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1. 這是一個職業(yè)技能比賽的項目，本身技術(shù)比較簡單，文檔為了應(yīng)賽、描述有牽強附會之嫌，請讀者理解原諒~
2. 本項目僅供學(xué)習(xí)分享交流，所有的器件都是比賽硬性規(guī)定的，并不具有實用性和商業(yè)價值！
3. 屏幕設(shè)計的時候畫反了，用取模扣的字，一次只能最多顯示8個字，所以顯示的東西不多。
4. 這個立創(chuàng)工程是AD導(dǎo)入（比賽要求用AD，2333），可能格式不對，請直接用附件打樣。
5. 如果對你有一定幫助，我很高興！

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A、作品使用說明

1.功能概覽

作品有4個功能鍵：ON/OFF(加濕啟停)、+(位增加)、-(位減小)、SET(設(shè)置和修改預(yù)設(shè)濕度值)。

作品開機顯示當前室內(nèi)環(huán)境的相對濕度,例如RH(相對濕度):76% 。

如果當前室內(nèi)濕度低于默認預(yù)設(shè)值75%，并且水位正常，作品將自動開始加濕。

當濕度達到預(yù)設(shè)值時，加濕功能將自動停止；當水位過低時，將會觸發(fā)聲光報警，并自動停止加濕功能。

一旦停止加濕，作品將等待條件恢復(fù)，并重新啟動加濕功能。此外，用戶也可以手動關(guān)閉加濕功能。

2.修改濕度預(yù)設(shè)值

修改濕度預(yù)設(shè)值，例如從默認預(yù)設(shè)值75%，更改為85% 。

按下“SET”鍵，此時屏幕上出現(xiàn)箭頭，指向濕度值的十位，表示開始修改濕度預(yù)設(shè)值的十位。

按下“+” 鍵，把這一位增加。（按下“-” 鍵，把這一位減小。）

第二次按下“SET”鍵，此時屏幕箭頭移動并指向濕度值的個位，表示開始修改濕度預(yù)設(shè)值的個位。

第二次按下“SET”鍵， 確認溫度預(yù)設(shè)值的修改。

此時屏幕恢復(fù)顯示室內(nèi)當前濕度，同時在第二欄交替顯示“OK”“85”表示溫度預(yù)設(shè)值成功修改為85%，蜂鳴器長鳴。

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B、電路設(shè)計文檔

2023一帶一路

暨金磚國家技能發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新大賽

集成電路設(shè)計與應(yīng)用大賽湖北省選拔賽

集成電路PCB設(shè)計與應(yīng)用賽項

電路設(shè)計文檔

題目：	智能加濕器
學(xué)校：	*******
參賽隊名：	*******
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一、賽題設(shè)計任務(wù)指標要求

金磚國家技能發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新大賽，旨在為金磚國家建立人才選拔通道，提升人才培養(yǎng)能力，服務(wù)先進制造領(lǐng)域，促進金磚國家技能發(fā)展。

我隊參加的是湖北賽區(qū)選拔賽、集成電路PCB設(shè)計與應(yīng)用賽項，選擇 “智能加濕器設(shè)計”賽題。該賽題要求使用AT89C52單片機構(gòu)建一個加濕器，并實現(xiàn)多項功能：

1.核心板工作溫度為-40℃~ +85℃；

2.采用12V直流供電，通過L7805轉(zhuǎn)換為5V作為系統(tǒng)電源；

3.采用DHT22傳感器設(shè)計溫濕度檢測電路；

4.采用TC301D電容式檢測芯片設(shè)計液位檢測電路；

5.采用1602液晶屏，實時監(jiān)測室內(nèi)溫濕度，通過按鍵控制加濕系統(tǒng)的啟停、設(shè)置濕度預(yù)設(shè)值；

6.加濕功能通過超聲霧化裝置實現(xiàn)，加濕器工作時，指示燈亮。

我們通過認真閱讀器件的數(shù)據(jù)手冊和應(yīng)用文檔，了解了器件電路設(shè)計的要點，并以低成本和高可靠性為目標，完成了嚴謹合理的設(shè)計。

經(jīng)過測試，作品完整實現(xiàn)了賽題要求。

在本報告中，我們將對作品的硬件設(shè)計思路和細節(jié)進行詳細介紹，感謝各位專家評委的審閱。

二、設(shè)計思路與實現(xiàn)方案

2.1電路原理框圖

圖1 電路原理框圖

2.2方案簡介

如框圖1所示，單片機核心為AT89C52。復(fù)位電路由阻容構(gòu)成，用于重置單片機；晶振電路包括12MHz晶振和47pF負載電容，為單片機提供時鐘信號；

液位檢測基于TC301D芯片，通過不同液位的電容變化實現(xiàn)檢測，返回特定電平值給單片機；溫濕度檢測基于DHT22，通過單總線與單片機通信，傳遞溫濕度數(shù)字量；按鍵部分包括“開關(guān)”、“增加”、“減少”和“設(shè)置”四個鍵；顯示電路基于LCD1602并口顯示屏；聲光報警功能通過蜂鳴器和LED實現(xiàn)；

作品電源輸入為12V，經(jīng)過L7805轉(zhuǎn)為5V后，作為系統(tǒng)電源供給整個系統(tǒng)。

三、各功能部分

3.1電源電路

如圖2，L7805和濾波電容組成電源。F1為自恢復(fù)保險絲，保護電路，給作品提供更高的安全性和穩(wěn)定性。

圖2 電源電路

3.2單片機最小系統(tǒng)

本設(shè)計的主控芯片為AT89C52單片機。單片機最小系統(tǒng)如圖3所示。C19是去耦電容，消除電源線上的高頻噪聲，保證單片機的穩(wěn)定工作。電容C1、C2與晶振X1構(gòu)成時鐘電路。

圖3 單片機最小系統(tǒng)

C1、C2是單片機晶振X1的負載電容，大小的選取直接影響單片機時鐘的起振和精度。如圖4，數(shù)據(jù)手冊提示，當X1為12M時，負載電容C1、C2應(yīng)在47pF左右。

圖4 單片機手冊對晶振負載電容選取的建議

圖5右側(cè)展示的是本作品的復(fù)位電路，用于使單片機在上電后或運行中恢復(fù)至起始狀態(tài)。SW1按鍵可以手動觸發(fā)復(fù)位功能，通過將RST腳拉高實現(xiàn)復(fù)位操作。

在系統(tǒng)上電時，C17相當于通路，使RST腳的電壓瞬間變?yōu)楦唠娖健Ｈ缓螅琑1開始泄放C17的電荷，導(dǎo)致RST腳電壓逐漸降低，最終降到低電平區(qū)間。在放電的過程中，RST腳的高電平持續(xù)了大約100ms才跌落到1V以下，這遠大于2個機器周期的復(fù)位時間要求。因此，復(fù)位電路能夠有效地完成復(fù)位操作。

圖5 左：單片機手冊對RC復(fù)位電路的建議，右：本作品的復(fù)位電路

如圖5左側(cè)所示，作品的取值遵循數(shù)據(jù)手冊:C=10uF、R=10K。

這是合理的，若系統(tǒng)選用12MHz石英晶振，一個機器周期為1us，因此復(fù)位信號的脈沖寬度最小也要2us以上。但實際設(shè)計中，最好不要貼近理論值去構(gòu)造電路。復(fù)位信號脈沖寬度最好在20至200ms之間，這樣才可確保電路的穩(wěn)定性。

3.3按鍵電路

如圖6的按鍵電路，上拉電阻R12采用貼片排阻，確保IO口在沒有按鍵操作時，保持在高電平狀態(tài)。C3-C6是按鍵的消抖電容，用于消除按鍵在接觸時產(chǎn)生的抖動信號，確保信號穩(wěn)定有效。

需要注意的是，在實際生產(chǎn)場景中為了降低成本，上拉排阻和消抖電容可以空置不貼。單片機可通過代碼配置，將IO口初始化為高電平，按鍵消抖也可通過軟件實現(xiàn)。

在本次設(shè)計中，為了冗余保險，節(jié)約開發(fā)過程中修改調(diào)試的成本和時間，作品依舊在電路和PCB上保留上拉排阻與消抖電容。

圖6 按鍵電路

3.4屏幕電路

本設(shè)計的顯示電路如圖7所示，通過LCD1602液晶屏與用戶交互、實時顯示濕度值。電位器R13用于調(diào)節(jié)顯示對比度。

LCD1602液晶屏通過一組8位并口與單片機通信，另有3根控制信號線：讀寫控制RW、寄存器選擇RS和命令使能E。因為本設(shè)計只需要寫數(shù)據(jù)，所以將控制讀寫的RW保持接地。

圖7 屏幕電路

3.5溫濕度檢測電路

溫濕度檢測電路如圖8所示，DHT22傳感器通過單總線與單片機通信，實時監(jiān)測濕度。R4為上拉電阻，C11為去耦電容，提高電路穩(wěn)定性。

圖8 溫濕度檢測電路

3.6霧化使能和驅(qū)動電路

霧化使能和驅(qū)動電路如圖9所示，左半部分為霧化使能電路，用于控制是否給后級的霧化升壓驅(qū)動電路供電。作品選用的霧化片需要在交流高壓下工作，圖9的右半部分為霧化片的升壓驅(qū)動電路。

該小節(jié)電路原理將在后文第五章“賽題設(shè)計創(chuàng)新點介紹”中詳細展開，敬請留意。

圖9 霧化使能和驅(qū)動電路

3.7水位檢測電路

圖10展示了一種基于電容傳感芯片TC301D的水位檢測電路。

圖10 水位檢測電路

其中，VREG腳是TC301D內(nèi)部參考源輸出，按手冊要求接4.7nf電容。CR和SEN腳接電容C12和C13對地，用于調(diào)節(jié)芯片監(jiān)測電容變化的靈敏度。電容值越小，靈敏度越高。具體電容值根據(jù)實際情況選擇，本設(shè)計中C12=15Pf，C13=8pF。對于這些關(guān)鍵電容，作品選用溫度特性優(yōu)秀的NPO材質(zhì)，以保證在賽題要求的-40℃~ +85℃范圍內(nèi)，電路特性穩(wěn)定不變。

FUN腳同樣用于調(diào)節(jié)芯片的靈敏度。在水位監(jiān)測這種電容變化較慢的情況下，F(xiàn)UN腳需要懸空。

CX為電容感應(yīng)的輸入端，串聯(lián)3K電阻限流保護芯片。

OUT腳為芯片的狀態(tài)輸出。當水位變化引起CX腳所接電極的電容發(fā)生變化時，OUT腳輸出低電平。

3.8聲光報警電路

圖11是缺水聲光報警電路。BUZZER1是一個有源或無源蜂鳴器，Q1用作高電平開關(guān)驅(qū)動蜂鳴器。D1是續(xù)流二極管，避免感性負載通斷電產(chǎn)生的高壓擊穿Q1。

圖11 聲光報警電路

3.9整體電路設(shè)計

圖12 整體電路圖

四、PCB設(shè)計要點

4.1水位監(jiān)測芯片布線

水位監(jiān)測芯片TC301D是相當敏感的器件，作品在PCB設(shè)計上對它進行了謹慎的考慮。

如圖13，為了提高水位電極輸入接口的穩(wěn)定性，作品在設(shè)計中采用較細的7mil走線，并在輸入走線周圍進行包地處理，避免被干擾。

為了保證TC301D的供電足夠干凈，作品采用獨立的電源線供電，電容C2就近去耦。 同時，為芯片準備一條獨立的回流路徑，在芯片周圍的PCB頂層不鋪地，不與其他電路共用地線。

圖13 水位監(jiān)測芯片布線

4.2晶振布局

晶振布局的優(yōu)劣直接影響單片機工作的穩(wěn)定性，本作品的布局如圖14所示。

圖14 晶振布局

首先，晶振下方凈空，確保沒有其它走線穿過。

同時，晶振被布置在距離單片機最近的位置，以盡可能減少振蕩回路的寄生參數(shù)，避免停振現(xiàn)象的發(fā)生。晶振本身也是噪聲源，更短的走線可以有效減少噪聲的輻射。

另外，為了進一步抑制晶振噪聲對外圍電路和環(huán)境的影響，作品在晶振周圍添加了適量的地孔，并對晶振走線進行了包地處理。

4.3去耦電容的放置

圖15展示了作品中去耦電容的放置，紫色框中的100nF電容用作去耦，被放置在緊靠器件電源端的位置。

圖15 去耦電容的放置

去耦電容的作用是濾除電源噪聲和抑制器件工作對其他器件造成的干擾。當芯片等器件對電流的需求發(fā)生變化時，會在電源平面的一個小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電壓擾動，而去耦電容可對此進行補償。

容值最小的電容具有最高的諧振頻率，去耦半徑最小，因此會放置在最靠近器件的位置。容值稍大些的電容可以放置在稍遠的位置，最外層放置容值最大的電容。

在PCB設(shè)計中，需要保證去耦半徑，從而達到最佳效果。

4.4 PCB整體效果圖

圖16 3D仿真頂面

圖17 3D仿真底面

圖18 Geber圖形頂面

圖19 Geber圖形底面

4.5 PCB設(shè)計驗證

如圖20，設(shè)計經(jīng)過DRC測試，沒有錯誤。

圖20 DRC檢查結(jié)果

圖21、22、23是焊接好后的實物外觀，實測表明設(shè)計完整實現(xiàn)了賽題要求，能夠穩(wěn)定可靠的運行。

圖21 實物主板頂面

圖22 實物主板底面

圖23 實物安裝屏幕

五、賽題設(shè)計創(chuàng)新點

5.1電路設(shè)計創(chuàng)新點

霧化片的驅(qū)動在賽題設(shè)計中需要重點考慮，它的工作條件是108KHz、70V左右的交流高壓。

首先，需要產(chǎn)生108KHz振蕩信號。一種方法是單片機直接生成，但AT89C52資源有限，用IO口模擬振蕩信號和其它的功能存在任務(wù)調(diào)度上的問題。理論上，可通過裸機大循環(huán)配合中斷去實現(xiàn)。但比賽時間緊任務(wù)重，穩(wěn)妥起見，作品采用價格低廉、性能穩(wěn)定的NE555產(chǎn)生振蕩信號。

如圖24所示，U3 NE555振蕩產(chǎn)生108 KHz的驅(qū)動信號。電位器R14用于微調(diào)振蕩電路的頻率，三腳電感L1的初級與NMOS Q2的漏極相連，Q2給L1初級快速通斷電，通過L1次級自耦升壓驅(qū)動霧化片工作。

在MOS的柵極與驅(qū)動電路之間串聯(lián)小電阻R7是常見的做法，目的是衰減柵極上出現(xiàn)的振蕩，提高電路穩(wěn)定性。

圖24 霧化片振蕩升壓驅(qū)動電路

圖25是霧化片的使能電路。Q3是數(shù)字晶體管DTC143EE，數(shù)字晶體管內(nèi)部集成了兩個電阻，在安裝空間、成本和穩(wěn)定性上有優(yōu)勢。Q4是低內(nèi)阻PMOS，當單片機給Q3基極高電平時，Q3對地導(dǎo)通，Q4柵極被拉低，Q4導(dǎo)通，霧化片接通電源開始工作。反之，當單片機給Q3基極低電平時，霧化片被斷電。

圖25 霧化片使能電路

5.2 PCB設(shè)計創(chuàng)新點

①PCB總體設(shè)計思路

首先，作品PCB長寬為10*6cm，較為小巧精致。

如圖26，PCB四角是友好不傷手的圓角設(shè)計。同時，為了給應(yīng)用場景中的裝配增加靈活性，PCB預(yù)留了4個扇形螺絲孔。這些螺絲孔與板上的電源地相連，可泄放靜電、提高電磁抗擾度，采用扇形設(shè)計則更有利于螺絲的接觸。

圖26 扇形螺絲孔和圓角設(shè)計

如圖27，作品廣泛采用表貼器件，有效縮小體積，提高了電路的穩(wěn)定性和緊湊性，順應(yīng)了時代潮流。

圖27 廣泛采用表貼器件

為了提高電路的穩(wěn)定性，PCB進行了大面積覆銅，并將銅皮與GND相連，正反兩面的地銅用適量縫合孔連為一體，提供了低阻抗的回流路徑。覆銅還有助于增強散熱效果，提高板層強度，有效抵御機械應(yīng)力的挑戰(zhàn)。

②PCB熱穩(wěn)定性考慮

賽題要求作品使用經(jīng)典的L7805線性穩(wěn)壓器，電路簡單、成本低、紋波小。但由于其工作效率較低，在高壓差、大功率場景下容易產(chǎn)生較多的熱量，從而影響設(shè)計的穩(wěn)定性和可靠性。

因此作品考慮了一些散熱措施。

如圖28，作品使用直插封裝的L7805。首先，PCB通過開窗去除阻焊，在地平面裸露出一塊與L7805背面等大小的銅皮。同時，在裸露銅皮上添置適量縫合孔，以提高導(dǎo)熱效果。最后，在裝配中用焊錫將L7805的金屬基底與PCB的銅皮焊接在一起。

圖28 改善L7805散熱

由此，器件產(chǎn)生的熱量將通過銅皮快速釋放，從而低成本實現(xiàn)了與添加散熱片相同的效果、極大提升了作品的穩(wěn)定性、可靠性。

如圖29，霧化片驅(qū)動管也采取了同樣的措施。

圖29 改善霧化片驅(qū)動管散熱

六、結(jié)語

感謝老師、同學(xué)和經(jīng)驗人士給予的建議與支持。

感謝主辦方和學(xué)校提供金磚大賽這么一個發(fā)揮才能的舞臺，這是一段極有意義的經(jīng)歷——通過在有限時間內(nèi)、設(shè)計實現(xiàn)一個完整的作品，我們得到了很好的鍛煉。

最后，衷心感謝各位專家評委為審閱文稿付出的辛勤勞動。

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