B站演示视频：https://www.bilibili.com/video/BV1WV4y1a7e1

 

1. 这是一个职业技能比赛的项目，本身技术比较简单，文档为了应赛、描述有牵强附会之嫌，请读者理解原谅~
2. 本项目仅供学习分享交流，所有的器件都是比赛硬性规定的，并不具有实用性和商业价值！
3. 屏幕设计的时候画反了，用取模扣的字，一次只能最多显示8个字，所以显示的东西不多。
4. 这个立创工程是AD导入（比赛要求用AD，2333），可能格式不对，请直接用附件打样。
5. 如果对你有一定帮助，我很高兴！

 

A、作品使用说明

1.功能概览

作品有4个功能键：ON/OFF(加湿启停)、+(位增加)、-(位减小)、SET(设置和修改预设湿度值)。

作品开机显示当前室内环境的相对湿度,例如RH(相对湿度):76% 。

如果当前室内湿度低于默认预设值75%，并且水位正常，作品将自动开始加湿。

当湿度达到预设值时，加湿功能将自动停止；当水位过低时，将会触发声光报警，并自动停止加湿功能。

一旦停止加湿，作品将等待条件恢复，并重新启动加湿功能。此外，用户也可以手动关闭加湿功能。

2.修改湿度预设值

修改湿度预设值，例如从默认预设值75%，更改为85% 。

按下“SET”键，此时屏幕上出现箭头，指向湿度值的十位，表示开始修改湿度预设值的十位。

按下“+” 键，把这一位增加。（按下“-” 键，把这一位减小。）

第二次按下“SET”键，此时屏幕箭头移动并指向湿度值的个位，表示开始修改湿度预设值的个位。

第二次按下“SET”键， 确认温度预设值的修改。

此时屏幕恢复显示室内当前湿度，同时在第二栏交替显示“OK”“85”表示温度预设值成功修改为85%，蜂鸣器长鸣。

 

B、电路设计文档

2023一带一路

暨金砖国家技能发展与技术创新大赛

集成电路设计与应用大赛湖北省选拔赛

集成电路PCB设计与应用赛项

电路设计文档

题目：	智能加湿器
学校：	*******
参赛队名：	*******

 

一、赛题设计任务指标要求

金砖国家技能发展与技术创新大赛，旨在为金砖国家建立人才选拔通道，提升人才培养能力，服务先进制造领域，促进金砖国家技能发展。

我队参加的是湖北赛区选拔赛、集成电路PCB设计与应用赛项，选择 “智能加湿器设计”赛题。该赛题要求使用AT89C52单片机构建一个加湿器，并实现多项功能：

1.核心板工作温度为-40℃~ +85℃；

2.采用12V直流供电，通过L7805转换为5V作为系统电源；

3.采用DHT22传感器设计温湿度检测电路；

4.采用TC301D电容式检测芯片设计液位检测电路；

5.采用1602液晶屏，实时监测室内温湿度，通过按键控制加湿系统的启停、设置湿度预设值；

6.加湿功能通过超声雾化装置实现，加湿器工作时，指示灯亮。

我们通过认真阅读器件的数据手册和应用文档，了解了器件电路设计的要点，并以低成本和高可靠性为目标，完成了严谨合理的设计。

经过测试，作品完整实现了赛题要求。

在本报告中，我们将对作品的硬件设计思路和细节进行详细介绍，感谢各位专家评委的审阅。

二、设计思路与实现方案

2.1电路原理框图

图1 电路原理框图

2.2方案简介

如框图1所示，单片机核心为AT89C52。复位电路由阻容构成，用于重置单片机；晶振电路包括12MHz晶振和47pF负载电容，为单片机提供时钟信号；

液位检测基于TC301D芯片，通过不同液位的电容变化实现检测，返回特定电平值给单片机；温湿度检测基于DHT22，通过单总线与单片机通信，传递温湿度数字量；按键部分包括“开关”、“增加”、“减少”和“设置”四个键；显示电路基于LCD1602并口显示屏；声光报警功能通过蜂鸣器和LED实现；

作品电源输入为12V，经过L7805转为5V后，作为系统电源供给整个系统。

三、各功能部分

3.1电源电路

如图2，L7805和滤波电容组成电源。F1为自恢复保险丝，保护电路，给作品提供更高的安全性和稳定性。

图2 电源电路

3.2单片机最小系统

本设计的主控芯片为AT89C52单片机。单片机最小系统如图3所示。C19是去耦电容，消除电源线上的高频噪声，保证单片机的稳定工作。电容C1、C2与晶振X1构成时钟电路。

图3 单片机最小系统

C1、C2是单片机晶振X1的负载电容，大小的选取直接影响单片机时钟的起振和精度。如图4，数据手册提示，当X1为12M时，负载电容C1、C2应在47pF左右。

图4 单片机手册对晶振负载电容选取的建议

图5右侧展示的是本作品的复位电路，用于使单片机在上电后或运行中恢复至起始状态。SW1按键可以手动触发复位功能，通过将RST脚拉高实现复位操作。

在系统上电时，C17相当于通路，使RST脚的电压瞬间变为高电平。然后，R1开始泄放C17的电荷，导致RST脚电压逐渐降低，最终降到低电平区间。在放电的过程中，RST脚的高电平持续了大约100ms才跌落到1V以下，这远大于2个机器周期的复位时间要求。因此，复位电路能够有效地完成复位操作。

图5 左：单片机手册对RC复位电路的建议，右：本作品的复位电路

如图5左侧所示，作品的取值遵循数据手册:C=10uF、R=10K。

这是合理的，若系统选用12MHz石英晶振，一个机器周期为1us，因此复位信号的脉冲宽度最小也要2us以上。但实际设计中，最好不要贴近理论值去构造电路。复位信号脉冲宽度最好在20至200ms之间，这样才可确保电路的稳定性。

3.3按键电路

如图6的按键电路，上拉电阻R12采用贴片排阻，确保IO口在没有按键操作时，保持在高电平状态。C3-C6是按键的消抖电容，用于消除按键在接触时产生的抖动信号，确保信号稳定有效。

需要注意的是，在实际生产场景中为了降低成本，上拉排阻和消抖电容可以空置不贴。单片机可通过代码配置，将IO口初始化为高电平，按键消抖也可通过软件实现。

在本次设计中，为了冗余保险，节约开发过程中修改调试的成本和时间，作品依旧在电路和PCB上保留上拉排阻与消抖电容。

图6 按键电路

3.4屏幕电路

本设计的显示电路如图7所示，通过LCD1602液晶屏与用户交互、实时显示湿度值。电位器R13用于调节显示对比度。

LCD1602液晶屏通过一组8位并口与单片机通信，另有3根控制信号线：读写控制RW、寄存器选择RS和命令使能E。因为本设计只需要写数据，所以将控制读写的RW保持接地。

图7 屏幕电路

3.5温湿度检测电路

温湿度检测电路如图8所示，DHT22传感器通过单总线与单片机通信，实时监测湿度。R4为上拉电阻，C11为去耦电容，提高电路稳定性。

图8 温湿度检测电路

3.6雾化使能和驱动电路

雾化使能和驱动电路如图9所示，左半部分为雾化使能电路，用于控制是否给后级的雾化升压驱动电路供电。作品选用的雾化片需要在交流高压下工作，图9的右半部分为雾化片的升压驱动电路。

该小节电路原理将在后文第五章“赛题设计创新点介绍”中详细展开，敬请留意。

图9 雾化使能和驱动电路

3.7水位检测电路

图10展示了一种基于电容传感芯片TC301D的水位检测电路。

图10 水位检测电路

其中，VREG脚是TC301D内部参考源输出，按手册要求接4.7nf电容。CR和SEN脚接电容C12和C13对地，用于调节芯片监测电容变化的灵敏度。电容值越小，灵敏度越高。具体电容值根据实际情况选择，本设计中C12=15Pf，C13=8pF。对于这些关键电容，作品选用温度特性优秀的NPO材质，以保证在赛题要求的-40℃~ +85℃范围内，电路特性稳定不变。

FUN脚同样用于调节芯片的灵敏度。在水位监测这种电容变化较慢的情况下，FUN脚需要悬空。

CX为电容感应的输入端，串联3K电阻限流保护芯片。

OUT脚为芯片的状态输出。当水位变化引起CX脚所接电极的电容发生变化时，OUT脚输出低电平。

3.8声光报警电路

图11是缺水声光报警电路。BUZZER1是一个有源或无源蜂鸣器，Q1用作高电平开关驱动蜂鸣器。D1是续流二极管，避免感性负载通断电产生的高压击穿Q1。

图11 声光报警电路

3.9整体电路设计

图12 整体电路图

四、PCB设计要点

4.1水位监测芯片布线

水位监测芯片TC301D是相当敏感的器件，作品在PCB设计上对它进行了谨慎的考虑。

如图13，为了提高水位电极输入接口的稳定性，作品在设计中采用较细的7mil走线，并在输入走线周围进行包地处理，避免被干扰。

为了保证TC301D的供电足够干净，作品采用独立的电源线供电，电容C2就近去耦。 同时，为芯片准备一条独立的回流路径，在芯片周围的PCB顶层不铺地，不与其他电路共用地线。

图13 水位监测芯片布线

4.2晶振布局

晶振布局的优劣直接影响单片机工作的稳定性，本作品的布局如图14所示。

图14 晶振布局

首先，晶振下方净空，确保没有其它走线穿过。

同时，晶振被布置在距离单片机最近的位置，以尽可能减少振荡回路的寄生参数，避免停振现象的发生。晶振本身也是噪声源，更短的走线可以有效减少噪声的辐射。

另外，为了进一步抑制晶振噪声对外围电路和环境的影响，作品在晶振周围添加了适量的地孔，并对晶振走线进行了包地处理。

4.3去耦电容的放置

图15展示了作品中去耦电容的放置，紫色框中的100nF电容用作去耦，被放置在紧靠器件电源端的位置。

图15 去耦电容的放置

去耦电容的作用是滤除电源噪声和抑制器件工作对其他器件造成的干扰。当芯片等器件对电流的需求发生变化时，会在电源平面的一个小区域内产生电压扰动，而去耦电容可对此进行补偿。

容值最小的电容具有最高的谐振频率，去耦半径最小，因此会放置在最靠近器件的位置。容值稍大些的电容可以放置在稍远的位置，最外层放置容值最大的电容。

在PCB设计中，需要保证去耦半径，从而达到最佳效果。

4.4 PCB整体效果图

图16 3D仿真顶面

图17 3D仿真底面

图18 Geber图形顶面

图19 Geber图形底面

4.5 PCB设计验证

如图20，设计经过DRC测试，没有错误。

图20 DRC检查结果

图21、22、23是焊接好后的实物外观，实测表明设计完整实现了赛题要求，能够稳定可靠的运行。

图21 实物主板顶面

图22 实物主板底面

图23 实物安装屏幕

五、赛题设计创新点

5.1电路设计创新点

雾化片的驱动在赛题设计中需要重点考虑，它的工作条件是108KHz、70V左右的交流高压。

首先，需要产生108KHz振荡信号。一种方法是单片机直接生成，但AT89C52资源有限，用IO口模拟振荡信号和其它的功能存在任务调度上的问题。理论上，可通过裸机大循环配合中断去实现。但比赛时间紧任务重，稳妥起见，作品采用价格低廉、性能稳定的NE555产生振荡信号。

如图24所示，U3 NE555振荡产生108 KHz的驱动信号。电位器R14用于微调振荡电路的频率，三脚电感L1的初级与NMOS Q2的漏极相连，Q2给L1初级快速通断电，通过L1次级自耦升压驱动雾化片工作。

在MOS的栅极与驱动电路之间串联小电阻R7是常见的做法，目的是衰减栅极上出现的振荡，提高电路稳定性。

图24 雾化片振荡升压驱动电路

图25是雾化片的使能电路。Q3是数字晶体管DTC143EE，数字晶体管内部集成了两个电阻，在安装空间、成本和稳定性上有优势。Q4是低内阻PMOS，当单片机给Q3基极高电平时，Q3对地导通，Q4栅极被拉低，Q4导通，雾化片接通电源开始工作。反之，当单片机给Q3基极低电平时，雾化片被断电。

图25 雾化片使能电路

5.2 PCB设计创新点

①PCB总体设计思路

首先，作品PCB长宽为10*6cm，较为小巧精致。

如图26，PCB四角是友好不伤手的圆角设计。同时，为了给应用场景中的装配增加灵活性，PCB预留了4个扇形螺丝孔。这些螺丝孔与板上的电源地相连，可泄放静电、提高电磁抗扰度，采用扇形设计则更有利于螺丝的接触。

图26 扇形螺丝孔和圆角设计

如图27，作品广泛采用表贴器件，有效缩小体积，提高了电路的稳定性和紧凑性，顺应了时代潮流。

图27 广泛采用表贴器件

为了提高电路的稳定性，PCB进行了大面积覆铜，并将铜皮与GND相连，正反两面的地铜用适量缝合孔连为一体，提供了低阻抗的回流路径。覆铜还有助于增强散热效果，提高板层强度，有效抵御机械应力的挑战。

②PCB热稳定性考虑

赛题要求作品使用经典的L7805线性稳压器，电路简单、成本低、纹波小。但由于其工作效率较低，在高压差、大功率场景下容易产生较多的热量，从而影响设计的稳定性和可靠性。

因此作品考虑了一些散热措施。

如图28，作品使用直插封装的L7805。首先，PCB通过开窗去除阻焊，在地平面裸露出一块与L7805背面等大小的铜皮。同时，在裸露铜皮上添置适量缝合孔，以提高导热效果。最后，在装配中用焊锡将L7805的金属基底与PCB的铜皮焊接在一起。

图28 改善L7805散热

由此，器件产生的热量将通过铜皮快速释放，从而低成本实现了与添加散热片相同的效果、极大提升了作品的稳定性、可靠性。

如图29，雾化片驱动管也采取了同样的措施。

图29 改善雾化片驱动管散热

六、结语

感谢老师、同学和经验人士给予的建议与支持。

感谢主办方和学校提供金砖大赛这么一个发挥才能的舞台，这是一段极有意义的经历——通过在有限时间内、设计实现一个完整的作品，我们得到了很好的锻炼。

最后，衷心感谢各位专家评委为审阅文稿付出的辛勤劳动。