一種基于Altium Designer軟件的電子鞭炮的設計

梁建華

(臨汾職業技術學院 機電系,山西 臨汾 041000)

0 引言

燃放鞭炮是中華民族的傳統習俗。每逢喜慶的日子,人們都喜歡通過燃放煙花鞭炮來表達喜悅的心情,但是每年因燃放鞭炮而造成的危害時有發生,同時還會使環境嚴重污染。因此，設計一種電子鞭炮來代替傳統的鞭炮產品顯得尤為重要。本文提出了一種新型電子鞭炮的設計方案。這種電子鞭炮的“燃放”在性能上已達到傳統鞭炮的效果,操作簡單,其“燃放”位置不受限制。它不但能增添節日的喜慶氣氛,而且更加環保,同時在生產、儲運和銷售等過程中不會因操作不當引起爆炸,是一種經濟、環保和安全的新型產品。

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輔助設計軟件,它集成PCB設計系統、FPGA設計系統和電路仿真系統于一體,能夠實現從芯片級到PCB組的全套電路設計。對設計者來說,這個軟件更方便,更簡單,更能提高設計效率,大大縮短新品的開發時間。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，增強內層視圖，定制虛擬儀器元件，基于C的定制FPGA邏輯開發和Allegro PCB的導入等。

1.2 Altium Designer的組成

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

1)原理圖設計模塊。它主要用于電路原理圖的設計,并生成原理圖的網絡表文件,為電路仿真或PCB設計奠定基礎。

2)原理圖仿真模塊。該模塊主要用于電路原理圖的模擬運行,用來檢驗電路在原理設計過程中是否存在不足之處,能使電路在模擬真實的環境下運行。

3)PCB設計模塊。它將SCH原理圖設計成現實的印制電路圖,由它生成的PCB文件將直接應用于PCB的生產。

4)可編程邏輯元件設計模塊。該模塊可對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電路的設計流程

下面介紹Altium Designer的文件系統、電子電路設計及PCB設計的流程:

1)文件系統流程。創建一個 “PCB Project”,添加電路原理圖設計文件,添加PCB設計元件,生成一個工程名為【Filter PrjPcb】的文件,并將所有其它項目文件保存在同一個文件夾中。

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，進入PCB編程環境,單擊【Validate Changes】按鈕，對所做改變進行驗證,單擊棕色元件放置區內沒有元件的位置,按住鼠標將所有元件拖至編輯區內,再次單擊放置區內沒有元件的位置選中放置區間,并按鍵盤上的【Del】鍵，將區間刪除,只留下元件進行元件的布局;開始進行元件布局;電路布線是PCB設計最為關鍵部分,由于設計的電路簡單,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,布線時對導線寬度設置,在交互式布線的狀態下按下鍵盤的【Tab】鍵，彈出【交互式布線】設置框,并設置相應參數;單擊各元件引腳,移動指針即可拉出一條藍色的連線，到達下一件元件引腳后，再單擊鼠標左鍵，即可完成一條電氣導線的連接,用同樣的方法完成其它導線的連接,單擊鼠標右鍵，退出交互式布線狀態，最終完成PCB圖設計。

2 電子鞭炮設計方案

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,傳遞給炸頭強磁空爆機和炸頭的脈沖發生器,經炸頭的脈沖發生器生成的脈沖信號作用到雙向晶閘管VS1控制極,使兩個陽極間導通與斷開呈現周期性,使得脈沖升壓電路(雙向晶閘管VS1和升壓變壓器T1)進行周期性充放電,在升壓變壓器次級線圈感應出很高的脈動電壓(500 V～1 000 V),此脈動電壓與整流后的300 V直流電疊加后都送至強磁空爆機構,使空氣發生劇烈電離,也就產生了鞭炮“燃放”時周期性聲光俱現的效果。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:電源開關電路、溫度控制電路和炸頭電路。

1)電源開關電路。由按鍵開關S1作為電源的控制,用來切斷與供給220 V交流電,以達到對電子鞭炮的“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KSD301組成,這兩個元件采用的是組合貼靠安裝,當電子鞭炮在“燃放”工作狀態時,它們互相傳遞熱量,同時升高溫度,以達到溫度開關的開關臨界點,促使開關開始動作,實現了對電子鞭炮在“燃放”時因時間過長而自動斷電的保護功能。

3)炸頭電路。它是整個電路的核心部分,主要有整流、濾波、脈沖發生器、脈沖升壓和強磁空爆機構組成。其中橋式整流VD3對輸入的220 V交流電進行整流,并由電容C4進行濾波,形成的直流電壓達300 V左右,分別供給炸頭中的強磁空爆機構及炸頭的脈沖發生器,產生電子脈沖的幅度與頻率均符合標準。

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具有單向導電性作用;三極管VT1是NPN型的,具有放大、截止、飽和三個工作狀態,在此電路中,它一直處于截止狀態;雙向晶閘管VS1是雙向可控硅,它是一種大功率的半導體開關器件,在電路中起到“開關”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,其低壓側線圈采用直徑為0.25 mm的漆包線,高壓側線圈采用直徑為0.1 mm的漆包線。

3 電子鞭炮設計過程[4]

首先根據所掌握的Altium Designer的文件系統、電子電路設計及PCB設計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,然后依據元器件選取表,正確選擇,保證無損壞,參數符合要求,嚴格按照焊接工藝標準在電路板上進行焊接[5],并進行封裝,通過導線接至強磁空爆機構的接線柱上,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鞭炮相似,具體要求炸頭數量要成對配置,數量上越多,聲光強度就越逼真,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,輕輕按動開關就可實現電子鞭炮連續“燃爆”的目的。

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

4 結束語

通過對電子鞭炮工作電路原理圖的分析,經選取元器件、繪制PCB圖和裝配等過程完成了對電子鞭炮的設計,并對該產品在聲音效果、光度自然性和產品微性化等方面進行了改進,使電子鞭炮的“燃放”在性能上達到傳統鞭炮的效果,操作簡單，“燃放”位置不受限制,既能增加節日的喜慶氣氛,又在生產、儲運和銷售等過程中不易產生爆炸安全隱患,是一種既安全又環保新型產品。