梁建華

(臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系,山西 臨汾 041000)

0 引言

燃放鞭炮是中華民族的傳統(tǒng)習(xí)俗。每逢喜慶的日子,人們都喜歡通過燃放煙花鞭炮來表達(dá)喜悅的心情,但是每年因燃放鞭炮而造成的危害時(shí)有發(fā)生,同時(shí)還會(huì)使環(huán)境嚴(yán)重污染。因此，設(shè)計(jì)一種電子鞭炮來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鞭炮產(chǎn)品顯得尤為重要。本文提出了一種新型電子鞭炮的設(shè)計(jì)方案。這種電子鞭炮的“燃放”在性能上已達(dá)到傳統(tǒng)鞭炮的效果,操作簡(jiǎn)單,其“燃放”位置不受限制。它不但能增添節(jié)日的喜慶氣氛,而且更加環(huán)保,同時(shí)在生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和銷售等過程中不會(huì)因操作不當(dāng)引起爆炸,是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和安全的新型產(chǎn)品。

1 Altium Designer的概述

1.1 Altium Designer[1]介紹

“Altium Designer”是Altium公司推出的新一代PCB輔助設(shè)計(jì)軟件,它集成PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)、FPGA設(shè)計(jì)系統(tǒng)和電路仿真系統(tǒng)于一體,能夠?qū)崿F(xiàn)從芯片級(jí)到PCB組的全套電路設(shè)計(jì)。對(duì)設(shè)計(jì)者來說,這個(gè)軟件更方便,更簡(jiǎn)單,更能提高設(shè)計(jì)效率,大大縮短新品的開發(fā)時(shí)間。它具有以下特性:集成了ECAD[2]與MCAD，新增交互式布線引擎、Designer Insight功能，增強(qiáng)內(nèi)層視圖，定制虛擬儀器元件，基于C的定制FPGA邏輯開發(fā)和Allegro PCB的導(dǎo)入等。

1.2 Altium Designer的組成

Altium Designer并不只是具有單一的電子電路設(shè)計(jì)工具,更是一個(gè)較完善和功能齊全的電路設(shè)計(jì),仿真與PCB的制作系統(tǒng),它包含以下四大設(shè)計(jì)模塊,即：

1)原理圖設(shè)計(jì)模塊。它主要用于電路原理圖的設(shè)計(jì),并生成原理圖的網(wǎng)絡(luò)表文件,為電路仿真或PCB設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

2)原理圖仿真模塊。該模塊主要用于電路原理圖的模擬運(yùn)行,用來檢驗(yàn)電路在原理設(shè)計(jì)過程中是否存在不足之處,能使電路在模擬真實(shí)的環(huán)境下運(yùn)行。

3)PCB設(shè)計(jì)模塊。它將SCH原理圖設(shè)計(jì)成現(xiàn)實(shí)的印制電路圖,由它生成的PCB文件將直接應(yīng)用于PCB的生產(chǎn)。

4)可編程邏輯元件設(shè)計(jì)模塊。該模塊可對(duì)PCB上的可編程邏輯元件編程,通過編譯后,再將文件燒錄到邏輯元件中,生成具備特定功能的元件。

1.3 Altium Designer電路的設(shè)計(jì)流程

下面介紹Altium Designer的文件系統(tǒng)、電子電路設(shè)計(jì)及PCB設(shè)計(jì)的流程:

1)文件系統(tǒng)流程。創(chuàng)建一個(gè) “PCB Project”,添加電路原理圖設(shè)計(jì)文件,添加PCB設(shè)計(jì)元件,生成一個(gè)工程名為【Filter PrjPcb】的文件,并將所有其它項(xiàng)目文件保存在同一個(gè)文件夾中。

2)繪制原理圖流程。在工程名為【Filter PrjPcb】的文件中,打開“Filter SchDoc”文件,選擇元器件,設(shè)置元器件屬性,放置元器件,放置其它元件,繪制線路,完成連線后生成原理圖。

3)繪制PCB圖流程。 打開“Filter PcbDoc”文件，進(jìn)入PCB編程環(huán)境,單擊【Validate Changes】按鈕，對(duì)所做改變進(jìn)行驗(yàn)證,單擊棕色元件放置區(qū)內(nèi)沒有元件的位置,按住鼠標(biāo)將所有元件拖至編輯區(qū)內(nèi),再次單擊放置區(qū)內(nèi)沒有元件的位置選中放置區(qū)間,并按鍵盤上的【Del】鍵，將區(qū)間刪除,只留下元件進(jìn)行元件的布局;開始進(jìn)行元件布局;電路布線是PCB設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵部分,由于設(shè)計(jì)的電路簡(jiǎn)單,選用單層板布線,頂層用于放置元件,底層用于電路走線,即采用交互式布線,布線時(shí)對(duì)導(dǎo)線寬度設(shè)置,在交互式布線的狀態(tài)下按下鍵盤的【Tab】鍵，彈出【交互式布線】設(shè)置框,并設(shè)置相應(yīng)參數(shù);單擊各元件引腳,移動(dòng)指針即可拉出一條藍(lán)色的連線，到達(dá)下一件元件引腳后，再單擊鼠標(biāo)左鍵，即可完成一條電氣導(dǎo)線的連接,用同樣的方法完成其它導(dǎo)線的連接,單擊鼠標(biāo)右鍵，退出交互式布線狀態(tài)，最終完成PCB圖設(shè)計(jì)。

2 電子鞭炮設(shè)計(jì)方案

2.1 電子鞭炮工作原理

電子鞭炮工作原理是按下開關(guān)S1通電,通過橋堆VD3整流、電容C4濾波,形成300 V直流電,傳遞給炸頭強(qiáng)磁空爆機(jī)和炸頭的脈沖發(fā)生器,經(jīng)炸頭的脈沖發(fā)生器生成的脈沖信號(hào)作用到雙向晶閘管VS1控制極,使兩個(gè)陽極間導(dǎo)通與斷開呈現(xiàn)周期性,使得脈沖升壓電路(雙向晶閘管VS1和升壓變壓器T1)進(jìn)行周期性充放電,在升壓變壓器次級(jí)線圈感應(yīng)出很高的脈動(dòng)電壓(500 V～1 000 V),此脈動(dòng)電壓與整流后的300 V直流電疊加后都送至強(qiáng)磁空爆機(jī)構(gòu),使空氣發(fā)生劇烈電離,也就產(chǎn)生了鞭炮“燃放”時(shí)周期性聲光俱現(xiàn)的效果。電子鞭炮工作原理圖如圖1所示。

圖1 電子鞭炮電路原理圖Fig.1 Circuit schematic diagram of electronic firecracker

2.2 電子鞭炮電路組成

分析電子鞭炮的工作原理圖可知,該電路有三部分組成:電源開關(guān)電路、溫度控制電路和炸頭電路。

1)電源開關(guān)電路。由按鍵開關(guān)S1作為電源的控制,用來切斷與供給220 V交流電,以達(dá)到對(duì)電子鞭炮的“燃放”控制的目的。

2) 溫度控制電路。由熱敏電阻R6和溫度開關(guān)KSD301組成,這兩個(gè)元件采用的是組合貼靠安裝,當(dāng)電子鞭炮在“燃放”工作狀態(tài)時(shí),它們互相傳遞熱量,同時(shí)升高溫度,以達(dá)到溫度開關(guān)的開關(guān)臨界點(diǎn),促使開關(guān)開始動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子鞭炮在“燃放”時(shí)因時(shí)間過長(zhǎng)而自動(dòng)斷電的保護(hù)功能。

3)炸頭電路。它是整個(gè)電路的核心部分,主要有整流、濾波、脈沖發(fā)生器、脈沖升壓和強(qiáng)磁空爆機(jī)構(gòu)組成。其中橋式整流VD3對(duì)輸入的220 V交流電進(jìn)行整流,并由電容C4進(jìn)行濾波,形成的直流電壓達(dá)300 V左右,分別供給炸頭中的強(qiáng)磁空爆機(jī)構(gòu)及炸頭的脈沖發(fā)生器,產(chǎn)生電子脈沖的幅度與頻率均符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 元器件的選取及作用

1)元器件選取。電子鞭炮的電路中所用到的元器件主要有電阻、電容、二極管、三極管和晶閘管等,它們選取參數(shù)與要求如表1所示。

表1 電子鞭炮元器件表Table 1 Electronic firecracker component table

2)主要元器件的作用[3]。電容器在電路中的作用是濾波,具有隔直流,通交流的特性;二極管VD1及VD2具有單向?qū)щ娦宰饔?三極管VT1是NPN型的,具有放大、截止、飽和三個(gè)工作狀態(tài),在此電路中,它一直處于截止?fàn)顟B(tài);雙向晶閘管VS1是雙向可控硅,它是一種大功率的半導(dǎo)體開關(guān)器件,在電路中起到“開關(guān)”作用;橋式整流堆VD3,它在電路中主要是將220 V交流電整流成直流電,屬于全波整流。

升壓變壓器T1在電路中完成升電壓作用,其低壓側(cè)線圈采用直徑為0.25 mm的漆包線,高壓側(cè)線圈采用直徑為0.1 mm的漆包線。

3 電子鞭炮設(shè)計(jì)過程[4]

首先根據(jù)所掌握的Altium Designer的文件系統(tǒng)、電子電路設(shè)計(jì)及PCB設(shè)計(jì)的流程來繪制出工作電路的PCB圖,尤其是炸頭電路的PCB圖如圖2所示,然后依據(jù)元器件選取表,正確選擇,保證無損壞,參數(shù)符合要求,嚴(yán)格按照焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)在電路板上進(jìn)行焊接[5],并進(jìn)行封裝,通過導(dǎo)線接至強(qiáng)磁空爆機(jī)構(gòu)的接線柱上,至此完成炸頭的裝配工作;其次把裝成串的電子鞭炮做成與傳統(tǒng)鞭炮相似,具體要求炸頭數(shù)量要成對(duì)配置,數(shù)量上越多,聲光強(qiáng)度就越逼真,效果更明顯;最后引入220 V交流電源,加入溫度控制電路,安裝好控制開關(guān),輕輕按動(dòng)開關(guān)就可實(shí)現(xiàn)電子鞭炮連續(xù)“燃爆”的目的。

圖2 炸頭電路的PCB圖Fig.2 PCB Diagram of Explosive Head Circuit

4 結(jié)束語

通過對(duì)電子鞭炮工作電路原理圖的分析,經(jīng)選取元器件、繪制PCB圖和裝配等過程完成了對(duì)電子鞭炮的設(shè)計(jì),并對(duì)該產(chǎn)品在聲音效果、光度自然性和產(chǎn)品微性化等方面進(jìn)行了改進(jìn),使電子鞭炮的“燃放”在性能上達(dá)到傳統(tǒng)鞭炮的效果,操作簡(jiǎn)單，“燃放”位置不受限制,既能增加節(jié)日的喜慶氣氛,又在生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和銷售等過程中不易產(chǎn)生爆炸安全隱患,是一種既安全又環(huán)保新型產(chǎn)品。