項目10智能光電電路設(shè)計實戰(zhàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)1、學(xué)會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)計智能回收桶電路。3、設(shè)計智能手環(huán)電路。項目10智能光電電路設(shè)計實戰(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估后，就是要對主控芯片、外圍電路進行選型，主控芯片涉及資源、存儲容量及速度、IO口分配、接口資源、外圍電路的可靠性等進行具體分析和對比。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)計和PCB設(shè)計。原理圖設(shè)計：電路原理圖是指說明電路中各個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)計方案轉(zhuǎn)化為各部分功能的原理圖。PCB圖設(shè)計：PCB圖是用來安裝、固定各個實際電路元器件并用銅箔進行走線，實現(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，然后進行板子外形設(shè)計、布局，并實際要求進行布線，最后完成PCB圖的繪制，然后進行PCB投板，完成PCB加工生產(chǎn)。項目10智能光電電路設(shè)計實戰(zhàn)PCB設(shè)計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，會非常詳細的給開發(fā)設(shè)計人員提出PCB相關(guān)的要求，最大程度滿足PCB電路板的可實施生產(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)計的PCB電路板裝聯(lián)工序流程有一個正確的認識，這樣就可以避免犯一些原則性的錯誤。在選擇組裝方式時，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，同時考慮到企業(yè)本身的裝配工藝水平。10.1常用電路設(shè)計軟件智能光電應(yīng)用開發(fā)電路設(shè)計軟件是智能光電產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計必不可少的軟件，通常此類軟件均具有電路原理圖設(shè)計、電路優(yōu)化、電路測試等強大的功能。軟件設(shè)計功能多樣，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。學(xué)者需要對設(shè)計類軟件有一個清晰的認知，即無論何種設(shè)計軟件都只是一個工具，關(guān)鍵是軟件的應(yīng)用與設(shè)計思想。10.1.1ALTIUMDESIGNER電路設(shè)計軟件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)點外，還做了許多改進并增加了很多高端功能。該平臺拓寬了板級設(shè)計的傳統(tǒng)界面，全面集成了FPGA設(shè)計功能和SOPC設(shè)計實現(xiàn)功能，從而允許工程設(shè)計人員能將系統(tǒng)設(shè)計中的FPGA、PCB設(shè)計及嵌入式設(shè)計集成在一起。AltiumDesigner電路設(shè)計軟件主要運行在Windows操作系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設(shè)計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設(shè)計輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計者提供了全新的設(shè)計解決方案，使設(shè)計者可以輕松進行設(shè)計，熟練使用這一軟件使電路設(shè)計的質(zhì)量和效率大大提高。10.1.2PADS電路設(shè)計軟件PADS軟件是MentorGraphics公司開發(fā)的電路原理圖和PCB設(shè)計工具軟件組包，它包括PADSLogic、PADSLayout和PADSRouter。PADS是國內(nèi)從事電路設(shè)計的工程師和技術(shù)人員主要使用的電路設(shè)計軟件之一，以其強大的交互式布局、布線功能和易學(xué)易用等特點，在通信、半導(dǎo)體、消費電子、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)計流程，涵蓋了從原理圖網(wǎng)表導(dǎo)入，規(guī)則驅(qū)動下的交互式布局布線，DRC/DFT/DFM校驗與分析，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)計任務(wù)。10.1.3KICAD電路設(shè)計軟件KiCadEDA是一款用于印刷電路板設(shè)計的開源自由軟件包，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)團隊維護。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、線路板繪制、電器規(guī)則檢測、符號庫設(shè)計、封裝庫設(shè)計、3D視圖功能、Gerber查看、線路板實用計算等工具。值得注意的是，KiCad是一個跨平臺的工具，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)計軟件Allegro是Cadence推出的先進PCB設(shè)計布線工具包。Allegro提供了良好且交互性強的工作接口和強大完善的功能，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，在布線時不違反DRC就可以達到布線的設(shè)計要求，從而節(jié)約了煩瑣的人工檢查時間，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，自動在擺零件及布線時依照規(guī)則處理及檢查，而這些規(guī)則數(shù)據(jù)的經(jīng)驗值均可重復(fù)使用在相同性質(zhì)的電路板設(shè)計上。10.1.4ALLEGRO電路設(shè)計軟件Allegro除了上述的功能外，其強大的自動推擠push和貼線hug走線以及完善的自動修線功能更是給用戶提供了極大的方便；同時具備強大的貼圖功能，可以支持多用戶同時處理一塊復(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區(qū)塊，讓每個區(qū)塊各有專職的人同時進行設(shè)計，達到同份圖多人同時設(shè)計從而縮短時程的目的。10.1.5ORCAD電路設(shè)計軟件ORCADCapture(以下簡稱Capture)是一款電路設(shè)計工具軟件，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)計一個成熟硬件電路的形成過程是設(shè)計者進行原理設(shè)計、電路仿真、原理圖確定、實物制作、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,再迭代、再測試，直到系統(tǒng)穩(wěn)定運行。智能光電電路設(shè)計具體工作任務(wù)分以下幾個方面：設(shè)計元件原理圖封裝、設(shè)計原理圖、設(shè)計元件PCB封裝、設(shè)計PCB圖、PCB投板。針對以上具體工作任務(wù)流程，學(xué)者既可以進行單項實訓(xùn)，又可以進行綜合實訓(xùn)，以掌握具體工作任務(wù)中設(shè)計到的知識點與知識面。本節(jié)列舉一個案例，進行智能光電電路設(shè)計單項實現(xiàn)，詳細的敘述智能光電應(yīng)用開發(fā)電路設(shè)計具體工作任務(wù)工作流程。10.2.1需求分析及功能設(shè)計隨之時代和科技的發(fā)展，人們生活水平逐漸提高，智能回收桶已經(jīng)走進千家萬戶。在實際應(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，桶蓋會自動打開或關(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，在國內(nèi)市場得到青睞。隨著社會的發(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)、自動換袋、震動檢測、紅外感應(yīng)、超載打包、常開模式、超長待機、無線組網(wǎng)、溫度測量、異常報警、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)計方案，設(shè)計智能光電產(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)上進行教學(xué)改造，故設(shè)計了以STM32口袋機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10.2.1需求分析及功能設(shè)計直流電機電路電路實現(xiàn)一鍵打包、自動換袋、常開模式等功能；稱重檢測電路完成超載打包；電源管理電路實現(xiàn)超長待機；氣體測量電路實現(xiàn)異常報警。其他功能電路的作用不一一列舉。主蓋電機的功能：打開或關(guān)閉主蓋，當(dāng)垃圾已滿的時候，通過主蓋電機動作，打開主蓋，取出已經(jīng)裝好的垃圾袋；小蓋電機的功能：打開或關(guān)閉小蓋。當(dāng)需要投放垃圾時，通過小蓋電機動作，打開小蓋，投放垃圾；投放結(jié)束后，小蓋電機延時關(guān)閉，關(guān)閉小蓋。打包電機：垃圾裝滿后，自動將垃圾袋封口。風(fēng)機：提供負壓，使得新裝入的垃圾袋自動展開。10.2.2新建工程首先新建一個工程，點擊File->New->Project，彈出創(chuàng)建工程的對話框，其中ProjectName為工程名稱，這里使用默認名稱PCB_Project。Folder為文件存儲路徑，選擇好路徑后點擊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。添加完成后點擊保存。圖9-2是新建的完成后的工程截圖，其中每個文件作用為：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（1）直流電機電路：LV8548芯片是2通道低飽和電壓正向/反向電動機驅(qū)動器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)品中的電動機驅(qū)動器，可以驅(qū)動兩個直流電動機或一個并聯(lián)使用的直流電動機，或者可以完全驅(qū)動步進電動機。智能回收桶殼體已經(jīng)安裝好三個電機，分別為主蓋子電機，小蓋電機，打包電機，參考LV8548芯片手冊，將三個電機的驅(qū)動電路利用AD21軟件設(shè)計出來，如圖9-3、9-4所示，其中F1、F2、F3為自恢復(fù)保險，防止電機堵轉(zhuǎn)引起的電路過大而燒毀電機。R21、R25、R26、R27、R28、R29為下拉電阻，默認LV8548輸出關(guān)閉，P8、P10、P12端子接電機。10.2.3原理圖設(shè)計10.2.3原理圖設(shè)計風(fēng)機電機電流較大，所以這里選擇大電流NMOS管驅(qū)動，其中R13為柵極限流電阻，R14為下拉電阻，默認Q4關(guān)閉。驅(qū)動電路如圖9-5所示。各端口網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，單片機IO端口對應(yīng)如表9-1所示。10.2.3原理圖設(shè)計10.2.3原理圖設(shè)計10.2.3原理圖設(shè)計(2)觸摸檢測與紅外檢測電路設(shè)計：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)動板只需要設(shè)計一個端口，通過接插件端口連接到STM32口袋機IO口。電路原理圖設(shè)計如圖9-6所示，各端口網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，單片機IO端口對應(yīng)如表9-2所示。10.2.3原理圖設(shè)計(3)震動測量與電壓測量電路設(shè)計：震動傳感器電路、電壓檢測電路見圖9-7，震動檢測傳感器型號SW-1801，R20為上拉電阻，默認輸出低電平，當(dāng)檢測到震動時傳感器輸出一個低電平信號。電壓檢測電路R30與R31為分壓電路，降低輸入單片機端口電壓，將電壓限制在單片機參考電壓范圍內(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MCU外設(shè)ADC電路。震動檢測信號從STM32F407的PD7進入，電壓信號ADC-BATT從STM32F407的PA4進入。10.2.3原理圖設(shè)計(4)氣體測量與溫度測量電路設(shè)計：氣體測量傳感器型號為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ADC模擬輸入端口，測量傳感器信號值。(5)溫度測量傳感器型號為DS18B20，采用單總線進行數(shù)據(jù)交互，R16為上拉電阻，C22為退耦電容。將DQ與單片機引腳相連，進行溫度數(shù)據(jù)讀取。電路原理圖設(shè)計如圖9-8所示。10.2.3原理圖設(shè)計使用STM32口袋機下方右側(cè)簡易牛角端子與驅(qū)動電路進行連接，所以驅(qū)動電路部分也需要繪制一個相對應(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輸出的模擬信號從STM32F407的PB1進入，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換得到氣體濃度；DS1820輸出的數(shù)字信號從STM32F407的PF11進入。10.2.3原理圖設(shè)計(6)無線數(shù)傳電路設(shè)計：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芯片門電路進行控制。電路原理圖設(shè)計如圖9-9所示。10.2.3原理圖設(shè)計各端口網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，單片機IO端口對應(yīng)如表9-3所示。10.2.3原理圖設(shè)計(7)稱重檢測電路設(shè)計：稱重檢測芯片型號為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)計如圖9-10所示：10.2.3原理圖設(shè)計各端口網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，單片機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，給出稱重數(shù)據(jù)信號WE_CLK接PF2，為時鐘輸入，即ARM的時鐘送給傳感器，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，電路如圖9-11所示。10.2.3原理圖設(shè)計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)計參考芯片手冊，輸出電壓計算公示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(9)主蓋檢測開關(guān)電路設(shè)計：用以檢測，主蓋開關(guān)狀態(tài)，R33為上拉電阻，默認主蓋關(guān)閉時為高電平輸出狀態(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(10)紅外發(fā)射管驅(qū)動電路：桶內(nèi)LED驅(qū)動電路和加熱絲驅(qū)動電路，NMOS管工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)NMOS管柵極為高電平時，源極和漏極導(dǎo)通，負載得電工作。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，電路如圖9-14右側(cè)。加熱絲電路用于將垃圾袋進行電熱熱化垃圾袋，進行垃圾袋封口操作，屬于一鍵打包邏輯功能的一個環(huán)節(jié)。各端口網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，單片機IO端口對應(yīng)如表9-5所示。10.2.3原理圖設(shè)計10.2.3原理圖設(shè)計LED與蜂鳴器驅(qū)動電路：LED可謂桶內(nèi)提供照明，同時蜂鳴器可以提供報警與操作提示功能，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②更新原理圖并生成PCB文件原理圖設(shè)計完成后，點擊Design->UpdataPCBDocumentPCB_Trash，生成網(wǎng)絡(luò)表，更新PCB，如圖9-17。10.2.4PCB圖設(shè)計③元件PCB布局在PCB板設(shè)計重，PCB布局尤為重要，應(yīng)分析電路板的單元，并根據(jù)功能進行布局設(shè)計。那么PCB板設(shè)計布局原則有哪些?這里列出一些需要在進行布局時注意常用的原則。PCB布局的幾點原則：·同一個功能的電路，進行模塊化布局，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·元件預(yù)留好元件間距，特殊情況需要進行手動調(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。·盡量在電路板的一個焊接面進行布局，同時在布局時要考慮接地的完整性。AD21軟件中的PCB圖默認為雙面板設(shè)計圖紙，以上部分原則可以在Design->Rules中進行設(shè)置，如圖9-18所示。10.2.4PCB圖設(shè)計10.2.4PCB圖設(shè)計針對元件間距、定位孔間距等可以在Rules->Electrical->Cleaeance中進行設(shè)計，即根據(jù)實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)實際情況手工進行設(shè)計調(diào)整。規(guī)則設(shè)計完成后，元件進行布局，布局完成后如圖9-19所示：10.2.4PCB圖設(shè)計④PCB布線首先需要說明的是PCB布線一般為手工布線，至今為止沒有一個自動布線的功能可以完全取代PCBLayout工程師的技能、經(jīng)驗和靈活性。PCB布線既是一門科學(xué)，也是一門藝術(shù)，建議盡可能手動布線，以確保準(zhǔn)確性和可靠性。以下為幾點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)鍵高速信號線采用蛇形走線方式?！て骷芏葍?yōu)先：從PCB電路中連接關(guān)系最復(fù)雜的器件著手布線。或從連線最密集的區(qū)域開始布線。10.2.4PCB圖設(shè)計關(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，特殊部分需要進行蛇形走線?！りP(guān)鍵走線優(yōu)先：電源、模擬小信號、高速信號、時鐘信號和同步信號等關(guān)鍵信號優(yōu)先布線?！?shù)字地、模擬地要分開，對低頻電路盡量采用單點接地；高頻電路宜采用多點串聯(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，再進入芯片?！ぷ呔€的寬度應(yīng)該根據(jù)電流或頻率進行計算，信號線的線寬保持一直，電源線的線寬通過電流進行計算?？赏ㄟ^Rules->Routing->Width進行線寬設(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10.2.4PCB圖設(shè)計10.2.4PCB圖設(shè)計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PCB電路板中的數(shù)字電路存在大量的脈沖信號干擾，因此非常有必要降低接地阻抗。對于信號完整性要求，鋪地給高頻數(shù)字信號一個完整的回流路徑，同時減少接地網(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10.2.4PCB圖設(shè)計【NET】為要鋪地的網(wǎng)絡(luò)，選擇GND網(wǎng)絡(luò)?！綥ayer】選擇要在那個層進行鋪地，這里選擇BottomLayer即在底層進行鋪地。選擇Soild（大面積的敷銅）方式進行鋪地，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)者在進行敷銅時應(yīng)根據(jù)實際情況而定。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10.2.4PCB圖設(shè)計敷銅完成后的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。然后繪制一個封閉外形，分別對頂層和底層進行敷銅操作。10.2.4PCB圖設(shè)計⑦布線信息報告點擊Reports->BoardInformation在彈出的對話框中選擇Routinginformation，然后點擊Report，即可彈出布線信息對話框，如圖9-25。10.2.4PCB圖設(shè)計可以看到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)計劃和采購計劃、配套領(lǐng)料、跟蹤物流，追溯任務(wù)、計算成本、改變成本設(shè)計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，包括每個組裝件所需的各個下屬部件的數(shù)量。每種型號的產(chǎn)品都有自己唯一的物料清單，它決定了構(gòu)成一個產(chǎn)品所需的全部零部件及其裝配關(guān)系。 點擊Reports->BillofMaterials彈出BOM清單參數(shù)配置對話框，點擊Export即可導(dǎo)出BOM清單，如圖9-26所示。至此所有的PCB設(shè)計工作完成。10.2.4PCB圖設(shè)計10.2.4PCB圖設(shè)計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·確認器件封裝及設(shè)計更改是否正確；·對所有電源相關(guān)部分的布線進行檢查（電源線寬、退耦電容布置）；·高速及關(guān)鍵信號走線位置確認；·設(shè)計完整性檢查（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進行檢查，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，但基本都會遵循以下幾個方面：·提供資料給PCB加工廠家；·與PCB工廠溝通或確認生產(chǎn)加工工藝標(biāo)準(zhǔn)；·PCB工廠提供報價及交期；·確認交期和價格后，雙方簽署合同；·PCB工廠CAM工程師處理生產(chǎn)資料；·確認生產(chǎn)稿后開始生產(chǎn)；10.2.4PCB圖設(shè)計·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，同一個項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不帶屏的智能藍牙手環(huán)電路設(shè)計為加深對電路設(shè)計的理解，熟練掌握AltiumDesigner軟件，特提供一個簡易的不帶屏的藍牙手環(huán)硬件電路設(shè)計，本小節(jié)以“藍牙運動手環(huán)”為例，講解各設(shè)計要點。10.3.1手環(huán)功能需求分析本次設(shè)計的藍牙心率防水運動手環(huán)主要具有以下功能：（1）藍牙收發(fā)功能。通過藍牙與手機建立長連接，進行數(shù)據(jù)雙向收發(fā)，是一款藍牙手環(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)在進行電路設(shè)計時，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）運動檢測。手環(huán)一般都帶有三軸傳感器或六軸傳感器，進行運動和姿態(tài)檢測。10.3.1手環(huán)功能需求分析綜上分析，本案例設(shè)計的藍牙手環(huán)使用單節(jié)鋰電池進行供電、應(yīng)具有姿態(tài)檢測功能、LED指示燈交互功能、藍牙數(shù)據(jù)收發(fā)功能。同時，需要預(yù)留下載與調(diào)試接口，以便后期進行代碼下載調(diào)試。藍牙智能手環(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（1）藍牙收發(fā)主控單元：本次設(shè)計選擇Dialog的DA14580作為藍牙收發(fā)器件。DA14580是目前市面上功耗最低的藍牙SOC，與其他同類藍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)的外部元件即可實現(xiàn)一個體積最小、最具特色的藍牙智能解決方案產(chǎn)品。DA14580內(nèi)嵌一個32位ARMCortexM0核心，擁有高達42KB的內(nèi)存和豐富的外設(shè)資源，無需外掛其他MCU即可實現(xiàn)復(fù)雜的控制、通信、計算任務(wù)。同時DA14580內(nèi)部還集成了一個阻抗50Ω的RFIO接口，極大地降低了天線部分的電路設(shè)計難度。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，如圖9-28所示。10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計圖9-28所示電路是使用單節(jié)3V紐扣電池進行供電的DA14580外圍參考設(shè)計電路圖。使用3V鋰電池供電時，需要將電池接到VBAT3V和VBAT_RF引腳上，同時這兩個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)點引腳，SWITCH引腳需要外接一個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XTAL16Mp/XTAL16Mm和XTAL32Kp/XTAL32Km引腳是DA14580外部時鐘源的輸入引腳，分別需要接入16MHz和32.768KHz的無源晶振。當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，DA14580核心會選擇16MHz外部晶振作為系統(tǒng)的時鐘源，當(dāng)系統(tǒng)進入睡眠模式時，DA14580核心會切換到32.768KHz的時鐘源以保持系統(tǒng)內(nèi)部的時基。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（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行姿態(tài)檢測,其中，利用三軸加速度傳感器來實現(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)簡單地判斷人的運動狀態(tài)。二是事先對人的運動狀態(tài)進行建模，然后通過算法對傳感器的數(shù)據(jù)進行處理分析，對比事先建立好的模型來判斷人的運動狀態(tài)。利用六軸傳感器進行姿態(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)進行濾波、姿態(tài)融合解算。不管利用什么傳感器，想要實現(xiàn)精準(zhǔn)的姿態(tài)檢測，都是需要通過復(fù)雜的算法實現(xiàn)的，這勢必會給MCU帶來很大的負擔(dān)。本設(shè)計選用的傳感器型號是MPU6050。MPU6050是InvenSense公司推出的全球首款整合性六軸運動處理組件。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立陀螺儀、加速度計的數(shù)據(jù)在時間上的誤差，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MPU6050作為從機設(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接口的外部磁力計以組成9軸傳感器。最重要的是，MPU6050內(nèi)部集成了一個數(shù)字運動處理器(DMP:DigitalMotionProcessor)，DMP可直接輸出六軸或者九軸(需外接磁力計)姿態(tài)解算數(shù)據(jù)，而不需要MCU來進行繁瑣的數(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，如圖9-29所示，各關(guān)鍵信號設(shè)計要點詳見表9-6。10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計(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)計案例使用標(biāo)稱電壓為3.7V的單節(jié)鋰電池給整個系統(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，同時還具有過流、過溫、反接保護的功能，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、防反接功能。該方案充電電路會占用手環(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2、手環(huán)內(nèi)部無充電相關(guān)電路，該方案不會對手環(huán)PCB造成額外的空間開銷，并且對充電IC沒有特別的要求，同時可以添加更多的保護電路。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，成本會更高?？紤]到便捷性、安全性和成本因素，本設(shè)計采用第1種設(shè)計方案。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)計的線性充電器，芯片內(nèi)集成功率晶體管，工作時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、移動PDA和便攜式藍牙手環(huán)等設(shè)備上。10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計TP4056的主要特性如下:1、過熱保護，當(dāng)芯片溫度上升到135℃以上時，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，停機模式下靜態(tài)電流僅為35uA。4、電池輸入防反接保護。5、充電電流可編程，充電電流最高可達1000mA。6、采用ESOP8封裝，芯片底部帶散熱焊盤，散熱效率高。7、強大的熱調(diào)節(jié)功能，在無過熱風(fēng)險的情況下自動調(diào)節(jié)充電電流實現(xiàn)整體充電速率最大化。TLV70033DDCT手冊中的參考設(shè)計電路圖如圖9-30所示：10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計根據(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，TLV70033DDCT將開始工作。將EN引腳拉低到0.4V以下時TLV70033DDCT將進入關(guān)閉模式，此時靜態(tài)電流將降低到1uA。如果不需要進行工作模式的切換，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)計電路圖如圖9-31所示。10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計10.3.2手環(huán)原理圖原型設(shè)計圖9-38中已經(jīng)囊括了TP4056所有的設(shè)計細節(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為兩個漏極開路輸出的狀態(tài)指示輸出引腳，這兩個引腳的輸出狀態(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來進行設(shè)計。首先打開AD21，新建一個工程，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擊Add選項添加一個原理圖封裝，輸入封裝的名稱，最后點擊OK。10.3.3電路圖繪制選擇剛創(chuàng)建的原理圖封裝項，點擊Edit編輯封裝信息，封裝信息；點擊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，光標(biāo)是一個黑色十字星光標(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力圖封裝如圖9-38所示(注意DA14580正中間還有一個功率地引腳，引腳號為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，點擊Add新建一個PCB封 裝項，雙擊新建的封裝項編輯封裝的名字，點擊OK確認。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。點擊AD21上方Place->Pad進入焊盤放置模式，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號焊盤，長按左鍵選擇1號焊盤(鼠標(biāo)正中間會出現(xiàn)一個綠色十字星)，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，點擊edit，找到Footprint屬性欄，點擊屬性欄下的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電路圖繪制點擊Browse選項，在Libraries選項中選擇工程的PCB封裝庫—ex_da14580.PcbLib，選擇對應(yīng)的PCB封裝—DA14580，點擊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行繪制，各單元電路的設(shè)計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，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電路圖繪制點擊Place->PowerPort放置電源信號，如圖9-51所示。10.3.3電路圖繪制雙擊各器件和電源信號進行屬性修改，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)號連接起來，同時修改各元器件的位號。 接著放置電池連接座，電池電壓通過二個電阻進行分壓接到DA14580的一個ADC引腳上。選擇Place->NetLabel，進入放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號模式，按住TAB鍵將網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號修改為P01(代表DA14580的P0_1引腳)，然后將該網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號放置于分壓節(jié)點處。 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)計細節(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)號信息。打開原理圖文件，點擊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)進行。在PCB繪制頁面下，先切換到KO層，然后點擊Place->Keepout->Track，在此模式下繪制一個矩形框，如圖9-58所示。10.3.3電路圖繪制選中剛繪制的矩形框，點擊Designe->BoardShape->Definefromselectedobjects。如圖9-58所示，黑色部分為目前的PCB板的實體。在進行布局走線之前，需要對PCB設(shè)計的規(guī)則進行適當(dāng)更改。點擊AD21上方Design->Rules，選擇PCB間隙規(guī)則選項，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，此時可通過移動鼠標(biāo)來拖動元器件。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，實時時鐘晶振、系統(tǒng)時鐘、SPIFlash也是靠近DA14580同層放置，避免在走線的時候頻繁換層走線而影響信號質(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，同時還可以接入USB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)鍵信號的走線。同時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(天線)和時鐘晶振信號線。電源走線盡量加粗，天線下方嚴禁走線和敷銅，晶振走線盡可能短，嚴禁換層走線。（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。項目小結(jié)本項目主要講解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。在正式進入智能光電產(chǎn)品電路設(shè)計前，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)計典型工作任務(wù)中具體工作任務(wù)要求的知識點與知識面即可。習(xí)題1、設(shè)計一個24V轉(zhuǎn)12V、5V、3.3V的電路。2、繪制STM32F407電路，含LED、按鍵、串口等。項目11智能光電綜合編程實踐學(xué)習(xí)目標(biāo)1、學(xué)會智能吸頂燈等設(shè)計與制作。2、學(xué)會智能環(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（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，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)計而成。11.1.1功能設(shè)計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、酒吧、KTV等設(shè)施，智能吸頂燈因為其本身發(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，提高消費者的購物環(huán)境，根據(jù)各個場景的需求，突出產(chǎn)品，促進消費者的購買欲望。11.1.1功能設(shè)計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APP來實現(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)

本項目利用STM32口袋機驅(qū)動WS2812彩燈模塊完成智能吸頂燈產(chǎn)品的設(shè)計應(yīng)用。智能吸頂燈采用25顆WS2812串行彩燈級聯(lián)，采用單總線級聯(lián)形式，標(biāo)準(zhǔn)工作電壓:DC5V，功率0.3W±0.01%，每個LED可顯示真彩24位色。項目采用STM32口袋機加WS2812彩燈模塊的最小硬件系統(tǒng)方式實現(xiàn)，項目最小系統(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5mm*5mm*1.6mm的封裝尺寸中，每個元件即為一個像素點。像素點內(nèi)部包含了智能數(shù)字接口數(shù)據(jù)鎖存信號整形放大驅(qū)動電路，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)位和信號整形電路，任何一個像素點收到信號后經(jīng)過波形整形再輸出，保證線路波形畸變不會累加。每個像素點的三基色顏色可實現(xiàn)256級亮度顯示，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。采用串行級聯(lián)接口，能通過一根信號線完成數(shù)據(jù)的接收與解碼。任意兩點傳傳輸距離在不超過5米時無需增加任何電路。當(dāng)刷新速率30幀/秒時，低速模式級聯(lián)數(shù)不小于512點，高速模式不小于1024點。數(shù)據(jù)發(fā)送速度可達800Kbps，并且光的顏色高度一致。單顆WS2812實物及引腳圖如圖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亮的，而是需要特定的高低電平時序，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燈識別0、1碼的具體表現(xiàn)形式。在一個周期內(nèi)，當(dāng)接收到的信號高電平占T0H時間，低電平占T0L時間，那么就表示接收到一個0數(shù)據(jù)。當(dāng)一個周期內(nèi)接收到的高電平占T1H時間，低電平占T1L時間，就表示收到一個1數(shù)據(jù)。在分析RGB驅(qū)動的時候，使用一個周期內(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)時間在220ns-380ns之間，低電平持續(xù)時間在580ns-1us之間，這個時間還是比較短的，在數(shù)據(jù)手冊中給定的是800k的傳輸速率，計算一下1.25us，這個大約就是傳輸一個1值或者0值的周期?？梢?，需要MCU的主頻足夠高這個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，能滿足時序要求。另外對于RESET信號要求，它的時序是非常重要的，當(dāng)24bit數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，此時燈是不會亮的，它需要有一個大于280us的低電平過來，然后才會將剛剛發(fā)送過來的24bit數(shù)據(jù)應(yīng)用到燈上，而這個低電平就是需要的RESET信號，需要它才能成功點亮WS2812。由此可見WS2812對時序是要求比較嚴格的，需要到ns級別，也可以看到發(fā)0碼的時序和發(fā)1碼的時序是剛好相反的。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IO口輸出的，如果只連接了一個RGB燈，那么需要從這個IO口輸出一個24位的數(shù)據(jù)，即一個3字節(jié)的數(shù)據(jù)，這個24位的數(shù)據(jù)就是用來表示一個燈需要顯示的顏色。因為光的三原色就是RGB(REDGREENBLUE),有了三原色就可以組合成各種各樣的顏色。每個顏色占8個位，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)上面是點亮一個WS2812燈所需的數(shù)據(jù)字節(jié)格式。如果需要亮兩個，就讓的IO口輸出兩個24bit數(shù)據(jù)就可以了。當(dāng)IO口輸出兩個24bit數(shù)據(jù)后，第一個24bit數(shù)被第一個燈留下了，這個燈會自動的將剩下的24bit的數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)到后面去，后面的第二個燈可以接收到了。同理，如果有4個燈，就要發(fā)送4個24bit數(shù)據(jù)，這個應(yīng)該可以理解了。有幾個燈，就發(fā)送幾個24bit數(shù)據(jù)。本項目采用25顆WS2812燈珠串聯(lián)設(shè)計，STM32對其進行驅(qū)動時，除了對時序的要求外，每次需要發(fā)送25個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)計要實現(xiàn)點亮和通過STM32口袋機的觸摸按鍵修改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)接口進行程序設(shè)計，使之符合WS2812數(shù)據(jù)格式，才能正確點亮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)計流程圖如圖11-6所示。設(shè)計人員已經(jīng)設(shè)計出驅(qū)動WS2812模塊的若干函數(shù)，如向2812燈珠發(fā)送1個字節(jié)數(shù)據(jù)的函數(shù)send_one_LED_fun_by_GRB(u8GG,u8RR,u8BB)、同時寫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11.1.3程序設(shè)計（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，進入while(1)循環(huán)函數(shù)一直運行。11.1.3程序設(shè)計11.1.3程序設(shè)計11.1.3程序設(shè)計（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、時鐘等各種寄存器等的初始化設(shè)置。11.1.3程序設(shè)計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WS2812組成的PCB板實物如圖11-7所示。11.1.4系統(tǒng)功能調(diào)測進行調(diào)測前，先將WS2812模塊PCB板連接STM32口袋機和多功能板。在Keil編譯環(huán)境中打開項目文件，整個項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，整個系統(tǒng)由JC-Link的USB連接口提供電源，程序運行后WS2812模塊被點亮，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)計與應(yīng)用應(yīng)用上述硬件設(shè)計和程序工程文件，考慮形狀、結(jié)構(gòu)設(shè)計進行適當(dāng)修改，就可以設(shè)計出實用的產(chǎn)品，如圖11-9所示。11.1.4系統(tǒng)功能調(diào)測實際使用的智能吸頂燈是在簡易設(shè)計原理的基礎(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)的個數(shù)與并聯(lián)燈帶的條數(shù)，由處理器對其進行編程控制顯示，實現(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

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)境溫濕度進行檢測，自動實時感知空氣中的溫度和濕度，經(jīng)由處理器變換成電信號或其他所需形式進行信息輸出的系統(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)藥儲存等領(lǐng)域有著廣泛的用途。11.2.1功能設(shè)計在智能家居行業(yè)，智能環(huán)境探測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測到室內(nèi)的溫濕度，控制器會根據(jù)檢測到的溫濕度來控制是否啟動空調(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存來說至關(guān)重要，溫濕度的變化會帶來食物變質(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存；食品運輸時為保證食品或制品在儲運過程中的安全需要，利用溫濕度傳感器對溫濕度的變化進行實時的監(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格，不當(dāng)?shù)臏貪穸认?，植物會停止生長，配合氣體傳感器，光照傳感器等可組成一個數(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)動系統(tǒng)，能保證藥品存儲始終處于合適的環(huán)境溫度范圍。在工業(yè)制造過程中，存儲物品以及重要設(shè)備的倉庫和廠房，需要實時檢測溫濕度,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11.2.1.3系統(tǒng)功能在這個科技迅速發(fā)展的時代，擁有一個舒適的生活和工作環(huán)境是每個人所期望的，智能環(huán)境探測系能實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度等相關(guān)指標(biāo)的實時監(jiān)測，且具有功耗低，可靠性高，體積小巧，安裝方便的優(yōu)點，并能實現(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，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)本項目硬件設(shè)計系統(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，實現(xiàn)STM32對DHT11溫濕度傳感器的讀寫設(shè)置實現(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。重點學(xué)習(xí)DHT11溫濕度傳感器及其STM32驅(qū)動方法，掌握傳感器的功能和基本工作原理，通過STM32驅(qū)動DHT11，從而實現(xiàn)溫濕度傳感器采集設(shè)計。DHT11溫濕度傳感器是集成溫度和濕度于一體式元件，通過MCU將溫度和濕度信號采集到后，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波、運算放大、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)系的電流信號或電壓信號，常通過主控芯片串口、SPI等接口輸出。項目簡易系統(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)部包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號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，信號傳輸距離可達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100nF的電容，用以去耦濾波。DHT11模塊的應(yīng)用電路設(shè)計如圖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校驗和。其中數(shù)據(jù)傳送正確時校驗和數(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)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待STM32開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，開發(fā)者可選擇讀取部分數(shù)據(jù)。從模式下，DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到STM32發(fā)送開始信號，DHT11不會主動進行溫濕度采集。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，主機把總線拉低等待DHT11響應(yīng)，主機把總線拉低必須大于18毫秒，保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到STM32的開始信號后，等待STM32開始信號結(jié)束，然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號。STM32發(fā)送開始信號結(jié)束后，延時等待20-40us后，讀取DHT11的響應(yīng)信號，STM32發(fā)送開始信號后，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)計要實現(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行程序設(shè)計，使之符合DHT11設(shè)置和數(shù)據(jù)讀取需要的時序，才能正確讀取到溫濕度數(shù)據(jù)。程序設(shè)計流程圖如圖11-18所示。11.2.3程序設(shè)計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11.2.3.2主要函數(shù)本次實驗需要用到若干如表11-1所示的，已經(jīng)設(shè)計好的函數(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，進入while(1)循環(huán)函數(shù)一直運行。11.2.3程序設(shè)計11.2.3程序設(shè)計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11.2.3程序設(shè)計11.2.3程序設(shè)計11.2.3程序設(shè)計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11.2.3程序設(shè)計11.2.3程序設(shè)計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板實物如圖11-19所示。11.2.4系統(tǒng)功能調(diào)測進行調(diào)測前，先將溫濕度PCB板連接STM32口袋機和多功能板。在Keil編譯環(huán)境中打開項目文件，整個項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，整個系統(tǒng)由JC-Link的USB連接口提供電源，程序運行后溫濕度實時數(shù)據(jù)會在口袋機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)計與應(yīng)用應(yīng)用上述硬件設(shè)計和程序工程文件，考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計進行適當(dāng)修改，就可以設(shè)計出實用的產(chǎn)品。如圖11-21所示。11.2.4系統(tǒng)功能調(diào)測實用型智能環(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)進行顯示，或者變換成電信號進行傳輸，根據(jù)控制需要還可以增加相應(yīng)的聯(lián)動控制系統(tǒng)。包含數(shù)據(jù)傳輸和聯(lián)動控制系統(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行實時檢測、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)計和智能環(huán)境探測系統(tǒng)設(shè)計，本節(jié)內(nèi)容是改造設(shè)計一個更加具體的案例，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)垃圾桶進行改造，增加智能化功能，并通過無線通信的方式實現(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、硬件系統(tǒng)、通信協(xié)議、程序編寫等。根據(jù)控制協(xié)議可以通過上位機實現(xiàn)對智能回收桶的控制，也可以通過應(yīng)用場景部署平臺實現(xiàn)，方便快捷的獲取回收桶相關(guān)狀態(tài)的數(shù)據(jù)和對智能回收桶進行智能化管理。11.3.1功能設(shè)計智能光電產(chǎn)品已經(jīng)開始滲透進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行如下功能設(shè)計，如下表11-2所示。11.3.1功能設(shè)計通過對傳統(tǒng)垃圾桶進行功能改造，形成具有觸摸按鍵一鍵打包、自動換袋、紅外感應(yīng)開合、LED燈光控制、蜂鳴器報警、超載檢測、無線端點、可燃氣體檢測、溫度檢測、檢測震動開啟小蓋等功能豐富的智能回收桶。對部分功能詳細描述如下：11.3.1功能設(shè)計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紅外反射式距離傳感器，當(dāng)有物體靠近時，智能回收桶的小蓋自動開啟小蓋會自動開區(qū)，