【DIY】南京大学北大楼纪念PCB - 嘉立创EDA开源硬件平台

1、项目简介

      这是一个基于NE555和CD4017设计的纪念品小挂件，外型采用南京大学标志性建筑北大楼，通过纽扣电池供电，在拨动开关之后，两侧LED会逐渐顺序点亮，带有一个钥匙孔，可以作为一个小挂件随身携带。

2、总体方案

      北大楼纪念品方案系统框图如2-1所示，通过纽扣电池给多谐振荡器电路供电，进而驱动LED顺序点亮。

图2-1 南京大学北大楼纪念品系统框图

3、电路原理

      南京大学北大楼纪念品设计主要由纽扣电池输入、NE555定时器及CD4017计数分频器构成的多谐振荡器驱动电路、及LED显示电路组成。

3.1、多谐振荡器驱动电路

      纽扣电池给整个系统供电，通过滑动开关闭合和断开来控制系统的电源，配合NE555时基电路组成多谐震荡电路，电源VCC通过电阻R12、R15向电容C2进行充电，当电容C2充到一定程度后，NE555定时器2、6脚电压升高。当2、6脚电压升高到2/3VCC后，3脚输出为低电平，7脚呈现低阻态，电容C2通过电阻R15向NE555芯片7脚内部对地放电。当放电至2、6脚电压低于1/3VCC时，3脚输出为高电平，7脚呈现高阻态，循环往复充放电。

      通过调整R12、R15、C2的值，可以调整充放电时间，从而调整输出波形的频率和占空比，3脚输出震荡脉冲作为CD4017计数分频器工作的时钟脉冲。CD4017计数器工作时，输出端依次输出高电平，不断循环，从而驱动LED进行顺序点亮。

图3-1 NE555+CD4017多谐振荡器驱动电路

3.2、LED显示电路

      LED显示电路由46个LED灯组成，CD4017的输出端前9组，每组驱动4个LED，分布在电路板的两侧，两边各两个，最后一个输出端D9，驱动10个LED灯。分布在电路板中心的两侧，每侧各5个。

图3-2 LED显示电路

4 原理图设计

4.1 新建工程

      打开嘉立创EDA，创建工程并命名为【DIY】南京大学北大楼纪念品设计，将原理图文件命名为：SCH_南京大学北大楼。根据以下电路进行绘制电路原理图。

图4-1 SCH_南京大学北大楼

4.2 器件选型

      在本项目的元器件选型中，所有元器件均可直接在嘉立创EDA的元件库中进行搜索。如果对元器件不熟悉，也可以通过复制物料中的商品编号进行搜索（每一个元器件在立创商城都有唯一的商品编号）。

图4-2 元器件搜索示意图

图4-3 通过商品编号搜索示意图

4.3 物料清单

5 PCB设计

      完成原理图设计，且经过DRC检查确保电路与网络连接正确后，点击顶部菜单栏的“设计”->“原理图转PCB”（快捷键ALT+I），将PCB文件保存至同一工程下并命名为：PCB_南京大学北大楼。

5.1 边框设计

      在PCB界面，导入南京大学北大楼的高清图片，切换图层至板框层，利用顶部菜单栏中的折线工具，对南京大学北大楼外形轮廓进行绘制。注意图片的外形尺寸尽量控制在10cm*10cm以内，这样就可以到嘉立创免费打样了~

5.2 PCB布局

      在PCB的顶层，放置不同颜色的LED灯，以及南京大学的校训文字，在底层，放置对应的限流电阻以及驱动芯片和电池，注意，在五角星处，我们将其设置为阻焊层，然后禁止铺铜，这样的话透光效果好。

图5.2-1 顶层布局图

图5.2-2 底层布局图

5.3 PCB走线

      PCB走线，全称为印刷电路板布线（PCB LAYOUT）。由于电路板有顶面与底面两个面，在PCB走线也就可以分为顶层和底层走线，其中顶层走线默认是红色线，底层为蓝色线，也可根据个人喜好设置其他颜色，走线也就是在电路板中按照飞线指引连接导线，将相同的网络连接起来即可。

      首先选择需要走线的层（切换顶/底层快捷键：T/B），然后点击顶部工具栏中的单路布线进行连线（快捷键为W）。看似简单的连连看，其中需要我们耐心的进行调整，元器件的摆放布局也会影响走线的难度，所以我们在走线之前就应该大致先有一个布局，确定大方向，在走线的过程中不断调整，进一步优化，前面所介绍的PCB布局相当于是在给走线做铺垫，布局好了，走线也就自然顺畅了，在该项目中的走线提供以下几点参考建议：

（1）电源线设置为15mil，信号线设置为8mil

（2）由于进行了两层布局，走线应先将本层就近点连接完成，后续再逐步连接其余较远的。

（3）走线过程中优先走直线，需要拐弯的地方以钝角或圆弧拐弯为主

（4）在进行铺铜的时候，如遇到孤岛或被其余走线挡住了，铺铜无法进入的情况，可以增加过孔，连接两层的铜皮进行连接

（5）最后加上泪滴，在DRC检查无误之后才能下单。

图5.3-1 顶层走线图

图5.3-2 底层走线图

5.4 覆铜

      PCB走线画完之后进行覆铜，就可以连接好GND网络，在检查DRC无误之后加入泪滴，再次检查无误之后即可下单生产。

图5.4-1 顶层铺铜图

图5.4-2 底层铺铜图

6 电路调试

6.1 器件焊接

      在焊接的时候，可以打开嘉立创EDA的焊接辅助工具，在PCB菜单栏工具栏内，首先焊接顶层，顶层只有LED，注意LED灯的方向，以及对应的颜色即可，随后进行底层焊接，优先焊接元器件高度低的电阻，注意电阻R15是110K，不要将其焊成1K的电阻，随后焊接电容、和TLC555以及CD4017芯片，这里的电阻和电容没有极性，无需考虑方向，芯片需注意对齐1脚的方向进行焊接，最后焊接滑动开关和电池座。

图6.1 焊接辅助工具图

6.2 硬件调试

      焊接完成之后需要使用万用表检测电源和地是否短路，检测LED方向是否正确，确认无误之后接上电池，拨动开关为打开状态，即可看到LED顺序点亮。