Protel 2004 电路设计与应用 教学课件 ppt 作者 曾春 项目六

1、项目6,电机转速控制电路PCB设计,6.1 项目描述,1. 电机转速控制电路概述 在各类机电设备中，直流电机由于其结构的特殊性使它具有良好的起动、制动和调速性能。直流调速技术已广泛应用于现代工业、航天等各个领域。传统的直流调速系统硬件设备极其复杂，安装调试困难，相对故障率高。本项目是利用单片机实现的电机转速控制及限速报警系统，其控制方案主要靠软件实现。 电路功能：以单片机为核心，通过红外发射接收管作为速度信号检测元件，用它对电机的转速进行测量，然后用数码管把电机的转速显示出来，同时还要将测得的转速值与单片机内设定的转速值进行比较，当电机转速超过设定的最大转速时单片机驱动报警电路报警同时让电机降速，当电机转速低于设定的最低转速时单片机让电机加速，并一直循环下去。 电机转速控制广泛应用于工业和交通控制领域，是单片机应用电路的典型范例。本项目通过以下几个任务模拟其主要功能： （1）利用单片机AT89C52作为主控芯片，实现对速度物理量的测量，以实现对速度控制的目的。 （2）利用红外传感器对电机转速进行采集。 （3）利用数码管显示电机转速。 （4）当电机转速高于最大值时报警并通过单片机控制电机

2、减速，当电机转速低于最低值时通过单片机让电机加速，周而复始的循环。,2. 电路的方案，如图6-1所示。,图6-1 系统框图,该方案中，电源电路主要是提供整个系统所需的电源，单片机作为核心控制芯片，转速检测电路检测出电机转速，单片机根据电压信息加以运算得到不同的转速，并驱动显示器件显示实时转速大小，再将实时转速与设定的转速值比较，输出不同的信号控制电机驱动电路进而调整电机的速度。当获得的实时速度超过设定的最大速度值时，单片机驱动报警电路报警并通过调节驱动直流电机的信号来减小电机转速，当电机转速低于最低值时，单片机调节驱动直流电机的信号使电机加速。,3. 部分电路与整体电路,(1) 红外传感器 它的基本原理就是当发射管发射的光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。因此可以制作一个实心车轮，轮上焊N个与轮心等距的孔，当轮子转动时，红外发射管发出的红外信号被周期性的挡住，就会产生脉冲信号，测得单位时间内的脉冲个数并除以N，就得到轮子的转速，如图6-2所示。,图6-2 红外传感器电路符号,(2)电源电路，如图6-3所示。,图6-3 电源部分原理图电路,（3）脉冲信号处理电路,通过红外传感器得到的

3、脉冲信号由LM324运放构成的比较器进行放大，并输入至单片机P3.5口，进行中断计数，如图6-4所示。,图6-4 脉冲信号放大原理图,(4) 直流电机驱动电路,直流电机的额定工作电流较大，单片机送出的控制信号必须经过多级放大才能驱动电机转动，如图6-5所示。,图6-5 电机驱动电路原理图,（5） 整体电路，如图6-6所示。,图6-6 整体原理图,6.2 项目资讯,6.2.1 复杂电路的PCB板型设计 复杂PCB板一般适用于大型集成电路设计，有专用的一些样板模型，可以通过的PCB板向导编辑器来创建，下面介绍一个例子。 首先用“VIEW”菜单打开“file”窗口，如图6-7所示。,图6-7 打开“file”窗口,在“new from template”的最后，找到“pcb broad wizard”项，如图6-8所示。,图6-8 “PCB Board Wizard”项,点击此项，即可进入PCB板创建界面，如图6-9所示。,图6-9 PCB创建向导对话框,点击“next”按钮，出现尺寸单位选择询问框，在对应的尺寸单位处打上点即可，如图6-10所示。,图6-10 PCB 尺寸单位对话框,点击“

4、next”按钮即可进入板型选择询问对话框，如图6-11所示。,此对话框中有60多种PCB样板可供选择，覆盖了主流应用的需求，囊括了IT类常用板卡外形。点击相应的板型，右边会出现预览图。,图6-11 PCB板型对话框,选定所需板型后，点击“next”，进入板的层数设定对话框，如图6-12所示。,图6-12 PCB层数对话框,我们前面介绍的重点是双层板的PCB设计，但多层板也是PCB大家族的重要一员，多层板往往具有更复杂的电气布局和布线，更细致的电源和信号线划分，更严格的阻抗匹配，多层板往往将信号部分与电源部分通过分层的排布避免相互干扰。在图6.12中，有信号层（signal）和电源(power)层的设定，信号层默认为2，每次点击旁边增加2，最小为2；电源层默认也是2，每次点击会增加2，最小为0。如果需要奇数板层，可以直接编辑对应数字，需要说明的是，双层板就是信号层为2和电源层是0的PCB板。,选好板层数目后，点击“next”，进入导孔设置对话框，如图6-13所示。,图6-13 导孔类型对话框,导孔又称过孔，是PCB板上的重要图件，涉及到元件的实物焊接，它分三种：从顶层到底层的穿透式导孔，

5、即通孔；从顶层到内层或从内层到底层的盲孔；内层间的屏蔽孔。双层板上的导孔都是通孔，它有导孔直径和通孔直径两个尺寸，盲孔只能应用在三层或三层以上的PCB板中。 再点击“next”，进入元件类型选择对话框，主要有双列直插和表贴式元件两大类，如图6-14所示。,图6-14 元件类型选择对话框,接下来，是走线宽度和导孔具体尺寸对话框，如图6-15所示。,图6-15 具体尺寸对话框,根据向导提示做完所有步骤后，即可完成PCB板的定型工作，得到相应的PCB板，如图6-16，6-17所示。,图6-16 完成PCB定型,6-17 刚刚创建的PCB板,6.2.2 PCB板实用工艺技巧,1. 实物工艺知识 （1）波峰焊 波峰焊是将熔融的液态焊料借助泵的作用在焊料槽液面形成特定形状的焊料波，插装（贴装）了元器件的PCB置于传送链上经过某一特定的角度以及一定的浸入深度直线穿过焊料波峰而实现焊点焊接的过程，如图6-18所示。,图6-18 波峰焊工艺图,助焊剂作用： 1）除去焊接表面的氧化物 2）防止焊接时焊料和焊接表面再氧化 3）降低焊料的表面张力 4）有助于热量传递到焊接区 （2） 插装（THT）的工艺流程如

6、图6-19所示。,图6-19 THT工艺流程,（3）元件引脚成形 元件引脚成形是指根据元器件在印制板上的安装形式，对元器件的引线进行整形，使 之符合在印制板上的安装孔位。元件引脚成形有利于提高装配质量和生产效率，使安装到印制板上的元器件美观。元件成形的弯曲要求如下，如图6-20所示。 1）引线弯曲的最小半径不得小于引线直径的2倍，不能“打死弯”； 2）引线弯曲处距离元器件本体至少在2mm以上，绝对不能从引线的根部开始弯折。,图6-20 元件引脚弯曲示例,（4）双面插贴混装工艺,除了双列直插的PCB板外，SMT贴装是目前PCB板的重要装配工艺。两者的混合贴装更是主流工艺。如图6-21所示。,图6-21 双层混合贴装工艺流程,（5）焊点质量判定标准,根据IPCA-610D电子组装件的验收条件，大多数民用级电路板可采用如下标准验收：即元件脚伸出PCB 0.751.5毫米，或为10.25毫米；锡不能将脚包完头可见；焊锡与PCB平面夹角30度；无缺锡、拉尖、空洞，应光亮、均匀。 2. PCB板设计应避免的实用性问题 （1）PCB的长边上各留一5毫米的工艺边，不设立元件，如图6-22所示。 在生产

7、过程中，长边可能用于固定或支撑（在装配流水线上）PCB板，元件应离开此区域一定距离才能避免损伤。,图6-22 PCB板长边各保留5毫米,（2）在PCB的任意三角上设立光学识别点（通常圆形为主），直径1-2毫米，如图6-23所示。,光学式别点用于自动装配线的坐标定位，三个光学点足够定位PCB平面上任意位置，集成元件（IC区）两端的光学点用于防止元件与IC区的放置重合。,图6-23 PCB边角上的光学识别点,（3）焊盘上不能设计过孔，也不能设计字符，如图6-24所示。,焊盘是用于焊接的区域，放置过孔会造成漏锡，焊接失败或形成意外短路；焊盘上的字符会被元件引脚和焊锡遮盖，无法看到。,图6-24 焊盘设计的错误做法,（4）注意集成元件的封装型号,元件的封装有宽和窄两大类，在同一个PCB板上如果用到的集成元件包含这两类如图6-25所示，则设计时应格外引起注意，合理设计元件的焊盘距离，防止焊接失败。,图6-25 注意集成元件的封装宽窄,（5）焊盘设计的端头应为可见的，即应向外留出0.8-1mm距离，左右等宽，如图6-26所示。,这样做一是留有足够的焊盘区间方便焊接，二是美观。,图6-26 焊盘可见

8、工艺示意图,（6）压接钉及装配螺钉附近不能设计元件周围5毫米内，以免损伤，如图6-27所示。,图6-27 钉子周围5mm不放元件,（7）元件下如有过孔一定要阻焊，如果不阻焊会导致焊接时出现短路，如图6-28所示。,图6-28 元件下的过孔要阻焊,（8）对于高压或大电流（强信号）线路要有镂空隔离，以保证安全，如图6-29所示。,图6-29 用镂空的办法隔离强信号线,6.2.3 层次原理图与元件报表,1. 单片机电机转速报警系统的层次原理图 关于层次图的画法，在前面的项目4已经讲过，这里就直接给出图例6-30，6-31，6-32，6-33，6-34。,图6-30 顶层图,图6-31 电源子图,图6-32单片机子图,图6-33电机控制子图,图6-34 层次图的文件结构,2. 元件报表,使用“report-bill of materials”命令，即可得到整体的元件清单，如图6-35，6-36所示。,图6-35 报告元件清单命令,图6-36 元件清单列表,也可以用“report-simple bom”命令，给出元件分类的报表，如图6-37所示。,在的层次原理图中，在主图或任意子图中点击“rep

9、ort”命令，都将报告整体元件情况而不是部分元件情况。,图6-37 元件分类列表,6.3 项目实施,6.3.1 原理图的仿真 “Simulate”是中进行仿真编译的命令项。仿真编译和电气检查不同的是它需要给出所有电路元件的仿真参数，比如电阻的具体阻值。这个参数可以通过修改默认值得到（电阻默认值为1K），也可以在元件属性对话框中设置。以电阻元件为例，如图6-38所示。,图6-38 某电阻元件属性对话框,选择对话框右下方的“EDIT”按钮，出现如图6-39所示的参数设置选项卡。,在“Value”栏中输入具体阻值即可。 其他独立元件，如电容，也是按相同方法设置仿真参数。“Miscellaneous Devices”作为默认元件库，里面集合了绝大多数常规独立元件，并提供其仿真特性，所以无需对仿真属性对话框进行太多的设置，往往只需要设一个值就可以了。 集成元件的仿真特性来自其所在的元件库，只要能查到原理图符号和PCB封装的元件，都可以进行电路仿真。,图6-39 电阻元件仿真参数选项卡,除了各种元件，电路当中当然也离不开激励源。仿真激励源同样必须给出它的值，不能像电气检查那样用VCC图件代替。我们可以在工具栏中，展开仿真电源快捷图标，如图6-40所示。,图6-40 仿真电源下拉选项,图6-40中包含有直流源，交流源，还有脉冲源，点击这些电源符号，在图纸上会得到如图6-41这样的激励源。,图6-41 直流和交流激励源,直流源一般给出电压值就可以了，而交流源需要给出更多的信息，这就需要进入它的仿真属性对话框，如图6-42所示。,在上面的对话框中，可以设置激励源频率，相位，直流幅度，交流幅度等参数值。,图6-42 交流源仿真属性对话框,现在，我们将层次原理图中的所有元件和激励源设置好，如图6-43所示。,图6-43 设置了激励源的主图,仿真两个字是比较笼统的，实际的仿真需要具体到每个电路，每个元件。因此，点击“仿真”命令后，会出现仿真需求对话框。如图6-44所示。,图6-44 仿真命令菜单,点击此命令菜单后，对应原理图中会弹出如下仿真信号选择对话框，如图6-45所示。,图6-45 仿真信号对话框,上面的对话框左边是仿真分析方法，右边是原理图的电气网络节点名，需要添加直接使用，等符号就可以一次添加或删除多个节点。另外，支持多达

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