《第二弹》自制Arduino最小系统板之PCB的绘制，集成N多功能》

       前几天有些小忙，今天终于抽出时间来完成接下来的设计，首先放上之前帖子的链接（自制Arduino最小系统板，集成N多种功能，快来围观吧》》》）。接下来呢我会完成元件封装的选取以及PCB电路图的设计，以及更加详细的讲解电路中各个元件的功能，然后送给加工厂去制板，那么废话少说，马上开始！！！:lol
                                    第一部分
    完成了所有的原理电路图的设计，下面就是选择合适的元件封装了，首先要求整个板子体积越小越好，所以我尽量都是选择了贴片元件（SMD），贴片元件相比通孔元件的好处就是无需要在PCB板上开孔去固定器件，简单来讲就是它贴在电路板的表面，这样就可以在电路板上做到双面贴装，可以最大电路板的体积。下面我放了一张贴片电阻和通孔式电阻的比较图，方便大家理解。:victory:


明确了尽量使用贴片器件，我就开始了选择元件封装型号的工作。这回耗费一点时间，不过耐心就可以完成。我们从最主要的电路到次要的电路依次来进行选择。
1.Atmega328P-AU与外围电路
     对于这个电路，主要就是一些滤波电容（c1和c2），两个补偿电容（c3和c4），以及一个复位电路（SW和R2，c6），对于阻容元件（电阻和电容），我统一选择的都是0603封装的器件，因为这个尺寸是我的焊接技术所可以焊接的最小器件了。。。。。（希望以后可以焊接更小的。）而对于开关我选择的是3*4的贴片龟仔开关。


2.NRF24L01接口电路
    查看了一下网上有关NRF24l01的教程，普遍反映NRF24L01的通信稳定性和电源影响很大，供电不足容易导致数据丢失以及乱码，于是为了保证稳定性，我添加了电解滤波电容c16，容量为47uf。由于电解电容的封装普遍比无极性电容的封装体积要大，所以我寻找许久。。终于找到一款体积比较小巧的贴片电解电容，尺寸为4*5.4（直径4mm高5.4mm）。而接头p5我则使用了适合NRF24L01直接插接使用的2.54mm间距的2*4母杜邦头。



3.锂电池升压电路
    对于这个升压电路，E50D升压芯片的封装为SOT89-3，基本上市面可以买到的E50D都是这个封装，没有什么可以选择的，而且体积也足够小巧，正好符合我的要求。两个滤波电容（c8和c10）同样还是使用0603封装。其中的肖特基二极管1N5819我选择了SOD323封装，这个封装以及算是二极管的封装里面较小的了，同样是我可以焊接的最小器件。。。而在电感的选择上，我使用了SLF0705的封装（直径7mm高5mm），注意这里一定要选择功率电感，而且要确保电感的最大工作电流要足够，在这里我的E50D升压芯片最大允许电流在600ma左右，所以我选择了编号为CD75的功率电感。




4.3.3V稳压电路
     这个电路是专门为NRF24L01来供电的，元件非常简单。同样，滤波电容选择0603封装，而MIC5205则是SOT-23-5的封装，同样也是市面上可以买到的常见封装。



5.7-12V降压电路
    特别预留的一路外部电源输入稳压电路，可以让整个板子更好适应多种电压范围，所以我对输入端滤波电容c7有特别的考虑，我选择了封装为3528的胆电容，相比一般的电解电容，胆电容拥有更小的体积，以及耐高温、宽频率范围的特点，但是我们在挑选胆电容的时候，一定要注意胆电容的耐压，因为普遍的胆电容都比电解电容的耐压低，所以一定要注意选择胆电容的耐压值。而输出端的滤波电容c9我还是采用常规的0603封装。而降压芯片ME6210则是和E50D芯片相同的SOT89-3封装。



6.电机驱动电路
    首先呢输入信号限流电阻R10和mos管结电压放电电阻R4都使用0603封装，而mos管Q4则是采用SOT23-3封装，我选择这个封装原因主要还是因为小巧，嘻嘻:lol。而续流二极管D7我选择了SOD323封装，和锂电池升压电路里面使用的二极管一样。对于接口H4的选择，我使用了市面上一种常见用于电机接口的PH1.0接头，比较适合我这种小体积的板子。



7.报警电路的设计
    555芯片市面上就只有两种封装，一种是通孔芯片封装，一种是贴片芯片封装。为了节省空间，我使用了贴片的封装，型号为SOIC8。而对于RC震荡电路（R3，R6和c12）我统一用了0603封装，对于第五脚的滤波电容c11以及限流电阻（R1和R12）我都用了0603封装器件。而控制蜂鸣器通断的三级管Q1我则使用了和电机驱动的mos管同样的封装SOT23-3，最后，续流二极管仍然是SOD323封装。在蜂鸣器的选择上，有许多种，我这里使用的是9*5.5的有源蜂鸣器（直径9mm高5.5mm）




8.其他输出接口的设计
      其他的一些接口呢我有不同的安排，首先是面对Atmega328P的串行口，我没有选择需要通孔安装的杜邦头，而是使用了一种贴片的接头，SH1.0 6P，这样我只需要配上一根转接线就可以和usb转ttl模块连接了。对于6路的数字口呢，我考虑了同样的接口，这样节省了许多空间。而到了4路模拟输入的接口上，我使用的则是2.54mm间距的焊盘，这样直接省去了接头，也方便以后直接焊接。最后是电源输入，我还是用了焊盘，因为可能会出现多个设备需呀同时从板子上取电的情况，所以留下焊盘比使用接头更加方便。

       到这里所有的封装就全部都选好了，下一步就是排版和布线PCB了。


                                   第二部分
首先将原理图导入到PCB，然后吧所有的器件拖动到方框内，就是先把元器件在电路板上的位置先定下来。这一步耗时若干分钟，略。。。。。。我想给大家分享的是元器件位置的摆放，是否合适的摆放位置会对整个板子的稳定性影响很大。。。。首先放一张图：



1.我最先确定的是Atmega328P的位置（图中脚最多的芯片），如果将主控芯片安排在其他比较靠电路板边缘的位置，都会影响到其他接口的摆放，并且所有的信号都是由Atmega328p发出，所以摆放在中央会更好布线。倾斜45度摆放对于这种小板子是非常适合的，可以尽量减少线的长度。
2.接着就是围绕主控的其他元器件的摆放（比如晶振和滤波电容）
3.我将NRF24L01的接口放在了主控芯片旁边的位置，这样可以尽量减少线的长度，避免一些干扰和信号的衰减（因为NRF24L01和Atmega328P使用SPI通讯，速度较快，最高10M，所以尽量避免使用较长的线）
4.我将5V升压电路布置在电路板的左上角，尽量远离主控，因为这个电路的升压芯片E50D工作频率较高（约300K，所以其易对其他的芯片产生较大干扰）
5.我设计电机的电源直接从锂电池取电，所以当多个电机工作时容易造成锂电池电压的波动以及较大的电流，同时容易造成对其他弱电流的设备的干扰。于是我将四路的驱动放在最右边的位置，如图中右侧所示。
6.其他的两路降压电路我则是布置在板子背面，靠上方的位置，给其他的接口留出余地。
7.而6路的数字口以及串行口和模拟输入口，我则全部布置在板子的最下放，尽量远离电源，以减少干扰。
       定好了位置之后就是布线了，这里一般的布线方法有自动布线和手动布线方法，我在这里选择自动布线，不一会儿，线就布好了，如图（其中红色为正面，蓝色为反面）。



       之后就是选择铺铜了，铺铜就是将电路板上空着的部分用铜皮覆盖上，一般铺铜的铜皮都是和地线连接在一起的，这样的设计对整个电路板的抗干扰都有很好的作用:curse:，下面是铺铜之后的样子：



      完成了正面和反面的铺铜，我开始运行DRC（电气规则检查）这个功能所有电路板设计软件都有，主要功能就是可以帮你检查电路板有没有出现什么问题之类的（比如两条线之间距离太近，或者焊盘和某条线短接在一起了，总之在完成设计之前运行一遍DRC可以帮你找出错误，要不然等到制作PCB的时候损失就大了）几秒钟过后。。。。DRC没有报错，说明整个板子没有电路问题，我可以放心的交给工厂制作板子了。首先我先在软件上预览一下电路板完成后的样子：



       确认没有问题了就可以导出文件了，然后提交给工厂了，对于PCB电路板有很多种文件格式，工厂一般都可以接受，在这里我用的是Gerber格式，比较通用。
我选择的工艺是1.6mm双面板，绿油白字，有铅喷锡，1OZ铜厚，价格也是比较便宜，卖家算我25元10块，工期大概3-4天。接下来就是漫长的等待了，哈哈哈。

                                                 总结
最后呢我在给大家总结一些注意事项：
1.选择器件时注意器件的最大电流，电压需要满足需求，不然会导致器件过流/过压而损坏。
2.充分掌握器件的特性，这样会使你设计时候更加得心应手。
3.使用各种IC时请注意查看数据手册，以找到符合要求的器件。
4.PCB设计时优先布置重要，核心元件，然后依次摆放次要元件。
5.信号线尽量远离大电流电源线。
6.避免使用直角走线
7.避免电源线和信号线近距离平行摆放。
8.对于高频线路，周围最好铺铜以减少干扰。


       制作图纸已经提交给了工厂了，需要3-4天的工期，所以等板子到了我会焊接并测试以及改进，如果有什么关于电路设计以及PCB板的问题，欢迎大家提问，我会认真的回复你们。。
       最后，感谢你们阅读我写的这么多文字，希望我此次做的电路可以对你们提供一些帮助和引导，谢谢。

支持！我也想看到合乎需求的最小系统板，继续等后续PCB焊接测试，期待成品……

楼主做PCB用了什么软件啊

DFHklaoyang 发表于 2018-12-2 19:39
楼主做PCB用了什么软件啊

立创EDA，也可以百度一下lceda

终于有大佬出这么详细的画板子教程

好奇吖斌 发表于 2018-12-19 20:24
终于有大佬出这么详细的画板子教程

不敢不敢，论坛上高手很多，这只是抛砖引玉:lol

厉害