shè)計(jì)到的知識(shí)點(diǎn)與知識(shí)面。本節(jié)列舉一個(gè)案例，進(jìn)行智能光電電路設(shè)計(jì)單項(xiàng)實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)的敘述智能光電應(yīng)用開發(fā)電路設(shè)計(jì)具體工作任務(wù)工作流程。10.2.1需求分析及功能設(shè)計(jì)隨之時(shí)代和科技的發(fā)展，人們生活水平逐漸提高，智能回收桶已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶。在實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)智能回收桶都具備智能感應(yīng)功能，當(dāng)有人離開或者在紅外感應(yīng)范圍之外，桶蓋會(huì)自動(dòng)打開或關(guān)閉。智能回收桶使得人無需接觸回收桶，解決了衛(wèi)生感染的隱患，能夠防止交叉污染。智能回收桶具有耗電量低、智能、使用壽命長、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)市場得到青睞。隨著社會(huì)的發(fā)展，人工智能技術(shù)得到普遍應(yīng)用，我國智能家居產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，智能回收桶作為智能家居的細(xì)分市場，市場規(guī)模也隨之增長。10.2.1需求分析及功能設(shè)計(jì)分析市場產(chǎn)品并結(jié)合智能光電發(fā)展，智能回收桶需具備以下功能：一鍵打包、觸摸感應(yīng)、自動(dòng)換袋、震動(dòng)檢測、紅外感應(yīng)、超載打包、常開模式、超長待機(jī)、無線組網(wǎng)、溫度測量、異常報(bào)警、電壓測量等。需求分析完成后，將需求轉(zhuǎn)換為電路功能，使用成熟電路設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)智能光電產(chǎn)品電路功能。分析并對比市場智能回收桶產(chǎn)品需求，擬在原小米智能回收桶基礎(chǔ)上進(jìn)行教學(xué)改造，故設(shè)計(jì)了以STM32口袋機(jī)為主控單元的智能回收桶系統(tǒng)，如圖9-1所示：10.2.1需求分析及功能設(shè)計(jì)10.2.1需求分析及功能設(shè)計(jì)直流電機(jī)電路電路實(shí)現(xiàn)一鍵打包、自動(dòng)換袋、常開模式等功能；稱重檢測電路完成超載打包；電源管理電路實(shí)現(xiàn)超長待機(jī)；氣體測量電路實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警。其他功能電路的作用不一一列舉。主蓋電機(jī)的功能：打開或關(guān)閉主蓋，當(dāng)垃圾已滿的時(shí)候，通過主蓋電機(jī)動(dòng)作，打開主蓋，取出已經(jīng)裝好的垃圾袋；小蓋電機(jī)的功能：打開或關(guān)閉小蓋。當(dāng)需要投放垃圾時(shí)，通過小蓋電機(jī)動(dòng)作，打開小蓋，投放垃圾；投放結(jié)束后，小蓋電機(jī)延時(shí)關(guān)閉，關(guān)閉小蓋。打包電機(jī)：垃圾裝滿后，自動(dòng)將垃圾袋封口。風(fēng)機(jī)：提供負(fù)壓，使得新裝入的垃圾袋自動(dòng)展開。10.2.2新建工程首先新建一個(gè)工程，點(diǎn)擊File->New->Project，彈出創(chuàng)建工程的對話框，其中ProjectName為工程名稱，這里使用默認(rèn)名稱PCB_Project。Folder為文件存儲(chǔ)路徑，選擇好路徑后點(diǎn)擊Create創(chuàng)建工程。工程創(chuàng)建完成后，開始為工程添加文件：執(zhí)行File->New->Schematic添加原理圖文件；執(zhí)行File->New->PCB添加PCB圖文件；執(zhí)行File->New->SchematicLibrary添加原理圖封裝庫文件；執(zhí)行File->New->PCBLibrary添加PCB封裝庫文件。添加完成后點(diǎn)擊保存。圖9-2是新建的完成后的工程截圖，其中每個(gè)文件作用為：PCB1，PCB圖在此文件內(nèi)繪制和保存；PcbLib1，PCB封裝庫在此文件內(nèi)繪制和保存件；Sheet1，原理圖在此文件內(nèi)繪制和保存；SchLib1：原理圖封裝庫在此文件內(nèi)繪制和保存件。10.2.2新建工程10.2.3原理圖設(shè)計(jì)（1）直流電機(jī)電路：LV8548芯片是2通道低飽和電壓正向/反向電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC，內(nèi)置剎車功能，最大IGBT集電極電流1A，適合12V系統(tǒng)產(chǎn)品中的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)或一個(gè)并聯(lián)使用的直流電動(dòng)機(jī)，或者可以完全驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。智能回收桶殼體已經(jīng)安裝好三個(gè)電機(jī)，分別為主蓋子電機(jī)，小蓋電機(jī)，打包電機(jī)，參考LV8548芯片手冊，將三個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路利用AD21軟件設(shè)計(jì)出來，如圖9-3、9-4所示，其中F1、F2、F3為自恢復(fù)保險(xiǎn)，防止電機(jī)堵轉(zhuǎn)引起的電路過大而燒毀電機(jī)。R21、R25、R26、R27、R28、R29為下拉電阻，默認(rèn)LV8548輸出關(guān)閉，P8、P10、P12端子接電機(jī)。10.2.3原理圖設(shè)計(jì)10.2.3原理圖設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)電機(jī)電流較大，所以這里選擇大電流NMOS管驅(qū)動(dòng)，其中R13為柵極限流電阻，R14為下拉電阻，默認(rèn)Q4關(guān)閉。驅(qū)動(dòng)電路如圖9-5所示。各端口網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，單片機(jī)IO端口對應(yīng)如表9-1所示。10.2.3原理圖設(shè)計(jì)10.2.3原理圖設(shè)計(jì)10.2.3原理圖設(shè)計(jì)(2)觸摸檢測與紅外檢測電路設(shè)計(jì)：智能回收桶外殼以及集成好觸摸檢測與紅外檢測電路，所以外圍驅(qū)動(dòng)板只需要設(shè)計(jì)一個(gè)端口，通過接插件端口連接到STM32口袋機(jī)IO口。電路原理圖設(shè)計(jì)如圖9-6所示，各端口網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，單片機(jī)IO端口對應(yīng)如表9-2所示。10.2.3原理圖設(shè)計(jì)(3)震動(dòng)測量與電壓測量電路設(shè)計(jì)：震動(dòng)傳感器電路、電壓檢測電路見圖9-7，震動(dòng)檢測傳感器型號(hào)SW-1801，R20為上拉電阻，默認(rèn)輸出低電平，當(dāng)檢測到震動(dòng)時(shí)傳感器輸出一個(gè)低電平信號(hào)。電壓檢測電路R30與R31為分壓電路，降低輸入單片機(jī)端口電壓，將電壓限制在單片機(jī)參考電壓范圍內(nèi)，C23為濾波電容，D4為鉗位二極管，將電壓鉗制在3V以內(nèi)，保護(hù)MCU外設(shè)ADC電路。震動(dòng)檢測信號(hào)從STM32F407的PD7進(jìn)入，電壓信號(hào)ADC-BATT從STM32F407的PA4進(jìn)入。10.2.3原理圖設(shè)計(jì)(4)氣體測量與溫度測量電路設(shè)計(jì)：氣體測量傳感器型號(hào)為MQ5，R15為分壓電阻，C21為濾波電容，將傳感器輸出電壓送入單片機(jī)ADC模擬輸入端口，測量傳感器信號(hào)值。(5)溫度測量傳感器型號(hào)為DS18B20，采用單總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，R16為上拉電阻，C22為退耦電容。將DQ與單片機(jī)引腳相連，進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)讀取。電路原理圖設(shè)計(jì)如圖9-8所示。10.2.3原理圖設(shè)計(jì)使用STM32口袋機(jī)下方右側(cè)簡易牛角端子與驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行連接，所以驅(qū)動(dòng)電路部分也需要繪制一個(gè)相對應(yīng)的簡易牛角，根據(jù)需求在新建的原理圖中完成此部分電路繪制。MQ-5輸出的模擬信號(hào)從STM32F407的PB1進(jìn)入，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換得到氣體濃度；DS1820輸出的數(shù)字信號(hào)從STM32F407的PF11進(jìn)入。10.2.3原理圖設(shè)計(jì)(6)無線數(shù)傳電路設(shè)計(jì)：無線數(shù)傳電路P1、P2為雙列直插的端子，可接入杰創(chuàng)科技MINI433Mhz無線數(shù)傳模組，也可接入其他通信模組，P20為端子可接入Lora無線模組，數(shù)據(jù)通信方式通過2路四選一模擬開關(guān)74HC4052芯片門電路進(jìn)行控制。電路原理圖設(shè)計(jì)如圖9-9所示。10.2.3原理圖設(shè)計(jì)各端口網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，單片機(jī)IO端口對應(yīng)如表9-3所示。10.2.3原理圖設(shè)計(jì)(7)稱重檢測電路設(shè)計(jì)：稱重檢測芯片型號(hào)為CS1237，P17端子接稱重傳感器，U6為2.5V參考電壓芯片，F(xiàn)B1與C18、C19組成Π型濾波電路，凈化稱重芯片電源。電路原理圖設(shè)計(jì)如圖9-10所示：10.2.3原理圖設(shè)計(jì)各端口網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，單片機(jī)IO端口對應(yīng)關(guān)系如下：WE_DIO接PB0，為傳感器的數(shù)據(jù)輸出，給出稱重?cái)?shù)據(jù)信號(hào)WE_CLK接PF2，為時(shí)鐘輸入，即ARM的時(shí)鐘送給傳感器，支撐傳感器正常工作(8)電源管理電路：電源管理電路用以配置各部分電壓，并對各部分供電電路提供電源保護(hù)，電路如圖9-11所示。10.2.3原理圖設(shè)計(jì)電源管理電路中各部分功能如表9-4所示。10.2.3原理圖設(shè)計(jì)圖9-12電路中TPS54332D為開關(guān)型DCDC直流穩(wěn)壓芯片，電路設(shè)計(jì)參考芯片手冊，輸出電壓計(jì)算公示VO=0.8x(1+R1/R2),理想輸出電壓5.2V，電壓誤差±0.2V即為正常。U5選用AMS1117-3.3低壓差線性穩(wěn)壓芯片，將前級(jí)5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V?！ぞC上所示，電源管理電路共輸出3個(gè)不同的電壓值，分別為12V、5V、3.3V。為系統(tǒng)中各部分功能電路供電。10.2.3原理圖設(shè)計(jì)(9)主蓋檢測開關(guān)電路設(shè)計(jì)：用以檢測，主蓋開關(guān)狀態(tài)，R33為上拉電阻，默認(rèn)主蓋關(guān)閉時(shí)為高電平輸出狀態(tài)，主蓋開啟輸出低電平，電路如圖9-13。主蓋檢測開關(guān)電路檢測端口對應(yīng)STM32F407的PD15。10.2.3原理圖設(shè)計(jì)(10)紅外發(fā)射管驅(qū)動(dòng)電路：桶內(nèi)LED驅(qū)動(dòng)電路和加熱絲驅(qū)動(dòng)電路，NMOS管工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)NMOS管柵極為高電平時(shí)，源極和漏極導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。紅外接收與發(fā)射管電路用以檢測桶內(nèi)是否有將垃圾袋展開，其中紅外接受傳感器選用紅外一體化接收頭，型號(hào)為VS1838。紅外發(fā)射管采用940nm波長紅外發(fā)射管，頭通過P14端子與紅外發(fā)射管連接，電路如圖9-14左側(cè)兩個(gè)，電路如圖9-14右側(cè)。加熱絲電路用于將垃圾袋進(jìn)行電熱熱化垃圾袋，進(jìn)行垃圾袋封口操作，屬于一鍵打包邏輯功能的一個(gè)環(huán)節(jié)。各端口網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，單片機(jī)IO端口對應(yīng)如表9-5所示。10.2.3原理圖設(shè)計(jì)10.2.3原理圖設(shè)計(jì)LED與蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路：LED可謂桶內(nèi)提供照明，同時(shí)蜂鳴器可以提供報(bào)警與操作提示功能，電路如圖9-15。LED由PA6控制，蜂鳴器由PF13控制。10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)①繪制電路板外形結(jié)構(gòu)根據(jù)智能回收桶電路板區(qū)域外形結(jié)構(gòu)，選擇Keep->OutLayer層繪制電路板外形，并放置電路板定位孔。選中板框外形，然后執(zhí)行快捷鍵D->S->D定義板子外形。如圖9-16所示。10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)②更新原理圖并生成PCB文件原理圖設(shè)計(jì)完成后，點(diǎn)擊Design->UpdataPCBDocumentPCB_Trash，生成網(wǎng)絡(luò)表，更新PCB，如圖9-17。10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)③元件PCB布局在PCB板設(shè)計(jì)重，PCB布局尤為重要，應(yīng)分析電路板的單元，并根據(jù)功能進(jìn)行布局設(shè)計(jì)。那么PCB板設(shè)計(jì)布局原則有哪些?這里列出一些需要在進(jìn)行布局時(shí)注意常用的原則。PCB布局的幾點(diǎn)原則：·同一個(gè)功能的電路，進(jìn)行模塊化布局，模塊中各元件采用就近集中原則；·注意退耦電容應(yīng)該靠近芯片，數(shù)字電路和模擬電路分開；·定位孔、標(biāo)準(zhǔn)孔等注意元件位置，避免元件阻礙螺絲的安裝；10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)·元件預(yù)留好元件間距，特殊情況需要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整；·發(fā)熱元件不能緊鄰導(dǎo)線和熱敏元件；高熱器件要均衡分布；·插座要盡量布置在印制板的四周，放置的位置需要放別引線拔插?！けM量在電路板的一個(gè)焊接面進(jìn)行布局，同時(shí)在布局時(shí)要考慮接地的完整性。AD21軟件中的PCB圖默認(rèn)為雙面板設(shè)計(jì)圖紙，以上部分原則可以在Design->Rules中進(jìn)行設(shè)置，如圖9-18所示。10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)針對元件間距、定位孔間距等可以在Rules->Electrical->Cleaeance中進(jìn)行設(shè)計(jì)，即根據(jù)實(shí)際要求修改紅色框內(nèi)的規(guī)則。完成規(guī)則設(shè)置。其余部分規(guī)則，退耦電容位置、布局版面等等，需要工程師根據(jù)實(shí)際情況手工進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。規(guī)則設(shè)計(jì)完成后，元件進(jìn)行布局，布局完成后如圖9-19所示：10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)④PCB布線首先需要說明的是PCB布線一般為手工布線，至今為止沒有一個(gè)自動(dòng)布線的功能可以完全取代PCBLayout工程師的技能、經(jīng)驗(yàn)和靈活性。PCB布線既是一門科學(xué)，也是一門藝術(shù)，建議盡可能手動(dòng)布線，以確保準(zhǔn)確性和可靠性。以下為幾點(diǎn)PCB布線的常用原則：·根據(jù)電路板外形、特殊元器件的要求，合理的設(shè)置禁止布線區(qū)域?！ぷ呔€應(yīng)避免銳角、直角，采用鈍角方式走線，關(guān)鍵高速信號(hào)線采用蛇形走線方式。·器件密度優(yōu)先：從PCB電路中連接關(guān)系最復(fù)雜的器件著手布線?；驈倪B線最密集的區(qū)域開始布線。10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)關(guān)鍵元器優(yōu)先：如DDR、射頻器件、高頻器件等核心部分應(yīng)優(yōu)先布線，做到高頻器件走線等長和路徑最短，特殊部分需要進(jìn)行蛇形走線?！りP(guān)鍵走線優(yōu)先：電源、模擬小信號(hào)、高速信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和同步信號(hào)等關(guān)鍵信號(hào)優(yōu)先布線。·數(shù)字地、模擬地要分開，對低頻電路盡量采用單點(diǎn)接地；高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地。對于數(shù)字電路，地線應(yīng)閉合成環(huán)路從而提高抗噪聲能力?！ね笋铍娙葑呔€應(yīng)該布置得當(dāng)，需先經(jīng)過電容，再進(jìn)入芯片?！ぷ呔€的寬度應(yīng)該根據(jù)電流或頻率進(jìn)行計(jì)算，信號(hào)線的線寬保持一直，電源線的線寬通過電流進(jìn)行計(jì)算?？赏ㄟ^Rules->Routing->Width進(jìn)行線寬設(shè)置，如圖9-20所示，布線完成后如圖9-21所示。10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)④PCB敷銅敷銅的主要作用是降低接地線阻抗,多數(shù)的干擾或噪聲是由于接地阻抗太大造成的，同時(shí)PCB電路板中的數(shù)字電路存在大量的脈沖信號(hào)干擾，因此非常有必要降低接地阻抗。對于信號(hào)完整性要求，鋪地給高頻數(shù)字信號(hào)一個(gè)完整的回流路徑，同時(shí)減少接地網(wǎng)絡(luò)的布線。當(dāng)然還有散熱，特殊器件安裝要求鋪銅等原因。10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)PCB敷銅的常用原則：·不同的地之間，如模擬地、數(shù)字地可以通過0歐電阻或者磁珠或電感連接；·晶振等高頻器件，可以環(huán)繞晶振敷銅，同時(shí)將晶振的外殼接地；·穩(wěn)壓器通常提供電流較大，一定要保持良好接地；·敏感型元器件下方禁止走線，如天線、觸摸傳感器等；·考慮靜電擊穿或外界信號(hào)干擾等情況，鋪地應(yīng)與PCB板邊緣具有一定的距離。敷銅有大面積的敷銅和網(wǎng)格銅，兩種方式。布線完成后可以單擊Place->Polygon進(jìn)行鋪地操作。按下Tab鍵可以修改鋪地屬性，如圖9-22所示。10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)【NET】為要鋪地的網(wǎng)絡(luò)，選擇GND網(wǎng)絡(luò)?！綥ayer】選擇要在那個(gè)層進(jìn)行鋪地，這里選擇BottomLayer即在底層進(jìn)行鋪地。選擇Soild（大面積的敷銅）方式進(jìn)行鋪地，選中RemoveDeadCopper移除死銅。這里要說明的是鋪地只是敷銅的一種情況，大電流或大面積走線均可采用敷銅形式。學(xué)者在進(jìn)行敷銅時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。過孔、SMD焊盤、直插焊盤的敷銅連接樣式可以在Rules->Plane->PolfgonConnect中設(shè)置。如圖9-23所示。10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)敷銅完成后的PCB圖，如圖9-24。設(shè)置好敷銅連接樣式后，單擊Place->Polygon，按下Tab鍵設(shè)置敷銅屬性。然后繪制一個(gè)封閉外形，分別對頂層和底層進(jìn)行敷銅操作。10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)⑦布線信息報(bào)告點(diǎn)擊Reports->BoardInformation在彈出的對話框中選擇Routinginformation，然后點(diǎn)擊Report，即可彈出布線信息對話框，如圖9-25。10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)可以看到Routinginformation中的Routingcompletion為100%,說明全部布線完成。導(dǎo)出BOM清單BMO清單也稱為物料清單是電路板選擇裝配、編制生產(chǎn)計(jì)劃和采購計(jì)劃、配套領(lǐng)料、跟蹤物流，追溯任務(wù)、計(jì)算成本、改變成本設(shè)計(jì)不可缺少的重要文件。物料清單表明了產(chǎn)品的組件、子件、零部件和原材料之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，包括每個(gè)組裝件所需的各個(gè)下屬部件的數(shù)量。每種型號(hào)的產(chǎn)品都有自己唯一的物料清單，它決定了構(gòu)成一個(gè)產(chǎn)品所需的全部零部件及其裝配關(guān)系。 點(diǎn)擊Reports->BillofMaterials彈出BOM清單參數(shù)配置對話框，點(diǎn)擊Export即可導(dǎo)出BOM清單，如圖9-26所示。至此所有的PCB設(shè)計(jì)工作完成。10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)4、PCB投板伴隨著當(dāng)代生產(chǎn)工藝的迅速發(fā)展，PCB板加工工藝改變著，不同的PCB廠家，加工PCB板的流程與工藝或多或少都有一些差異。但基本都遵循以下原則：①PCB投板前檢查·確認(rèn)器件封裝及設(shè)計(jì)更改是否正確；·對所有電源相關(guān)部分的布線進(jìn)行檢查（電源線寬、退耦電容布置）；·高速及關(guān)鍵信號(hào)走線位置確認(rèn)；·設(shè)計(jì)完整性檢查（如是否有未完成的走線、敷銅完整性檢查）；·絲印預(yù)先調(diào)整好，根據(jù)要求做到規(guī)范化；·PCB打印檢查，核對安裝孔、新器件封裝等以上幾個(gè)方面，根據(jù)需求完成原理圖到PCB的修改后，應(yīng)該借助軟件工具仔細(xì)進(jìn)行檢查，準(zhǔn)備投板前核對好修改的部分，防止出現(xiàn)不必要的問題。10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)②PCB投板流程在PCB檢查完成后，需要將電路板發(fā)到PCB加工廠家進(jìn)行生產(chǎn)，不同廠家的由于加工能力與工藝不同，投板流程也不盡相同，但基本都會(huì)遵循以下幾個(gè)方面：·提供資料給PCB加工廠家；·與PCB工廠溝通或確認(rèn)生產(chǎn)加工工藝標(biāo)準(zhǔn)；·PCB工廠提供報(bào)價(jià)及交期；·確認(rèn)交期和價(jià)格后，雙方簽署合同；·PCB工廠CAM工程師處理生產(chǎn)資料；·確認(rèn)生產(chǎn)稿后開始生產(chǎn)；10.2.4PCB圖設(shè)計(jì)·PCB電路板生產(chǎn)好后以自提或快遞的方式送至客戶手中；·板子使用過程中及時(shí)向PCB廠家反饋并解決。以上為PCB投板的全部流程，不同的PCB板工藝復(fù)雜度和電路復(fù)雜度不同，同一個(gè)項(xiàng)目的電路板可能有多次迭代，以保證最終版本電路的穩(wěn)定性。10.3不帶屏的智能藍(lán)牙手環(huán)電路設(shè)計(jì)為加深對電路設(shè)計(jì)的理解，熟練掌握AltiumDesigner軟件，特提供一個(gè)簡易的不帶屏的藍(lán)牙手環(huán)硬件電路設(shè)計(jì)，本小節(jié)以“藍(lán)牙運(yùn)動(dòng)手環(huán)”為例，講解各設(shè)計(jì)要點(diǎn)。10.3.1手環(huán)功能需求分析本次設(shè)計(jì)的藍(lán)牙心率防水運(yùn)動(dòng)手環(huán)主要具有以下功能：（1）藍(lán)牙收發(fā)功能。通過藍(lán)牙與手機(jī)建立長連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向收發(fā)，是一款藍(lán)牙手環(huán)應(yīng)具備的最基礎(chǔ)的功能。（2）供電與充電。穿戴類電子產(chǎn)品的供電一般都選用可充電鋰電池，但由于手環(huán)本身體積小巧，限制了鋰電池容量，所以手環(huán)在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，所選的每顆芯片的功耗都要盡可能的小。（3）顯示交互。本小節(jié)要設(shè)計(jì)并制作的手環(huán)不帶LCD屏幕，用戶交互提示可以通過三顆LED燈的亮滅或閃爍來體現(xiàn)。（4）運(yùn)動(dòng)檢測。手環(huán)一般都帶有三軸傳感器或六軸傳感器，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)檢測。10.3.1手環(huán)功能需求分析綜上分析，本案例設(shè)計(jì)的藍(lán)牙手環(huán)使用單節(jié)鋰電池進(jìn)行供電、應(yīng)具有姿態(tài)檢測功能、LED指示燈交互功能、藍(lán)牙數(shù)據(jù)收發(fā)功能。同時(shí)，需要預(yù)留下載與調(diào)試接口，以便后期進(jìn)行代碼下載調(diào)試。藍(lán)牙智能手環(huán)整體硬件框圖如圖9-27所示。10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計(jì)（1）藍(lán)牙收發(fā)主控單元：本次設(shè)計(jì)選擇Dialog的DA14580作為藍(lán)牙收發(fā)器件。DA14580是目前市面上功耗最低的藍(lán)牙SOC，與其他同類藍(lán)牙智能解決方案芯片相比，DA14580擁有更寬的工作電壓范圍和更小的封裝尺寸，非常適合用在穿戴類電子產(chǎn)品上。DA14580的集成度非常高，只需要配合極少數(shù)的外部元件即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)體積最小、最具特色的藍(lán)牙智能解決方案產(chǎn)品。DA14580內(nèi)嵌一個(gè)32位ARMCortexM0核心，擁有高達(dá)42KB的內(nèi)存和豐富的外設(shè)資源，無需外掛其他MCU即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制、通信、計(jì)算任務(wù)。同時(shí)DA14580內(nèi)部還集成了一個(gè)阻抗50Ω的RFIO接口，極大地降低了天線部分的電路設(shè)計(jì)難度。在DA14580芯片數(shù)據(jù)手冊的“Specifications”章節(jié)，可以找到這顆芯片最小系統(tǒng)的電路參考設(shè)計(jì)，如圖9-28所示。10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計(jì)10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計(jì)圖9-28所示電路是使用單節(jié)3V紐扣電池進(jìn)行供電的DA14580外圍參考設(shè)計(jì)電路圖。使用3V鋰電池供電時(shí)，需要將電池接到VBAT3V和VBAT_RF引腳上，同時(shí)這兩個(gè)引腳都需要各添加至少1uF容值的旁路電容。在此模式下需要將VBAT1V接地。VDCDC為DA14580內(nèi)部DC-DC變換器的輸出引腳，SWITCH為該DC-DC變換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)引腳，SWITCH引腳需要外接一個(gè)2.2uH的電感以保證DC-DC變換器正常工作。VDCDC_RF引腳需要接到DC-DC的輸出上，同時(shí)VDCDC_RF和VDCDC引腳需要各添加至少1uF容值的旁路電容。DA14580使用SWD接口進(jìn)行代碼下載與調(diào)試，SWD接口總共使用兩根數(shù)據(jù)線，分別是SWCLK和SWDIO。10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計(jì)XTAL16Mp/XTAL16Mm和XTAL32Kp/XTAL32Km引腳是DA14580外部時(shí)鐘源的輸入引腳，分別需要接入16MHz和32.768KHz的無源晶振。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，DA14580核心會(huì)選擇16MHz外部晶振作為系統(tǒng)的時(shí)鐘源，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式時(shí)，DA14580核心會(huì)切換到32.768KHz的時(shí)鐘源以保持系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)基。RFIOp為單端阻抗50Ω的射頻收發(fā)接口，需要接上天線。RFIOm為射頻收發(fā)參考地引腳，這里將其接到板子的供電地上。RST引腳為DA14580的硬件復(fù)位引腳，一般可以將該引腳接在上電復(fù)位電路或者復(fù)位按鍵上，若不需要使用硬件復(fù)位則應(yīng)將該引腳接地。10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計(jì)（2）姿態(tài)檢測單元:市面上可見的穿戴設(shè)備幾乎都加入了姿態(tài)檢測功能。目前大多數(shù)手環(huán)設(shè)備都是利用三軸加速度傳感器或者六軸傳感器來進(jìn)行姿態(tài)檢測,其中，利用三軸加速度傳感器來實(shí)現(xiàn)姿態(tài)檢測一般有兩種做法。一是直接采集傳感器的加速度數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)簡單地判斷人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。二是事先對人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行建模，然后通過算法對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，對比事先建立好的模型來判斷人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。利用六軸傳感器進(jìn)行姿態(tài)檢測的一般做法是先分別測的傳感器的三軸加速度和角速度，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、姿態(tài)融合解算。不管利用什么傳感器，想要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的姿態(tài)檢測，都是需要通過復(fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)的，這勢必會(huì)給MCU帶來很大的負(fù)擔(dān)。本設(shè)計(jì)選用的傳感器型號(hào)是MPU6050。MPU6050是InvenSense公司推出的全球首款整合性六軸運(yùn)動(dòng)處理組件。MPU6050集成了三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器，不僅極大程度地減少了獨(dú)立陀螺儀、加速度計(jì)的數(shù)據(jù)在時(shí)間上的誤差，而且減少了傳感器芯片占用的PCB板的空間。10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計(jì)MPU6050作為從機(jī)設(shè)備，支持400KHz的I2C通信接口。此外MPU6050還有一組用于連接外部傳感器的IIC接口，MPU6050可以通過該接口連接IIC接口的外部磁力計(jì)以組成9軸傳感器。最重要的是，MPU6050內(nèi)部集成了一個(gè)數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器(DMP:DigitalMotionProcessor)，DMP可直接輸出六軸或者九軸(需外接磁力計(jì))姿態(tài)解算數(shù)據(jù)，而不需要MCU來進(jìn)行繁瑣的數(shù)據(jù)濾波和融合處理，極大減輕了MCU的工作負(fù)擔(dān)。在MPU6050芯片數(shù)據(jù)手冊中介紹了該器件的典型應(yīng)用電路參考設(shè)計(jì)，如圖9-29所示，各關(guān)鍵信號(hào)設(shè)計(jì)要點(diǎn)詳見表9-6。10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計(jì)10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計(jì)10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計(jì)(3)電源及充電單元:系統(tǒng)中所用到的芯片的工作電壓，MPU6050為2.375V-3.46V，DA14580為0.9V-3.3V。本設(shè)計(jì)案例使用標(biāo)稱電壓為3.7V的單節(jié)鋰電池給整個(gè)系統(tǒng)供電，鋰電池正常工作電壓范圍是2.5V-4.25V。結(jié)合上表內(nèi)容，選擇用TLV70033DDCT將·電池電壓降壓到3.3V給整個(gè)系統(tǒng)供電。TLV70033DDCT是德州儀器公司生產(chǎn)的低壓差線性穩(wěn)壓器。TLV70033DDCT具有低輸出噪聲、高電源抑制比、低靜態(tài)電流(31uA)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有過流、過溫、反接保護(hù)的功能，這使得它成為了大多數(shù)電池供電的便捷式設(shè)備的理想選擇。藍(lán)牙智能手環(huán)的充電方案一般分為兩種，對比如下:1、手環(huán)內(nèi)置充電電路，充電IC選型要求封裝足夠小、功耗低、效率高、集成度高。除此之外，考慮到安全因素，充電IC必須要有熱保護(hù)、防反接功能。該方案充電電路會(huì)占用手環(huán)PCB相當(dāng)一部分的空間，但是對充電供電設(shè)備的要求不高，只需輸入電壓在合理范圍內(nèi)即可，可以兼容不同種類的供電設(shè)備。10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計(jì)2、手環(huán)內(nèi)部無充電相關(guān)電路，該方案不會(huì)對手環(huán)PCB造成額外的空間開銷，并且對充電IC沒有特別的要求，同時(shí)可以添加更多的保護(hù)電路。但是該方案的充電器一般需要定制，充電相關(guān)電路放在充電器內(nèi)部。因此該方案一般不能檢測電池的溫度，無法根據(jù)溫度智能調(diào)節(jié)充電電流，有一定的安全隱患。此外定制的充電器便捷性不好，成本會(huì)更高?？紤]到便捷性、安全性和成本因素，本設(shè)計(jì)采用第1種設(shè)計(jì)方案。鋰電池充電IC選用一片性能優(yōu)異的單節(jié)鋰電池充電器——TP4056。TP4056是專門為單節(jié)鋰離子電池或鋰聚合物電池而設(shè)計(jì)的線性充電器，芯片內(nèi)集成功率晶體管，工作時(shí)不需要外接阻流二極管和電流檢測電阻。TP4056常常被應(yīng)用到MP4播放器、數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)PDA和便攜式藍(lán)牙手環(huán)等設(shè)備上。10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計(jì)TP4056的主要特性如下:1、過熱保護(hù)，當(dāng)芯片溫度上升到135℃以上時(shí)，芯片內(nèi)部的熱反饋環(huán)路將減小設(shè)定的充電電路以防止芯片過熱。2、電池溫度檢測，TP4056內(nèi)部集成有電池溫度監(jiān)測電路，電池溫度過高或者過低時(shí)將暫停充電，防止溫度過高或過低對電池造成損害。3、靜態(tài)電流低，停機(jī)模式下靜態(tài)電流僅為35uA。4、電池輸入防反接保護(hù)。5、充電電流可編程，充電電流最高可達(dá)1000mA。6、采用ESOP8封裝，芯片底部帶散熱焊盤，散熱效率高。7、強(qiáng)大的熱調(diào)節(jié)功能，在無過熱風(fēng)險(xiǎn)的情況下自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流實(shí)現(xiàn)整體充電速率最大化。TLV70033DDCT手冊中的參考設(shè)計(jì)電路圖如圖9-30所示：10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計(jì)10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計(jì)根據(jù)手冊可知，TLV70033DDCT可以不用接輸入電容也可以保持穩(wěn)定，但是一般建議在IN引腳上對地接一個(gè)0.1uF到1uF的陶瓷電容。該電容用于抵消無用輸入，改善瞬態(tài)響應(yīng)，抑制噪聲和紋波。為保持輸出電壓的穩(wěn)定，TLV70033DDCT的輸出引腳添加一個(gè)0.1uF或者更大的輸出電容。EN引腳為芯片的工作使能引腳，將EN引腳拉高到0.9V以上時(shí)，TLV70033DDCT將開始工作。將EN引腳拉低到0.4V以下時(shí)TLV70033DDCT將進(jìn)入關(guān)閉模式，此時(shí)靜態(tài)電流將降低到1uA。如果不需要進(jìn)行工作模式的切換，一般將EN引腳與IN引腳短接即可。TP4056的數(shù)據(jù)手冊中的參考設(shè)計(jì)電路圖如圖9-31所示。10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計(jì)10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計(jì)圖9-38中已經(jīng)囊括了TP4056所有的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，虛線框內(nèi)為電池溫度檢測電路，電阻R1和R2的值要根據(jù)需要監(jiān)測的電池溫度范圍和熱敏電阻NTC的阻值來確定。如需禁用電池溫度監(jiān)測功能則需要將TMP引腳接地。CHRG和STDBY為兩個(gè)漏極開路輸出的狀態(tài)指示輸出引腳，這兩個(gè)引腳的輸出狀態(tài)的所有組合方式分別指示TP4056的不同充電狀態(tài)，如表9-7所示。10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計(jì)電阻Rprog用于設(shè)定TP4056的最大充電電流，其阻值與最大充電電流Imax之間的關(guān)下為:prog=1200/ImaxRprog應(yīng)選用誤差精度小于10%的電阻，Rprog與Imax之間的關(guān)系可參考表9-8。10.3.3電路圖繪制（1）新建AD工程本案例使用ALTIUMDESIGNER21來進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先打開AD21，新建一個(gè)工程，為工程添加原理圖、PCB、原理圖封裝庫、PCB封裝庫，如圖9-32所示：10.3.3電路圖繪制（2）畫原理圖封裝接下來需要繪制所用到的元器件的原理圖封裝，這里以繪制DA14580的原理圖封裝為例作簡要介紹。根據(jù)DA14580的數(shù)據(jù)手冊可知，DA14580一共有三種封裝形式，分別是WLCSP32、QFN48和QFN40。本方案使用方便手工焊接并且引腳較少的QFN40封裝，如圖9-33所示:10.3.3電路圖繪制回到AD21，打開ex_da14580.SchLib，如圖9-34所示，選擇左下角的SCHLibrary，在彈出來的視圖框中點(diǎn)擊Add選項(xiàng)添加一個(gè)原理圖封裝，輸入封裝的名稱，最后點(diǎn)擊OK。10.3.3電路圖繪制選擇剛創(chuàng)建的原理圖封裝項(xiàng)，點(diǎn)擊Edit編輯封裝信息，封裝信息；點(diǎn)擊AD21上方Place->Line，調(diào)出繪制線條工具。注意：處于線條繪制功能時(shí)，光標(biāo)是一個(gè)黑色十字星光標(biāo)。在繪制線條模式下按住鍵盤TAB鍵，AD21將彈出線條屬性設(shè)置界面。在此界面設(shè)置Line線寬為Medium，線條顏色為棕紅色。用該線條在原理圖庫繪制區(qū)繪制一個(gè)正方形用于表示DA14580的外形，如圖9-35所示。10.3.3電路圖繪制選擇AD21上方Place->Pin，進(jìn)入放置功能引腳模式，如圖9-36所示。10.3.3電路圖繪制同理在放置功能引腳模式下按住TAB鍵編輯引腳的屬性。10.3.3電路圖繪制首先設(shè)置該引腳為1號(hào)引腳，引腳名字為P0_0，將引腳放置在DA14580 左上角左側(cè)邊界。需要注意將Pin腳的電氣連接端(帶十字星標(biāo)記的一端)放置在外側(cè)，電氣連接端可與其他器件的Pin連接，如圖9-37所示。重復(fù)以上操作，根據(jù)DA14580手冊Pinout信息繪制出完整的運(yùn)力圖封裝如圖9-38所示(注意DA14580正中間還有一個(gè)功率地引腳，引腳號(hào)為0。到此DA14580的原理圖封裝繪制完畢。10.3.3電路圖繪制（3）畫PCB封裝接下來需要繪制所用到的元器件的PCB封裝，這里以繪制DA14580的PCB封裝為例作簡要介紹。打開ex_da14580.PcbLib，選擇AD21左下角PCBLibrary，點(diǎn)擊Add新建一個(gè)PCB封 裝項(xiàng)，雙擊新建的封裝項(xiàng)編輯封裝的名字，點(diǎn)擊OK確認(rèn)。如圖9-39所示：10.3.3電路圖繪制10.3.3電路圖繪制在DA14580的數(shù)據(jù)手冊中找到PackageInformation章節(jié)，找到DA14580QFN48封裝信息如圖9-40所示：10.3.3電路圖繪制根據(jù)手冊可知，DA14580外側(cè)的48個(gè)焊盤均是bxL的長方形焊盤，其中b最大為0.25mm，L最大為0.45mm。點(diǎn)擊AD21上方Place->Pad進(jìn)入焊盤放置模式，如圖9-41所示：10.3.3電路圖繪制在焊盤放置模式下按住TAB鍵編輯焊盤信息。10.3.3電路圖繪制如圖9-42所示，設(shè)置焊盤Designation為1，表示焊盤與原理圖中Designation同為1的引腳對應(yīng)。Layer中選擇TopLayer表示該焊盤為頂層焊盤，Shape中選擇Rectangular，將焊盤形狀改成矩形，并設(shè)置焊盤長寬為0.25mm和0.9mm(寬設(shè)置成0.9mm是為了方便焊接)。用鼠標(biāo)對準(zhǔn)1號(hào)焊盤，長按左鍵選擇1號(hào)焊盤(鼠標(biāo)正中間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)綠色十字星)，按住鍵盤空格鍵調(diào)整焊盤方向，如圖9-43所示(1號(hào)焊盤位于DA14580左上角左側(cè)，水平放置)：10.3.3電路圖繪制10.3.3電路圖繪制同理按照一樣的操作方式放置第二個(gè)焊盤，其中焊盤1和焊盤2在水平方向上對稱，垂直方向上間隔0.3mm，如圖9-44所示:10.3.3電路圖繪制最后，結(jié)合數(shù)據(jù)手冊的尺寸信息，繪制出DA14580完整PCB封裝，如圖9-45所示：10.3.3電路圖繪制選擇Place->Line，進(jìn)入線條繪制模式，按住TAB將線條設(shè)置為頂層絲印線條，如圖9-46所示：10.3.3電路圖繪制用該線條繪制出DA14580的機(jī)械外形輪廓，如圖9-47所示：到此，DA14580的PCB封裝繪制完畢。10.3.3電路圖繪制（4）原理圖封裝與PCB封裝關(guān)聯(lián)繪制完元器件的原理圖封裝和PCB封裝后，需要將元器件的原理圖封裝、PCB封裝關(guān)聯(lián)起來。打開ex_da14580.SchLib，選擇DA14580封裝項(xiàng)，點(diǎn)擊edit，找到Footprint屬性欄，點(diǎn)擊屬性欄下的Add為原理圖封裝關(guān)聯(lián)對應(yīng)的PCB封裝，如圖9-48所示：10.3.3電路圖繪制10.3.3電路圖繪制點(diǎn)擊Browse選項(xiàng)，在Libraries選項(xiàng)中選擇工程的PCB封裝庫—ex_da14580.PcbLib，選擇對應(yīng)的PCB封裝—DA14580，點(diǎn)擊OK完成關(guān)聯(lián)，如圖9-49所示：10.3.3電路圖繪制（5）原理圖繪制原理圖一般是分單元進(jìn)行繪制，各單元電路的設(shè)計(jì)需要參考元器件的數(shù)據(jù)手冊。本節(jié)內(nèi)容將以充電單元和電源單元為例，詳細(xì)介紹如何在AD21上繪制相關(guān)電路的原理圖，并附上其余單元的完整電路。打開ex_da14580.SchDoc文件，選擇Components，選擇本工程原理圖庫，找到TP4056，右鍵并選擇PlaceTP4056。在原理圖中合適位置放置TP4056。同理，依照參考設(shè)計(jì)，在TP4056外圍放置其余元器件，如圖9-50所示。10.3.3電路圖繪制10.3.3電路圖繪制點(diǎn)擊Place->PowerPort放置電源信號(hào)，如圖9-51所示。10.3.3電路圖繪制雙擊各器件和電源信號(hào)進(jìn)行屬性修改，TP4056電源輸入端更改為5V輸入(USB5V)，電源輸入限流電阻設(shè)置為0.43歐姆，輸入濾波電容更改為10UF。BAT引腳更改為電池輸入電壓VBAT，電池輸入旁路電容修改為10UF，充電指示燈限流電阻更改為1K。在原理圖頁面按快捷鍵CTRL+W進(jìn)入原理圖連線模式，在連線模式下將元器件的引腳、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)連接起來，同時(shí)修改各元器件的位號(hào)。 接著放置電池連接座，電池電壓通過二個(gè)電阻進(jìn)行分壓接到DA14580的一個(gè)ADC引腳上。選擇Place->NetLabel，進(jìn)入放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)模式，按住TAB鍵將網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)修改為P01(代表DA14580的P0_1引腳)，然后將該網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)放置于分壓節(jié)點(diǎn)處。 到此，TP4056外圍電路的原理圖已經(jīng)繪制完成。同理，參考TLV70033DDCT數(shù)據(jù)手冊中參考設(shè)計(jì)電路圖繪制好相關(guān)原理圖，最終充電與電源單元電路原理圖如圖9-52所示。10.3.3電路圖繪制10.3.3電路圖繪制其余單元電路設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)這里不再贅述，其余單元電路最終原理圖如圖9-53所示。10.3.3電路圖繪制10.3.3電路圖繪制（6）PCB布局與走線在繪制PCB之前，需要根據(jù)原理圖文件，生成對應(yīng)PCB版圖。PCB版圖中包含原理圖中用到的所有元器件的PCB封裝以及引腳的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)信息。打開原理圖文件，點(diǎn)擊Design->UpdatePCBDocumentex_da14580.PcbDoc，如圖9-55所示。10.3.3電路圖繪制10.3.3電路圖繪制點(diǎn)擊ExecuteChanges，如圖9-56所示。10.3.3電路圖繪制打開ex_da14580.PcbDoc，文件此時(shí)PCB文件內(nèi)已經(jīng)加載出了所有元器件的PCB封裝，如圖9-57所示：10.3.3電路圖繪制接著需要繪制PCB的外形，這里繪制一個(gè)12mmx31mm的矩形框作為手環(huán)PCB板的外形，后續(xù)元器件的布局、PCB走線都在PCB板外形內(nèi)進(jìn)行。在PCB繪制頁面下，先切換到KO層，然后點(diǎn)擊Place->Keepout->Track，在此模式下繪制一個(gè)矩形框，如圖9-58所示。10.3.3電路圖繪制選中剛繪制的矩形框，點(diǎn)擊Designe->BoardShape->Definefromselectedobjects。如圖9-58所示，黑色部分為目前的PCB板的實(shí)體。在進(jìn)行布局走線之前，需要對PCB設(shè)計(jì)的規(guī)則進(jìn)行適當(dāng)更改。點(diǎn)擊AD21上方Design->Rules，選擇PCB間隙規(guī)則選項(xiàng)，更改所有間隙限制尺寸最小為5mil；取消走線寬度限制；設(shè)置焊盤和覆銅連接風(fēng)格；取消元器件間隙限制。接下來進(jìn)行元器件布局，對準(zhǔn)元器件長按鼠標(biāo)左鍵即可鎖定元器件，此時(shí)可通過移動(dòng)鼠標(biāo)來拖動(dòng)元器件。10.3.3電路圖繪制10.3.3電路圖繪制如圖9-59所示是手環(huán)PCB頂層元器件布局情況，其中陶瓷天線靠近DA14580的RFIO放置，實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶振、系統(tǒng)時(shí)鐘、SPIFlash也是靠近DA14580同層放置，避免在走線的時(shí)候頻繁換層走線而影響信號(hào)質(zhì)量。圖9-60是PCB底層布局展示。10.3.3電路圖繪制USB座子主要用于代碼下載、調(diào)試，同時(shí)還可以接入U(xiǎn)SB電源給電池充電。由于USB座子占用體積比較大，因此將其放在PCB的底層，與DA14580所在平面分開，避免影響頂層關(guān)鍵信號(hào)的走線。同時(shí)電源單元的電路也將與USB座子一起放置在底層。MPU5060六軸傳感器也放在底層遠(yuǎn)離電源的區(qū)域。完成布局后，在PCB繪圖模式下按住快捷鍵CTRL+W進(jìn)入布線模式，手環(huán)PCB走線應(yīng)遵循：（1）PCB走線禁止出現(xiàn)銳角、直角。（2）優(yōu)先繪制電源、模擬信號(hào)(天線)和時(shí)鐘晶振信號(hào)線。電源走線盡量加粗，天線下方嚴(yán)禁走線和敷銅，晶振走線盡可能短，嚴(yán)禁換層走線。（3）同一網(wǎng)絡(luò)布線寬度應(yīng)保持一致。（4）旁路電容到相應(yīng)IC信號(hào)引腳的走線應(yīng)盡量短。手環(huán)PCB頂層、底層走線分別如圖9-61、圖9-62所示:10.3.3電路圖繪制10.3.3電路圖繪制10.3.3電路圖繪制走線完成以后還需要在各層鋪上地銅。選擇Place->PolygonPour進(jìn)入覆銅模式，分別在PCB頂層和底層沿著板邊繪制好覆銅的區(qū)域，手環(huán)PCB覆銅后最終樣式如圖9-63所示。項(xiàng)目小結(jié)本項(xiàng)目主要講解AltiumDesigner21版本軟件，包括下載、安裝AltiumDesigner21軟件，安裝好以后對軟件的設(shè)置、基本操作等等。在正式進(jìn)入智能光電產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)前，應(yīng)該掌握此軟件如何使用，由于AltiumDesigner21功能很龐大，因此本篇只做入門講解，掌握智能光電電路設(shè)計(jì)典型工作任務(wù)中具體工作任務(wù)要求的知識(shí)點(diǎn)與知識(shí)面即可。習(xí)題1、設(shè)計(jì)一個(gè)24V轉(zhuǎn)12V、5V、3.3V的電路。2、繪制STM32F407電路，含LED、按鍵、串口等。項(xiàng)目11智能光電綜合編程實(shí)踐學(xué)習(xí)目標(biāo)1、學(xué)會(huì)智能吸頂燈等設(shè)計(jì)與制作。2、學(xué)會(huì)智能環(huán)境測試系統(tǒng)的搭建。3、完成小米智能回收桶的改造。11.1智能吸頂燈應(yīng)用場景案例11.1.1功能設(shè)計(jì)（1）概述LED燈有著低電壓、低功耗、環(huán)保和使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，近年來逐漸取代白熾燈，成為人們生活中必不可少的冷光源照明設(shè)備。智能吸頂燈是由MCU控制的多彩色LED，它融入更多的智能因素，加入多彩變換、觸摸控制等多種形式設(shè)計(jì)而成。11.1.1功能設(shè)計(jì)2.應(yīng)用場景智能吸頂燈作為裝飾照明和氣氛制造LED光源產(chǎn)品，在現(xiàn)階段的各行業(yè)的照明應(yīng)用中，隨處可見，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、廣告、家庭、娛樂等行業(yè)場所。在娛樂設(shè)施的應(yīng)用中，如絢麗多彩的舞臺(tái)、酒吧、KTV等設(shè)施，智能吸頂燈因?yàn)槠浔旧戆l(fā)光顏色多樣、絢麗多彩，是各種娛樂設(shè)施創(chuàng)造氣氛，形成照明效果的最佳光源選擇。在家庭裝修應(yīng)用中，現(xiàn)代的家庭裝修風(fēng)格越強(qiáng)調(diào)光效果和家具的結(jié)合，智能吸頂燈基本上取代了傳統(tǒng)的燈泡照明，在很多地方使用智能吸頂燈制作照明效果，襯托了整個(gè)房屋布局的氣氛。酒店裝飾照明更是廣泛的應(yīng)用智能吸頂燈，酒店整體的照明根據(jù)區(qū)域和功能的不同，照明的需求也不同。不同顏色的智能吸頂燈應(yīng)用在酒店不同的環(huán)境中，提高了空間的設(shè)計(jì)感，創(chuàng)造出舒適、有魅力、功能性豐富的住宿環(huán)境。商超裝飾及展示道具時(shí)智能吸頂燈的應(yīng)用也是十分廣泛，應(yīng)用天花板暗溝的坡度和櫥柜的陳列架展示商品等場景，可以使空間分層美麗，提高消費(fèi)者的購物環(huán)境，根據(jù)各個(gè)場景的需求，突出產(chǎn)品，促進(jìn)消費(fèi)者的購買欲望。11.1.1功能設(shè)計(jì)3.系統(tǒng)功能智能吸頂燈具有豐富的調(diào)光調(diào)色功能，可調(diào)冷暖明暗，并且多種顏色可供選擇。智能吸頂燈控制方式多樣化，既可以利用遙控器開關(guān)，也可以通過手機(jī)APP來實(shí)現(xiàn)智能化控制開關(guān)燈并調(diào)色，或者通過聲音、人體感應(yīng)等多種方式開啟，為消費(fèi)者提供了更便捷、更人性化的家居服務(wù)。11.1.2硬件系統(tǒng)

本項(xiàng)目利用STM32口袋機(jī)驅(qū)動(dòng)WS2812彩燈模塊完成智能吸頂燈產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)用。智能吸頂燈采用25顆WS2812串行彩燈級(jí)聯(lián)，采用單總線級(jí)聯(lián)形式，標(biāo)準(zhǔn)工作電壓:DC5V，功率0.3W±0.01%，每個(gè)LED可顯示真彩24位色。項(xiàng)目采用STM32口袋機(jī)加WS2812彩燈模塊的最小硬件系統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)，項(xiàng)目最小系統(tǒng)圖如圖11-1所示。11.1.2硬件系統(tǒng)1.WS2812智能LEDWS2812是一個(gè)集控制電路與發(fā)光電路于一體的智能外控LED光源，其外型采用特殊的封裝工藝，將IC與發(fā)光芯片封裝在一個(gè)5mm*5mm*1.6mm的封裝尺寸中，每個(gè)元件即為一個(gè)像素點(diǎn)。像素點(diǎn)內(nèi)部包含了智能數(shù)字接口數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)整形放大驅(qū)動(dòng)電路，還包含有高精度的內(nèi)部振蕩器和可編程定電流控制部分，有效保證了像素點(diǎn)光的顏色高度一致。WS2812內(nèi)置上電復(fù)位、掉電復(fù)位和信號(hào)整形電路，任何一個(gè)像素點(diǎn)收到信號(hào)后經(jīng)過波形整形再輸出，保證線路波形畸變不會(huì)累加。每個(gè)像素點(diǎn)的三基色顏色可實(shí)現(xiàn)256級(jí)亮度顯示，完成16777216種顏色的全真色彩顯示，對掃描頻率的要求不低于400Hz/s。采用串行級(jí)聯(lián)接口，能通過一根信號(hào)線完成數(shù)據(jù)的接收與解碼。任意兩點(diǎn)傳傳輸距離在不超過5米時(shí)無需增加任何電路。當(dāng)刷新速率30幀/秒時(shí)，低速模式級(jí)聯(lián)數(shù)不小于512點(diǎn)，高速模式不小于1024點(diǎn)。數(shù)據(jù)發(fā)送速度可達(dá)800Kbps，并且光的顏色高度一致。單顆WS2812實(shí)物及引腳圖如圖11-2所示11.1.2硬件系統(tǒng)11.1.2硬件系統(tǒng)WS2812有4個(gè)引腳，分別是VDD、DOUT、VSS、DIN，其中VDD和VSS為電源引腳，分別接電源正極和GND，DOUT為數(shù)據(jù)輸出引腳，DIN為數(shù)據(jù)輸入引腳。WS2812芯片不是給電就能點(diǎn)亮的，而是需要特定的高低電平時(shí)序，以下為具體的參數(shù)。如圖11-3所示。11.1.2硬件系統(tǒng)圖11-3就是RGB燈識(shí)別0、1碼的具體表現(xiàn)形式。在一個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)接收到的信號(hào)高電平占T0H時(shí)間，低電平占T0L時(shí)間，那么就表示接收到一個(gè)0數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)周期內(nèi)接收到的高電平占T1H時(shí)間，低電平占T1L時(shí)間，就表示收到一個(gè)1數(shù)據(jù)。在分析RGB驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，使用一個(gè)周期內(nèi)的占空比來確定接收到的是1值還是0值。具體的周期和占空比，圖13-3為器件手冊里的參數(shù)。當(dāng)要傳輸0值，高電平持續(xù)時(shí)間在220ns-380ns之間，低電平持續(xù)時(shí)間在580ns-1us之間，這個(gè)時(shí)間還是比較短的，在數(shù)據(jù)手冊中給定的是800k的傳輸速率，計(jì)算一下1.25us，這個(gè)大約就是傳輸一個(gè)1值或者0值的周期?？梢?，需要MCU的主頻足夠高這個(gè)傳輸才可以正確傳輸。11.1.2硬件系統(tǒng)這里使用STM32的最低主頻72MHz，能滿足時(shí)序要求。另外對于RESET信號(hào)要求，它的時(shí)序是非常重要的，當(dāng)24bit數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，此時(shí)燈是不會(huì)亮的，它需要有一個(gè)大于280us的低電平過來，然后才會(huì)將剛剛發(fā)送過來的24bit數(shù)據(jù)應(yīng)用到燈上，而這個(gè)低電平就是需要的RESET信號(hào)，需要它才能成功點(diǎn)亮WS2812。由此可見WS2812對時(shí)序是要求比較嚴(yán)格的，需要到ns級(jí)別，也可以看到發(fā)0碼的時(shí)序和發(fā)1碼的時(shí)序是剛好相反的。11.1.2硬件系統(tǒng)2.數(shù)據(jù)格式要求WS2812需要MCU在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)是按照GRB的順序高位先發(fā)的，如圖11-4所示。11.1.2硬件系統(tǒng)數(shù)據(jù)是從連接的MCU的那個(gè)IO口輸出的，如果只連接了一個(gè)RGB燈，那么需要從這個(gè)IO口輸出一個(gè)24位的數(shù)據(jù)，即一個(gè)3字節(jié)的數(shù)據(jù)，這個(gè)24位的數(shù)據(jù)就是用來表示一個(gè)燈需要顯示的顏色。因?yàn)楣獾娜褪荝GB(REDGREENBLUE),有了三原色就可以組合成各種各樣的顏色。每個(gè)顏色占8個(gè)位，需要注意的是，通常都是直接說RGB色，這里燈珠傳輸?shù)念伾珨?shù)值，順序是GRB。需要讓燈亮綠色，就發(fā)送0xff0000，當(dāng)需要亮紅色，就發(fā)送0x00ff00，藍(lán)色0x0000ff。如果想要其他顏色，改變這里的值即可。11.1.2硬件系統(tǒng)上面是點(diǎn)亮一個(gè)WS2812燈所需的數(shù)據(jù)字節(jié)格式。如果需要亮兩個(gè)，就讓的IO口輸出兩個(gè)24bit數(shù)據(jù)就可以了。當(dāng)IO口輸出兩個(gè)24bit數(shù)據(jù)后，第一個(gè)24bit數(shù)被第一個(gè)燈留下了，這個(gè)燈會(huì)自動(dòng)的將剩下的24bit的數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)到后面去，后面的第二個(gè)燈可以接收到了。同理，如果有4個(gè)燈，就要發(fā)送4個(gè)24bit數(shù)據(jù)，這個(gè)應(yīng)該可以理解了。有幾個(gè)燈，就發(fā)送幾個(gè)24bit數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目采用25顆WS2812燈珠串聯(lián)設(shè)計(jì)，STM32對其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，除了對時(shí)序的要求外，每次需要發(fā)送25個(gè)24bit的數(shù)據(jù)。11.1.2硬件系統(tǒng)3.模塊硬件原理圖WS2812模塊原理圖如圖11-5所示，WS2812模塊的DIN與STM32的PB5相連接。11.1.3程序設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮和通過STM32口袋機(jī)的觸摸按鍵修改WS2812模塊的顯示顏色，需要對STM32的通用I/O模擬的串行數(shù)據(jù)接口進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，使之符合WS2812數(shù)據(jù)格式，才能正確點(diǎn)亮WS2812模塊，并根據(jù)對應(yīng)的觸摸按鍵顯示不同的顏色。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖11-6所示。設(shè)計(jì)人員已經(jīng)設(shè)計(jì)出驅(qū)動(dòng)WS2812模塊的若干函數(shù)，如向2812燈珠發(fā)送1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的函數(shù)send_one_LED_fun_by_GRB(u8GG,u8RR,u8BB)、同時(shí)寫25顆2812燈珠數(shù)據(jù)的函數(shù)send_LED_25_by_GRB_fun(u8GG,u8RR,u8BB)、設(shè)置25顆2812燈珠顏色函數(shù)LED_COLOR_fun(u32color)等，只需要調(diào)用即可。11.1.3程序設(shè)計(jì)11.1.3程序設(shè)計(jì)（1）主函數(shù)模塊主函數(shù)模塊里完成USART、LCD、SPI接口的初始化，定義里用到的STM32通用I/O初始化后，進(jìn)入while(1)循環(huán)函數(shù)一直運(yùn)行。11.1.3程序設(shè)計(jì)11.1.3程序設(shè)計(jì)11.1.3程序設(shè)計(jì)（2）GPIO初始化相關(guān)函數(shù)GPIO初始化函數(shù)，用于LCD能正確工作顯示信息前相關(guān)GPIO口、時(shí)鐘等各種寄存器等的初始化設(shè)置。11.1.3程序設(shè)計(jì)11.1.4系統(tǒng)功能調(diào)測11.1.4.1程序編譯與功能調(diào)測焊接好的由25個(gè)WS2812組成的PCB板實(shí)物如圖11-7所示。11.1.4系統(tǒng)功能調(diào)測進(jìn)行調(diào)測前，先將WS2812模塊PCB板連接STM32口袋機(jī)和多功能板。在Keil編譯環(huán)境中打開項(xiàng)目文件，整個(gè)項(xiàng)目的工程文件見程序文件部分。編譯無誤后，連接J-Link下載器將程序下載到口袋機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)由JC-Link的USB連接口提供電源，程序運(yùn)行后WS2812模塊被點(diǎn)亮，如圖11-8所示。11.1.4系統(tǒng)功能調(diào)測11.1.4.2產(chǎn)品設(shè)計(jì)與應(yīng)用應(yīng)用上述硬件設(shè)計(jì)和程序工程文件，考慮形狀、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)修改，就可以設(shè)計(jì)出實(shí)用的產(chǎn)品，如圖11-9所示。11.1.4系統(tǒng)功能調(diào)測實(shí)際使用的智能吸頂燈是在簡易設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，通過大數(shù)量的LED經(jīng)過串聯(lián)形成燈帶，然后通過多條燈帶并聯(lián)組合使用，根據(jù)LED串聯(lián)的個(gè)數(shù)與并聯(lián)燈帶的條數(shù)，由處理器對其進(jìn)行編程控制顯示，實(shí)現(xiàn)多彩變換效果。具有通信控制接口的處理器和可控多彩LED構(gòu)成的實(shí)用型智能吸頂燈產(chǎn)品系統(tǒng)功能框圖如圖11-10所示。11.1.4系統(tǒng)功能調(diào)測智能吸頂燈有著極其廣泛的用途，在商業(yè)、廣告、家庭、娛樂等各種場所，其顏色豐富、絢麗多彩，是營造氣氛，形成多種照明效果的最佳光源選擇。11.2.1功能設(shè)計(jì)

11.2.1.1概述智能環(huán)境探測系統(tǒng)一般采用溫濕度傳感器對環(huán)境溫濕度進(jìn)行檢測，自動(dòng)實(shí)時(shí)感知空氣中的溫度和濕度，經(jīng)由處理器變換成電信號(hào)或其他所需形式進(jìn)行信息輸出的系統(tǒng)。11.2.1.2應(yīng)用場景智能環(huán)境探測系統(tǒng)在只能家居、工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品加工、醫(yī)藥儲(chǔ)存等領(lǐng)域有著廣泛的用途。11.2.1功能設(shè)計(jì)在智能家居行業(yè)，智能環(huán)境探測系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測到室內(nèi)的溫濕度，控制器會(huì)根據(jù)檢測到的溫濕度來控制是否啟動(dòng)空調(diào)、加濕器等來調(diào)控室內(nèi)的溫濕度。在食品行業(yè)，環(huán)境溫濕度對于食品儲(chǔ)存來說至關(guān)重要，溫濕度的變化會(huì)帶來食物變質(zhì)，引發(fā)食品問題，溫濕度的監(jiān)控和調(diào)節(jié)有利于食品保鮮和儲(chǔ)存；食品運(yùn)輸時(shí)為保證食品或制品在儲(chǔ)運(yùn)過程中的安全需要，利用溫濕度傳感器對溫濕度的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，以確保其質(zhì)量。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，智能環(huán)境探測系統(tǒng)多應(yīng)用于溫室大棚，植物的生長對于溫濕度要求極為嚴(yán)格，不當(dāng)?shù)臏貪穸认?，植物?huì)停止生長，配合氣體傳感器，光照傳感器等可組成一個(gè)數(shù)字化大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，控制農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的相關(guān)參數(shù)，從而使大棚的效率達(dá)到極致。根據(jù)國家相關(guān)要求，藥品保存須按照相應(yīng)的溫濕度進(jìn)行控制，智能環(huán)境探測系統(tǒng)的應(yīng)用，配合空調(diào)等聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，能保證藥品存儲(chǔ)始終處于合適的環(huán)境溫度范圍。在工業(yè)制造過程中，存儲(chǔ)物品以及重要設(shè)備的倉庫和廠房，需要實(shí)時(shí)檢測溫濕度,并根據(jù)所測的數(shù)據(jù)控制排風(fēng)扇、空調(diào)器等設(shè)備的運(yùn)行,確保倉庫通風(fēng)良好,并有合適的溫度環(huán)境。11.2.1功能設(shè)計(jì)11.2.1.3系統(tǒng)功能在這個(gè)科技迅速發(fā)展的時(shí)代，擁有一個(gè)舒適的生活和工作環(huán)境是每個(gè)人所期望的，智能環(huán)境探測系能實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫濕度等相關(guān)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，且具有功耗低，可靠性高，體積小巧，安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，或是融入其他家庭智能設(shè)備聯(lián)動(dòng)，在提升人們的生活質(zhì)量和引導(dǎo)人們健康生活方面發(fā)揮著巨大的作用。11.2.2硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)本項(xiàng)目硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用不包含控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，傳感器采用DHT11型溫濕度傳感器，通過單總線接口與STM32處理器的通用I/O模擬的單總線接口連接，實(shí)現(xiàn)STM32對DHT11溫濕度傳感器的讀寫設(shè)置實(shí)現(xiàn)獲取數(shù)據(jù)，然后通過SPI總線將采集的溫濕度傳感器數(shù)據(jù)顯示在LCD上。重點(diǎn)學(xué)習(xí)DHT11溫濕度傳感器及其STM32驅(qū)動(dòng)方法，掌握傳感器的功能和基本工作原理，通過STM32驅(qū)動(dòng)DHT11，從而實(shí)現(xiàn)溫濕度傳感器采集設(shè)計(jì)。DHT11溫濕度傳感器是集成溫度和濕度于一體式元件，通過MCU將溫度和濕度信號(hào)采集到后，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波、運(yùn)算放大、非線性校正、恒流等電路處理后，轉(zhuǎn)換成與溫度和濕度成線性關(guān)系的電流信號(hào)或電壓信號(hào)，常通過主控芯片串口、SPI等接口輸出。項(xiàng)目簡易系統(tǒng)圖如圖11-11所示。11.2.2硬件系統(tǒng)11.2.2.1溫濕度傳感器溫濕度傳感器通過檢測裝置，測量到溫濕度后，按一定的規(guī)律變換成電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出。由于溫度與濕度不管是從物理量本身還是在實(shí)際人們的生活中都有著密切的關(guān)系，所以溫濕度一體的傳感器就會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生。溫濕度傳感器指能將溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測量處理的電信號(hào)的設(shè)備或裝置。11.2.2.2DHT11溫濕度傳感器DHT11是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器。精度為濕度+-5%RH，溫度+-2℃，量程濕度20-90%RH，溫度0~50℃。內(nèi)部含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的數(shù)字溫濕度傳感器，它用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，有極高的可靠性和長期穩(wěn)定性。實(shí)物如圖11-12所示。11.2.2硬件系統(tǒng)11.2.2硬件系統(tǒng)DHT11傳感器內(nèi)部包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號(hào)后的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷，極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，其引腳定義如圖11-13所示。11.2.2硬件系統(tǒng)DHT11的工作電壓為3－5.5VDC，傳感器上電后，要等待1s以越過不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個(gè)100nF的電容，用以去耦濾波。DHT11模塊的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)如圖11-14所示。11.2.2硬件系統(tǒng)DHT11模塊的DATA引腳與處理器連接，溫濕度的數(shù)據(jù)獲取只和這個(gè)引腳有關(guān)，DATA引腳用于處理器與DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間4ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展，現(xiàn)讀出為零。操作流程如下：一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。數(shù)據(jù)格式為：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和。其中數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”結(jié)果的低8位。STM32發(fā)送一次開始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待STM32開始信號(hào)結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集，開發(fā)者可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。從模式下，DHT11接收到開始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到STM32發(fā)送開始信號(hào)，DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集。采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式，通訊過程1如圖11-15所示。11.2.2硬件系統(tǒng)11.2.2硬件系統(tǒng)總線空閑狀態(tài)為高電平，主機(jī)把總線拉低等待DHT11響應(yīng)，主機(jī)把總線拉低必須大于18毫秒，保證DHT11能檢測到起始信號(hào)。DHT11接收到STM32的開始信號(hào)后，等待STM32開始信號(hào)結(jié)束，然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號(hào)。STM32發(fā)送開始信號(hào)結(jié)束后，延時(shí)等待20-40us后，讀取DHT11的響應(yīng)信號(hào)，STM32發(fā)送開始信號(hào)后，可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可，總線由上拉電阻拉高。通訊過程2如圖11-16所示。11.2.2硬件系統(tǒng)11.2.2.3模塊硬件原理圖溫濕度模塊原理圖如圖11-17所示，DHT11模塊的DATA引腳連接到了STM32的PE13，調(diào)試LED的控制引腳連接到STM32的PB13。11.2.3程序設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度信息采集，需要對STM32的通用I/O模擬的單總線接口進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，使之符合DHT11設(shè)置和數(shù)據(jù)讀取需要的時(shí)序，才能正確讀取到溫濕度數(shù)據(jù)。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖11-18所示。11.2.3程序設(shè)計(jì)11.2.3.1頭文件定義頭文件里定義了濕度數(shù)據(jù)數(shù)組HUMI[2]、溫度數(shù)據(jù)數(shù)組TEMP[2]，相關(guān)標(biāo)志位，連接DATA的STM32通用I/O，以及連接LED的STM32通用I/O。11.2.3程序設(shè)計(jì)11.2.3.2主要函數(shù)本次實(shí)驗(yàn)需要用到若干如表11-1所示的，已經(jīng)設(shè)計(jì)好的函數(shù)，學(xué)習(xí)者直接調(diào)用即可。11.2.3程序設(shè)計(jì)11.2.3.3主函數(shù)模塊主函數(shù)模塊里完成LCD、SPI接口的初始化，定義里用到的STM32通用I/O初始化后，進(jìn)入while(1)循環(huán)函數(shù)一直運(yùn)行。11.2.3程序設(shè)計(jì)11.2.3程序設(shè)計(jì)11.2.3.4溫濕度配置模塊溫濕度采集模塊有溫濕度傳感器初始化函數(shù)，溫濕度傳感器讀取寄存器函數(shù)和溫濕度傳感器獲取數(shù)據(jù)函數(shù)。11.2.3程序設(shè)計(jì)11.2.3程序設(shè)計(jì)11.2.3程序設(shè)計(jì)11.2.3程序設(shè)計(jì)11.2.3.5溫濕度采集模塊溫濕度采集模塊有溫濕度傳感器初始化函數(shù)，溫濕度傳感器讀取寄存器函數(shù)和溫濕度傳感器獲取數(shù)據(jù)函數(shù)。11.2.3程序設(shè)計(jì)11.2.3程序設(shè)計(jì)11.2.3程序設(shè)計(jì)11.2.4系統(tǒng)功能調(diào)測11.2.4.1程序編譯與功能調(diào)測焊接好的溫濕度PCB板實(shí)物如圖11-19所示。11.2.4系統(tǒng)功能調(diào)測進(jìn)行調(diào)測前，先將溫濕度PCB板連接STM32口袋機(jī)和多功能板。在Keil編譯環(huán)境中打開項(xiàng)目文件，整個(gè)項(xiàng)目的工程文件見程序文件部分。編譯無誤后，連接JC-Link下載器將程序下載到口袋機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)由JC-Link的USB連接口提供電源，程序運(yùn)行后溫濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)在口袋機(jī)LCD上顯示，如圖11-20所示。在屏幕上顯示解碼后的數(shù)據(jù)，濕度：74%，溫度25.9攝氏度。11.2.4系統(tǒng)功能調(diào)測11.2.4.2產(chǎn)品設(shè)計(jì)與應(yīng)用應(yīng)用上述硬件設(shè)計(jì)和程序工程文件，考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)修改，就可以設(shè)計(jì)出實(shí)用的產(chǎn)品。如圖11-21所示。11.2.4系統(tǒng)功能調(diào)測實(shí)用型智能環(huán)境探測系統(tǒng)除了通過溫濕度傳感器完成對環(huán)境溫濕度的數(shù)據(jù)采集外，還包含有數(shù)據(jù)通信傳輸接口，由處理器轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，或者變換成電信號(hào)進(jìn)行傳輸，根據(jù)控制需要還可以增加相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。包含數(shù)據(jù)傳輸和聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)功能框圖如圖11-22所示。11.2.4系統(tǒng)功能調(diào)測智能環(huán)境探測系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，圖書館的溫度需保持在5-25℃，以25%-60%為宜，環(huán)境溫度濕度作為圖書館的一項(xiàng)重要環(huán)境指標(biāo)，良好的溫濕度環(huán)境能保障圖書的保存質(zhì)量，決定著館內(nèi)存放書籍的使用期限，所以對圖書館溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測、監(jiān)控、管理是很重要的。11.3小米智能回收桶改造訓(xùn)練前面已經(jīng)學(xué)習(xí)了智能光電開發(fā)的相關(guān)流程，也已經(jīng)完成了智能吸頂燈應(yīng)用場景設(shè)計(jì)和智能環(huán)境探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本節(jié)內(nèi)容是改造設(shè)計(jì)一個(gè)更加具體的案例，完整的演示智能光電相關(guān)開發(fā)的全部流程，幫助大家進(jìn)一步掌握智能光電產(chǎn)品各環(huán)節(jié)內(nèi)容。本單元將對傳統(tǒng)垃圾桶進(jìn)行改造，增加智能化功能，并通過無線通信的方式實(shí)現(xiàn)對智能回收桶的控制，主要內(nèi)容有：智能回收桶的功能設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)、通信協(xié)議、程序編寫等。根據(jù)控制協(xié)議可以通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對智能回收桶的控制，也可以通過應(yīng)用場景部署平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，方便快捷的獲取回收桶相關(guān)狀態(tài)的數(shù)據(jù)和對智能回收桶進(jìn)行智能化管理。11.3.1功能設(shè)計(jì)智能光電產(chǎn)品已經(jīng)開始滲透進(jìn)入到人們的日常生活當(dāng)中，在傳統(tǒng)垃圾桶的基礎(chǔ)上,通過改造實(shí)現(xiàn)功能更豐富且智能化的智能回收桶頗具意義。下面對智能回收桶進(jìn)行如下功能設(shè)計(jì)，如下表11-2所示。11.3.1功能設(shè)計(jì)通過對傳統(tǒng)垃圾桶進(jìn)行功能改造，形成具有觸摸按鍵一鍵打包、自動(dòng)換袋、紅外感應(yīng)開合、LED燈光控制、蜂鳴器報(bào)警、超載檢測、無線端點(diǎn)、可燃?xì)怏w檢測、溫度檢測、檢測震動(dòng)開啟小蓋等功能豐富的智能回收桶。對部分功能詳細(xì)描述如下：11.3.1功能設(shè)計(jì)11.3.1.1紅外感應(yīng)開蓋功能在智能回收桶的上蓋邊上有一個(gè)紅外反射式距離傳感器，當(dāng)有物體靠近時(shí)，智能回收桶的小蓋自動(dòng)開啟小蓋會(huì)自動(dòng)開區(qū)，