control pcb

这是目前我设计的电路板中最为有代表性的一块，有模拟电路，也有数字电路，它通过控制四个继电器来实现两个直流电机的动作，并能接收电机的反馈脉冲进行计数定位，支持四路独立的电磁阀控制，支持一路软PWM可调电压输出，所有的输出都有相应的指示灯表示控制状态；支持两个键盘输入，十个可编程IO口可以连接各种输入；支持掉电自动记忆参数功能；支持ISP在线更新软件功能。

从电路板功能的确定、每一个电子元件的选型、每一个元件的放置、每一条线条的绘制到每一行代码的编写，从头到尾都是我的个人秀。在这块板子上，我查阅了大量电子元件的datasheet，倾注了以往积累的软硬件知识和经验，严格按照EMC的要求设计，在保证了功能的实现同时并兼顾了EMC要求及布局的美观。

1、连接器的选型：相当比例的故障是连接器造成的，通常是连接器接触不良、或脱落，因此连接器的选型极为重要。连接器的选型通常有两个要点：一是使用带锁扣的连接器防止脱落，二是不同的连接尽量使用不同形状的连接器以免安装时容易区分。第一点在这块板子上能体现出来。由于这个板子上有大电流输出（驱动电机或电磁阀用），也有弱电流输出（键盘或微动开关），大电流选择的连接器为WAGO系列的连接器，特点是能连接简单，而且非常牢固，通过簧片卡紧，即使很大力气的牵扯电线也不会脱落。而弱电流的连接器使用2510系列，特点是便宜，带有突扣自锁防脱落，但这种自锁强度不大，通常使用时需要8个位一起使用才能达到比较好的自锁力。第二点在这板子上没有体现出来，这块板子使用了大量相同的连接器，这是由于布板面积的限制还有考虑到采购物料的方便，相同的连接器只需采购单一物料。

2、继电器的选型：继电器的选型必须参考相关的datasheet，需要考虑以下几个因素：1、机械寿命；2、驱动电压及电流；3、触点载流及电压，如果对响应速度有要求的话，还必须考虑响应时间，这些参数都可以在相关的datasheet里可以找到。在这块板子上，选择了宏发及汇港两家公司的各自一款继电器，它们的封装尺寸完全一样，性能参数也基本相同，通过测试两种继电器都能使用，但宏发公司的供货时间短、价格上也优惠一些，因此最终决定使用宏发的继电器，而汇港的那款作为备选物料。

3、电磁阀驱动电路的定型：电磁阀的驱动也可以使用继电器来做开关，继电器的体积大、又有寿命次数限制，因此不大合适。这里选用了贴片的TIP122达林顿三极管来做电子式的开关，缩小了板的面积，理论上无寿命次数限制。不过，使用TIP122的话，必须增加可恢复保险丝或一次性保险丝，以防在输出短路的情况能迅速切断电流避免损坏TIP122进而击毁MCU。

无论是继电器还是电磁阀，只要驱动的负载是感性负载，必须增加续流二极管进行放电，否则感性负载在失电时的感应电压很容易击穿其他电路。续流二极管可以选快速二极管1N4148或1N4007，贴片二极管的话选M7，通常使用1N4007或M7足以达到要求，而且价格比较便宜。

4、滤波电容的选择：在首样时，直流电机所用的24V电源只使用了1只1000uF的电解电容，测试时发现电机启动时继电器有闭合不稳的现象，究其原因是继电器的线圈跟电机使用同一电源，电机启动瞬间电流太大，造成压降太多结果继电器由于瞬间失压而释放触点。再增加1只1000uF的电解电容排除这种现象。

5、软PWM开关的选型：这块板子里的PWM输出是用来实现卤素灯的开关及亮度调节，卤素灯有个特性是，灯丝在冷却状态时电阻非常小，通常只有零点几欧姆，因此在启动的瞬间电流特别大，一般有几十安培，一般的三极管或开关管都无法承受这么大的电流。这里选用了IRF3205高速场效应管，耐电流达80A，而导通后的电阻只有8毫欧姆，足以达到使用要求。场效应管的PWM驱动方法跟常见的三极管或开关管不一样，它的触发极（栅极）为电容结构，因此要求驱动电平的变化必须尽可能陡直，否则栅极充电时间太长导致导通电阻过大，管子严重发热。

6、晶振的选型：考虑未来多板通讯的需要，选用11.0592Mhz的石英晶振，它可以产生标准的通讯波特率，有利于通讯编程。而不选用更高频率的晶振是考虑到性能上已经满足要求，而按EMC的要求，频率越低的晶振EMI越小。

布板时的一些技巧：

1、所有的元件只放置在顶层，这是出于制作工艺的考虑，这块板子有插件元件，也有贴片元件，加工时有可能先烘焊完贴片件，然后用波峰焊焊插件，如果底面也有贴片元件的话，很可能在波峰焊时脱落。

2、电源：电源使用了两个，继电器、电磁阀、电机使用24V电源，而单片机使用了12V->5V的电源。两种电源的独立布线有利于单片机工作稳定。单片机的电源使用了uF级及104陶瓷电容进行高低频滤波，同时每块数字电路的VCC/GND脚都接有104退耦电容，增强稳定性。

3、接地：这块板子上有电源地（大电流）及信号地（弱电流）两种，为了减少串扰，两种地各自独立布线，而最后汇集在电源上才单点接地。同时，对于所有的信号地进行了大面积接地敷铜，提高抗干扰能力。信号地的敷铜采用接地节点直接连接而不是莲花连接，最大限度减少接地电阻。晶振也预留了接地焊盘，焊接时把晶振的金属外壳接地，能大量减少EMI。

4、保护地跟信号地的连接：保护地跟信号地没有采用直接连接，而是之间焊接了一个耐1000V的104陶瓷电容，这能最大限度地减少电磁干扰并提高抗静电能力。

5、元件的布局：大电流的元件，特别是电磁阀、继电器这些会产生强磁场干扰的元件，尽量布置在远离数字电路的地方。

6、敷铜区域过孔的灵活应用：过孔的作用是连接上下层，在大面积敷铜时，有些区域由于线路的隔离，虽然是敷了铜，但没有接地，会造成电磁泄漏缺口。通过合理加上过孔，把该区域接地，能大幅提高EMC。过孔的应用原则是尽量少用（会造成电路板的机械强度下降），但如果需要用时就不该吝惜。

软件的编写上采用了C语言，所有功能都采用模块化的编写，相比汇编语言，编写和调试效率都大大提高，程序的可读性也特别好，方便以后的维护及功能调整。