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印刷电路板，机器人灵魂的躯壳

2018-5-11 11:48:42 4181 电路板

0 ```` 我们现在的生活物品，不论是电脑，手机，智能家居，还是简单的台灯，风扇，都需要复杂的电路去实现特定功能。光是想让灯泡亮起来，就需要这样连接电路。简单的电路如果是让风扇、台灯按指定要求运转，或是让扫地机器人撞到障碍物就自动绕开，我们就需要更复杂的电路来控制。而原始的复杂电路往往体积非常庞大。复杂的电器电路仿真为了让我们能用上小巧的电器和电子产品，不要生活在庞大的电路中，人们发明了一个神奇的东西，它把巨大的电路都缩小，集合在一块小板子上，它就是——印刷电路板。形象比喻为被缩小印刷电路板相当于大型电路的迷你版，英文是 Printed Circuit Board，简称 PCB，它的出现，大大减少了电子元件之间的连线成本，同时由于 PCB 布线密度高，体积小，重量轻等优点，现代的电子设备也越来越小型化了。比如以前的大哥大，慢慢演变成现在手里的手机。这种随处可见的 PCB 看起来密密麻麻，非常复杂，实际上由什么组成呢？本文为 PCB 硬件制作入门，软件部分稍有提及，但不做深入讲解。 PCB 的组成 PCB 有不同的颜色和样式，但它们的组成都是一样的，我们以下面这种最常见的“黄绿配”为例子。 PCB 黄色部分是会导电的铜，相当于电路中的导线；绿色部分是不会导电的阻焊层，相当于一张桌面。铜的表面会喷一层锡，壕一点的会镀金，作用是防止氧化。 PCB 那大型电路中的灯泡、变阻器之类的元器件呢？它们缩小后，就变成了电子元件，比如二极管、电位器、芯片、传感器......等等。元件和铜连接在一起，就构成了一个电路。上图 PCB 上黑色的小东西就是电子元件。在 RoboMaster 机甲大师赛中，机器人需要做出很多复杂的控制，比如发射弹丸、转头、识别等等，因此它们身上也有很多搭载着复杂电路的 PCB。机器人转动拓展知识：芯片如果要实现复杂和高级的控制，逻辑是比较复杂的，光靠设计电路的连接方式很难实现。小R 举一个让人心痛的栗子，这是一道初中物理题：设有 3 只灯甲、乙、丙，分别用 3 个开关 A、B、C 来控制。要求只能有一颗灯亮。如打开A，甲灯亮。打开B，甲灯就会熄灭，乙灯亮。问如何连线。小R 觉得，大概是这么连，嗯。电路设计很复杂从上面的例子看出，简单的灯泡控制就非常让人头疼，那机器人复杂的控制方式就更难设计出合理的电路了。所以，一般机器人中的 PCB 都会搭载芯片，它相当于 PCB 上的大脑，可以接收传感器的数据，快速做出运算处理，再输出信息去指挥机器人做出相应的动作。芯片的存在，让电路变得更加简易，原本硬件上的电路连接，转换成了代码嵌在芯片中，实现了同样的功能。如何制作一块电路板机甲大师赛中，根据不同控制需求，参赛队员需要自行设计制作不同的电路板，今天就来介绍，如何制作一块优质的电路板。欢迎进入“深夜实验室”。准备开始制作电路板制作电路板的步骤大概为，在电脑上设计出电路的原理图、将原理图化身 PCB 上的线路、让工厂做出实物 PCB、刷上导电的焊锡膏、放上电子元件、烘烤、手动将断路的地方补齐。好，开始！原理图设计首先，我们需要用 Aultium Designer 设计 PCB 的原理图。原理图展示的是电路控制的原理。比如初中物理课看到的这种。原理图但我们这里画的不是电灯泡，而是一些电子元件，比如发光二极管、电阻等，这需要我们计算和设计各部分的参数，再将电路设计出来。原理图原理图设计详情可以参考《电子学》第二版，作者 Paul Horowitz、Winfield Hill，电子工业出版社。 PCB 绘制设计好后，我们要将原理图搬到板子上。这需要经过严格的计算，例如电流走多宽的线、信号完整性、阻抗的控制、时延的控制等等，这是为了保证信号的完整性，以及系统的稳定性。 PCB 绘制图绘制的思路有几个步骤。 1、选择元件封装：绘制 PCB 之前，我们要选好电子元件的封装，可以理解为，同一种作用的电子元件有很多种“长相”，比如下图，光是芯片就有很多种样子。各种芯片的封装我们要结合经济成本和整块 PCB 的要求选择适当的封装。封装太大会使电路板不够小巧，太小又不好焊接，且容易烧坏。 2、安排元件摆放：选择好合适的封装之后，我们开始安排电子元件在 PCB 上的位置。电子元件的摆放很大程度上决定了整块 PCB 的稳定。因为元件摆放合理有助于我们后期布线，也可以减少不同属性元件间的电磁干扰。举个栗子：图上这块板子有好几个模块，其中圈出来的是电源模块和 STM32 最小系统。印刷电路板电源模块属于模拟信号范畴，Stm32 最小系统属于数字信号范畴，它们是不同的模块，要分开放，否则就会产生信号干扰。就像香蕉和冬枣要分开放，不然味道会串到一起。再举个栗子：热敏元件对温度十分敏感，因此，发热元件和热敏元件要分开放。就像滋滋冒油的烤牛排和凉凉的雪糕不能在一起，否则就会影响雪糕的口感。 3、布置线路：摆好元件后就可以开始布线了。布线就是将电子元件连通的过程。论布线也是有很大学问，最基本的有，线路不能出现锐角，不能有浮空布线等，否则线路会产生电磁辐射；对于一些重要的信号，例如时钟信号，尽量减小信号的回路面积。线路走向连线完成后，则需要用固体铜填充剩余部分（上图黑色部分），意义是给板子提供一个统一的基准平面，减少地线阻抗，提高抗干扰能力。我们还可以利用，0Ω 电阻、磁珠、电感或者单点电源搭接将数字地与模拟地连接部分隔开，减少信号干扰。 PCB 绘制的要求非常多，绘制方式没有最好，只有更好，更多详情学习参考《PCB 设计大全》，作者:（美）米茨纳，人民邮电出版社。打板成型 PCB 绘制好后，我们将设计图交给 PCB 制作厂商来制作 PCB 和钢网。钢网就是一块钢，上面有很多洞洞，那些洞洞就是元件摆放的位置，之后会辅助我们焊接。钢网给厂家打板之后，等待一段时间，充满青青草原气息的 PCB 裸板就会送达到我们手里了。裸板就是没有装上电子元件的板子啦。 PCB 裸板当然，PCB 打板也可以自己完成，但精度不高，在机甲大师赛中，我们对 PCB 的集成度和精确度要求很高，所以一般直接找相关厂家制板。贴上元件拿到裸板后，我们要将电子元件粘上去，这个用于粘贴的“胶水”就是焊锡膏，一种膏状的焊锡，平时是软软的，加热以后就会凝固变硬。它将电子元件和铜体粘到一起，使电路连接起来。我们将 PCB 裸板对准钢网的孔，就会神奇的发现，可爱的焊盘露出来了，其他部分都被钢网遮挡住了。这时，我们对准钢网上的洞洞，美滋滋地刷上一层焊锡膏，PCB 裸板的焊盘上就沾满了焊锡膏。挤焊锡膏取走钢网，我们用镊子夹取元件，轻轻放置在焊盘上，一定不要手抖，确保每一个贴片元件在自己的焊点上，如果不小心跑去了别人的地盘，电路就会错乱了。放置芯片这时，电路板就像一个披萨，PCB 是披萨的饼底，焊锡膏是上面一层芝士，电子元件是火腿，静静地躺在焊锡膏上面。接下来，我们就要去烤披萨，不对，烤板子了！电子元件在焊锡膏上烤板子焊锡膏不会像胶水一样自己凝固，需要经过回流焊机烘烤，才会凝固变硬，将电子元件牢牢粘住。回流焊机就是一个烤箱，至于能不能做面包，我乱猜应该可以。我们把贴好元件的 PCB 放入回流焊机，设定温度曲线，烘培十几分钟后取出，焊锡膏就变成了焊点。放置 PCB 仔细查看“新鲜出炉”的电路板，将板子上焊接不到位的地方（容易断路的地方）手动补上焊锡。手动焊的方法是：电烙铁粘一点松香，再触碰需要补齐的电路上，再将焊锡丝触碰电烙铁，融化的焊锡就会自己跑到电路上了。松香的作用是增加焊锡的流动性，降低表面张力。说人话就是，使焊锡容易粘到导线上，而不是其他不导电地方。就像厨师用柠檬汁涂在苹果片上，防止苹果氧化变色一样，松香也会被用来防止金属氧化。随后，我们给整块板子接上电源，检查电路是否工作正确。经过测试，我们的电路板就此问世！假如没有回流焊机，不要伤心，我们可以在拿到 PCB 裸板之后，开始手动焊，将元件一个一个焊接上去，手焊的方法和上述相同，连开钢网都省了呢。如果电路板上有芯片，我们就将芯片连接电脑，往芯片里烧程序。电路板接上电源和机器人，就可以让机器人运作起来啦。万用板如果我们需要做的电路比较简单，也可以不用 PCB，而是直接使用万用板——一种上面布满了间距 2.54mm 的小孔的板子。万用板使用直插式元件时，元件的引脚通过这些孔穿插进去。孔的一周有铜环，使用时，把焊锡熔在铜环上，电路就会被接通啦。直插式元件（有长长的“引脚”来导电）这种电路板只能手动焊接，方法和之前一样。左手拿焊锡丝，右手拿电烙铁焊好后的焊点要尽量长得像这款巧克力，焊锡不会过多而太累赘，也不会过少导致断路。焊点贴片机本文讲的只是少批量的电路板制作，而工厂里大批量的生产，都是使用贴片机来代替手工贴元件的。贴片机就是一种可以把电子元件自动贴到 PCB 裸板上的神奇机器。我们辛辛苦苦，一个一个地将元件摆放整齐，贴片机只需要几秒就能完成了！贴片机工作电路板作为躯壳，承载着机器的灵魂。它是软件行业的铺路石，已经深深地刻入我们的生活里，如果没有电路板，软件做得再好也跑不起来啦。 ```` 0
2018-5-11 11:48:42　　评论淘帖0 举报相关推荐 • 印刷电路板设计 12 • 印刷电路板 1665 • 印刷电路板 1651 • 印刷电路板设计 4636 • 印刷电路板和自折叠机器人的应用 1933 • 展望未来的印刷电路板，印刷电路板对可穿戴市场的影响 1992 • 印刷电路板(PCB)设计指南 24 • 如何回收印刷电路板和印刷电路板的材料 1689 • 印刷电路板的起源和演变 1277 • 印刷电路板的图像分割 608