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【实例分享】一个电子产品的设计制作

导读: 这篇文章我将会以一个实例来叙述一个产品的完整制作过程。即使这个实例不是你感兴趣的,也一定要看下去。因为这其中涉及到了很多的电子设计基础知识点,涉及到了模拟电子和数字电子方面的很多知识。然而,任何一个电子产品都是基础知识点的融合,那种很花哨的招式一般是用不上的。

  OFweek电子工程网讯 我以前写的东西,都是某个项目中的一个小片段知识点。对于曾经遇到过类似问题的人,看过之后就会感觉很有用。如果之前没有遇到过,可能看过之后就忘记了,也可能看了也不明白写的什么意思。

  这篇文章我将会以一个实例来叙述一个产品的完整制作过程。即使这个实例不是你感兴趣的,也一定要看下去。因为这其中涉及到了很多的电子设计基础知识点,涉及到了模拟电子数字电子方面的很多知识。然而,任何一个电子产品都是基础知识点的融合,那种很花哨的招式一般是用不上的。

  从需求、外壳选型、芯片选型、原理图设计、PCB设计、制板、焊接、程序设计、调试、优化,一直到最终的产品,一条龙都会讲到。

  我坚信,即使你现在工作了好几年了,在这个产品的设计中用到的某些知识,你不一定遇到过。所以,这篇文章不仅仅是适合初学者!多数人看了都会从中受益。

  既然是要说一个完整的制作过程,就需要先从需求开始说起。

  需求:发动机数字转速表(数码管显示)

  先给大家介绍一个行业:汽车教学用具。这种教具的客户是开设了汽车原理、汽车维修等关于汽车类专业的大中专院校。教具主要是发动机教具、变速箱教具、转向系统教具、ABS刹车教具、新能源管理教具等。例如:大众帕萨特1.8T发动机实训台,在实训台上,把原车的发动机安装到一个台架上,然后想办法使它正常工作。

  发动机的转速信号传感器一般有三种:磁电、霍尔、光电。磁电用的最多,我们这里也是要做磁电的转速表。

  磁电传感器有两条线,出来的信号是正弦波,这个正弦波的幅值和频率都是随着转速的增加而增加。转速越快,幅值越大,频率越高。在转速低的时候,幅值可能只有几十个mV,转速大的时候,幅值可能会有15V。频率一般是从0到几千赫兹。

  在拿到需求以后,我们一般会把这些需求转化为我们电子类的专业术语表示。做过项目的都知道,客户说的,我们可能听不懂,而我们说的,客户可能也听不懂。所以在需求沟通的时候,就需要坐下来谈谈,电话里边是很难说清楚的。

  拿电子专业术语来说,我们要做的这个产品,就是:正弦波频率计。

  需求搞明白了,就可以进入设计选型阶段了。设计选型阶段,主要靠的是行业经验和设计经验。

  这里,我们产品的外壳选择用标准的5135外壳,便于安装到教具的台架面板上,数码管选用0.56寸的,因为这种外壳用0.56寸的数码管很合适,空间占用比例很好。

  【实例分享】一个电子产品的设计制作

  5135外壳配套的电路板尺寸为3.68*6.9,比较小,所以我们尽量用小封装的电子元器件。我们暂定只要有贴片封装的,都用贴片的,电阻电容选用0805封装的。

  因为汽车的转速信号最大是8000转,一般我们也就是在1000~3000转之间使用。所以我们选择4位的数码管,用芯片TM1620驱动。TM1620是天微电子的一款数码管驱动芯片,SOP20封装,这个芯片与单片机采用SPI接口,只需要占用单片机的3个引脚,就可以用单片机控制显示任何数字了。

  汽车上的所有用电设备,一般都是蓄电池供电,蓄电池的电压是12V左右,如果教具上面不需要安装汽车的蓄电池,一般用12V的开关电源供电。所以我们要做的这个产品,是用12V供电的。

  为了避免电源电压波动对电路造成的影响,我们选择9~36V输入、5V输出的电源芯片XL1509-5.0,该芯片为SOP8封装。

  信号处理原理是:把正弦波整形为方波,然后交给单片机测量频率,单片机再负责把这个频率显示到数码管上。这其中,我们要显示的是转速,测到的频率和转速可能不是一个数,有可能是由一定的比例关系,所以还需要单片机运算一下,为了方便兼容各种车型,我们增加一个校准按钮。

  正弦波整形为方波,人们一般的使用方法是使用比较器或者施密特触发器,就是把信号的一条线接GND,另一条线作为输入。如下图所示:

  【实例分享】一个电子产品的设计制作

  但是,我们不能直接使用这种方法。因为,在使用原车ECU的情况下,如果你把信号的其中一个引脚接GND,将会引起ECU报故障。

  ECU,是车上的电子控制器,通常叫它行车电脑,现在所有的车上都有。就是一张载有单片机加各种外围电路的电路板,主要功能是采集车速转速、控制燃油喷射时间等。

  为了避免上述情况,我们用三运放构成的仪表放大电路缓冲一下正弦波信号,该电路为差分输入、单端输出,正好适合我们现在的应用。

  【实例分享】一个电子产品的设计制作

  信号的两条线分别从VIN1和VIN2进入,最后从VOUT输出。我们使用SOP8封装的MCP6002,这个芯片是轨到轨输出。什么是轨到轨?我以前的公众号也发过一篇文章介绍。这个功能可以避免由于输入电压过大引起的信号翻转失真。

  后面做实验的时候,我用普通的、不是轨到轨的放大器给大家演示一下电压过大产生的信号相位翻转失真。

  单片机我选择SOP16封装的STC15W408AS,这个单片机内部有比较器,可以用来给正弦波整形。自带的捕获功能,专门用来测量脉冲信号,可以减少代码量。

  基本思路就是这些,具体的细节问题,我们在画电路板的时候再介绍。

  接下来进入原理图设计环节。

  说到画板,有些人使用AD,有些人使用Pads,有些人使用Cadence,有些人使用Kicad……为了方便所有的人,这里我使用easyeda,它的好处是不用你电脑上装软件,因为它是使用浏览器编辑的。画好的板子,我也会提供给大家,大家用浏览器就可以打开了,如果需要,可以一键生成gerber文件发到工厂做板子。

  这篇文章中,我将会对电路的原理和细节做详细的解释。

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责任编辑:Trista
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