一种基于Altium Designer软件的电子鞭炮的设计

梁建华

(临汾职业技术学院 机电系,山西 临汾 041000)

0 引言

燃放鞭炮是中华民族的传统习俗。每逢喜庆的日子,人们都喜欢通过燃放烟花鞭炮来表达喜悦的心情,但是每年因燃放鞭炮而造成的危害时有发生,同时还会使环境严重污染。因此，设计一种电子鞭炮来代替传统的鞭炮产品显得尤为重要。本文提出了一种新型电子鞭炮的设计方案。这种电子鞭炮的“燃放”在性能上已达到传统鞭炮的效果,操作简单,其“燃放”位置不受限制。它不但能增添节日的喜庆气氛,而且更加环保,同时在生产、储运和销售等过程中不会因操作不当引起爆炸,是一种经济、环保和安全的新型产品。

1 Altium Designer的概述

1.1 Altium Designer[1]介绍

“Altium Designer”是Altium公司推出的新一代PCB辅助设计软件,它集成PCB设计系统、FPGA设计系统和电路仿真系统于一体,能够实现从芯片级到PCB组的全套电路设计。对设计者来说,这个软件更方便,更简单,更能提高设计效率,大大缩短新品的开发时间。它具有以下特性:集成了ECAD[2]与MCAD，新增交互式布线引擎、Designer Insight功能，增强内层视图，定制虚拟仪器元件，基于C的定制FPGA逻辑开发和Allegro PCB的导入等。

1.2 Altium Designer的组成

Altium Designer并不只是具有单一的电子电路设计工具,更是一个较完善和功能齐全的电路设计,仿真与PCB的制作系统,它包含以下四大设计模块,即：

1)原理图设计模块。它主要用于电路原理图的设计,并生成原理图的网络表文件,为电路仿真或PCB设计奠定基础。

2)原理图仿真模块。该模块主要用于电路原理图的模拟运行,用来检验电路在原理设计过程中是否存在不足之处,能使电路在模拟真实的环境下运行。

3)PCB设计模块。它将SCH原理图设计成现实的印制电路图,由它生成的PCB文件将直接应用于PCB的生产。

4)可编程逻辑元件设计模块。该模块可对PCB上的可编程逻辑元件编程,通过编译后,再将文件烧录到逻辑元件中,生成具备特定功能的元件。

1.3 Altium Designer电路的设计流程

下面介绍Altium Designer的文件系统、电子电路设计及PCB设计的流程:

1)文件系统流程。创建一个 “PCB Project”,添加电路原理图设计文件,添加PCB设计元件,生成一个工程名为【Filter PrjPcb】的文件,并将所有其它项目文件保存在同一个文件夹中。

2)绘制原理图流程。在工程名为【Filter PrjPcb】的文件中,打开“Filter SchDoc”文件,选择元器件,设置元器件属性,放置元器件,放置其它元件,绘制线路,完成连线后生成原理图。

3)绘制PCB图流程。 打开“Filter PcbDoc”文件，进入PCB编程环境,单击【Validate Changes】按钮，对所做改变进行验证,单击棕色元件放置区内没有元件的位置,按住鼠标将所有元件拖至编辑区内,再次单击放置区内没有元件的位置选中放置区间,并按键盘上的【Del】键，将区间删除,只留下元件进行元件的布局;开始进行元件布局;电路布线是PCB设计最为关键部分,由于设计的电路简单,选用单层板布线,顶层用于放置元件,底层用于电路走线,即采用交互式布线,布线时对导线宽度设置,在交互式布线的状态下按下键盘的【Tab】键，弹出【交互式布线】设置框,并设置相应参数;单击各元件引脚,移动指针即可拉出一条蓝色的连线，到达下一件元件引脚后，再单击鼠标左键，即可完成一条电气导线的连接,用同样的方法完成其它导线的连接,单击鼠标右键，退出交互式布线状态，最终完成PCB图设计。

2 电子鞭炮设计方案

2.1 电子鞭炮工作原理

电子鞭炮工作原理是按下开关S1通电,通过桥堆VD3整流、电容C4滤波,形成300 V直流电,传递给炸头强磁空爆机和炸头的脉冲发生器,经炸头的脉冲发生器生成的脉冲信号作用到双向晶闸管VS1控制极,使两个阳极间导通与断开呈现周期性,使得脉冲升压电路(双向晶闸管VS1和升压变压器T1)进行周期性充放电,在升压变压器次级线圈感应出很高的脉动电压(500 V～1 000 V),此脉动电压与整流后的300 V直流电叠加后都送至强磁空爆机构,使空气发生剧烈电离,也就产生了鞭炮“燃放”时周期性声光俱现的效果。电子鞭炮工作原理图如图1所示。

图1 电子鞭炮电路原理图Fig.1 Circuit schematic diagram of electronic firecracker

2.2 电子鞭炮电路组成

分析电子鞭炮的工作原理图可知,该电路有三部分组成:电源开关电路、温度控制电路和炸头电路。

1)电源开关电路。由按键开关S1作为电源的控制,用来切断与供给220 V交流电,以达到对电子鞭炮的“燃放”控制的目的。

2) 温度控制电路。由热敏电阻R6和温度开关KSD301组成,这两个元件采用的是组合贴靠安装,当电子鞭炮在“燃放”工作状态时,它们互相传递热量,同时升高温度,以达到温度开关的开关临界点,促使开关开始动作,实现了对电子鞭炮在“燃放”时因时间过长而自动断电的保护功能。

3)炸头电路。它是整个电路的核心部分,主要有整流、滤波、脉冲发生器、脉冲升压和强磁空爆机构组成。其中桥式整流VD3对输入的220 V交流电进行整流,并由电容C4进行滤波,形成的直流电压达300 V左右,分别供给炸头中的强磁空爆机构及炸头的脉冲发生器,产生电子脉冲的幅度与频率均符合标准。

2.3 元器件的选取及作用

1)元器件选取。电子鞭炮的电路中所用到的元器件主要有电阻、电容、二极管、三极管和晶闸管等,它们选取参数与要求如表1所示。

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

2)主要元器件的作用[3]。电容器在电路中的作用是滤波,具有隔直流,通交流的特性;二极管VD1及VD2具有单向导电性作用;三极管VT1是NPN型的,具有放大、截止、饱和三个工作状态,在此电路中,它一直处于截止状态;双向晶闸管VS1是双向可控硅,它是一种大功率的半导体开关器件,在电路中起到“开关”作用;桥式整流堆VD3,它在电路中主要是将220 V交流电整流成直流电,属于全波整流。

升压变压器T1在电路中完成升电压作用,其低压侧线圈采用直径为0.25 mm的漆包线,高压侧线圈采用直径为0.1 mm的漆包线。

3 电子鞭炮设计过程[4]

首先根据所掌握的Altium Designer的文件系统、电子电路设计及PCB设计的流程来绘制出工作电路的PCB图,尤其是炸头电路的PCB图如图2所示,然后依据元器件选取表,正确选择,保证无损坏,参数符合要求,严格按照焊接工艺标准在电路板上进行焊接[5],并进行封装,通过导线接至强磁空爆机构的接线柱上,至此完成炸头的装配工作;其次把装成串的电子鞭炮做成与传统鞭炮相似,具体要求炸头数量要成对配置,数量上越多,声光强度就越逼真,效果更明显;最后引入220 V交流电源,加入温度控制电路,安装好控制开关,轻轻按动开关就可实现电子鞭炮连续“燃爆”的目的。

图2 炸头电路的PCB图Fig.2 PCB Diagram of Explosive Head Circuit

4 结束语

通过对电子鞭炮工作电路原理图的分析,经选取元器件、绘制PCB图和装配等过程完成了对电子鞭炮的设计,并对该产品在声音效果、光度自然性和产品微性化等方面进行了改进,使电子鞭炮的“燃放”在性能上达到传统鞭炮的效果,操作简单，“燃放”位置不受限制,既能增加节日的喜庆气氛,又在生产、储运和销售等过程中不易产生爆炸安全隐患,是一种既安全又环保新型产品。