原文：pcb设计实例讲解教程
这是一个电子线路设计里的一个PCB设计实例——人体红外报警电路的详细过程，包括原理图设计、电路分析、Multisim 仿真、PCB布线等等的内容。并且附件里还附带 Sch 格式的原理图文件、PCB文件、Multisim 仿真文件以及报告文档。文中有些图片可能不太清晰，可以通过下载附件来察看。
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1背景
随着社会的发展，技术的进步，人们对人身财产安全提出了新的要求，要求实时监测家居等生活环境。而人体红外报警系统是能够满足人们当前的安保需求的产品之一，并且已经被广泛应用。
红外线是不可见光，有很强的隐秘性，可以在防盗和警戒安保中起到很大的作用。同时，人体热释红外传感器技术已经非常成熟，稳定性好和成本低廉。
２红外报警电路总体方案
2.1 总体框架
本设计是以热释红外传感器为核心设计的，由信号检测电路、信号放大电路、电压比较电路以及报警电路组成。其电路设计框图如图２－１所示。
图２－１ 红外报警电路框图
2.2 工作流程
本设计的红外报警电路工作流程如图２－２所示。红外报警器上电时立即进入到检测模式，不停循环检测有没有人，如果有人的话就发出报警，然后持续报警一分钟，一分钟之后重新检测是否有人，如此重复。
图 2-2 红外报警电路工作流程图
3电路设计
3.1 信号检测电路
信号检测电路以红外传感器为核心，将人体红外信号转换为电信号，传送给信号调理电路进行处理。
图 3-1 是信号检测电路。红外传感器选用的是应用较为广泛和成熟的人体热释红外传感器 RE200B。该传感器有三个引脚 1 引脚是接电源；2 引脚是信号输出，电路中将其下拉到地，当检测到人体热释红外信号时输出高电平；3 引脚是接地端。
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图 3-1 信号检测电路
3.2 信号放大电路
由于热释红外传感器的输出信号十分微弱，不能直接驱动报警电路进行工作。因此需要利用信号放大电路来对输出信号进行放大。本模块电路设计成了两级的放大电路，第一级放大电路是基于 9014 三极管设计的，而第二级放大电路则是选用了 TI 公司的 LM358 放大器，LM358 可以使用 3-32V 单电源供电，可以简化电源电路。LM358 内部集成了两个运算放大器，在本模块电路中只应用其中一个。经过两级放大电路处理后，信号已经达到了驱动电路的要求。
图 3-2 信号放大电路
3.3 电压比较电路
信号经过信号放大电路处理之后输入到电压比较电路。电压比较电路如图 3-2 所示。其由集成运放 LM358 设计实现，此时运放工作于开环状态下，同样选择单电源供电，正相输入端作为比较器的电压基准端，通过调节变阻器 R17 可以改变其基准电压；反相输入端接的是信号放大电路的输出信号。这样就形成了一个可以调节红外报警电路的灵敏度的电压比较电路。
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图 3-3 电压比较电路
3.4 延时电路
延时电路主要由充电电容和一个比较器组成。如图 3-4 所示。其中比较器选用的是 TI 公司的 LM393，这是一个集成了两个差动比较器，并且可以由 2-36V 的单电源供电进行工作。当热释红外传感器检测到人时，其输出信号经过处理后传输到延时电路使得电容 C6 经过整流二极管迅速放电，使得 LM393 电压比较器正相输入端的电压比反相输入端的电压高，从而使其输出高电平驱动报警电路。当检测不到人时，输入到延时电路的信号重新变成高电平，整流二极管反向截止，电容 C6 开始充电，一段时间后，LM393 的正相输入端的电压比反相输入端的电压低，使其输出低电平。该延时电路的延时时间大概为一分钟。
图 3-4 延时电路图
3.5 报警电路
报警电路主要由三极管、蜂鸣器和红色 LED 组成。其电路图如图 3-5 所示。输入高电平使得三极管导通，从而使得 LED 和蜂鸣器导通发出报警。输入低电平时，三极管截止，报警停止。其中三极管选用的是常见的小功率 NPN 型三极管 8050。
图 3-5 报警电路
3.6 电源电路
综合以上各模块电路，所用到的电源只有一个直流 6V。因此，电源直接设计为通过一个 DC5.5 插座由外部供给。其电路如图 3-6 所示。
3-6 电源电路
4 PCB设计
4.1 完整电路原理图
最终设计的完整的红外报警电路原理图如图 4-1 所示。
[image]
图 4-1 红外报警电路完整原理图
4.2 PCB 尺寸及板层
根据焊盘数量 87 以及封装选择，设定 PCB 外形尺寸为 30mm*40mm。因为电路并不 复杂，单位密度并不高，所以 PCB 板层选择为成本较低较常见的双层板。
图 4-2 PCB 外形尺寸
图 4-3 PCB 层叠设计
4.3 元件布局
PCB 的元件布局如图 4-4 所示。所有元件都放置在顶层。其中 DC5.5 插座 P1、红外传感器 U1、变阻器 R17、蜂鸣器 B1 以及 LED1 都尽量靠近边缘摆放。
图 4-4 元件布局
4.4 布线
PCB 顶层布线图如图 4-5 所示；底层布线图如图 4-6 所示。其中，普通信号线都选择为 10mil 线宽；部分驱动电路的线则选择为 20mil 线宽；6V 电源线选择的是 30mil 的线宽，并对其进行局部加粗。
图 4-5 顶层布线图
图 4-6 底层布线图
4.5 敷铜
敷铜后 PCB 的效果如图 4-7 和 4-8 所示。
图 4-7 敷铜后的顶层
图 4-8 敷铜后的底层
5 电路仿真
本设计采用 Multisim 软件对所设计的电路进行仿真验证。由于仿真软件的局限性，无法对完整的电路进行仿真，所以仿真电路与最终的电路有较大的出入。
5.1 测试信号
本次仿真电路的测试信号选择为峰峰值为 20mV，频率为 10Hz 的正弦信号作为输入信号。其波形如图 5-1 所示。
图 5-1 测试信号的波形图
5.2 完整的仿真电路原理图
完整的仿真电路原理图如图 5-2 所示。
图 5-2 完整仿真电路原理图
5.3 信号放大电路的输出
当将仿真电路中的示波器 A 通道接到输入信号，B 通道接到信号放大电路的输出（LM358AD 的 6 号管脚处），运行仿真电路，得到输出波形如图 5-3 所示。其中红色波形为输入信号波形，绿色为信号放大电路的输出波形。
根据波形可以得出输出波形的峰峰值约为 2.526V，从而算得放大倍数为 127。也就是说输入信号经过两级放大电路后得到了放大了 127 倍的信号，并存在 480mV 左右的零点漂移，以及小角度的相位滞后。
图 5-3 信号放大电路的输出波形图
5.4 最终输出的控制信号
当将仿真电路中的示波器 A 通道接到仿真电路输入端，B 通道接到仿真电路的最终输出端（LM393DG 的 1 号管脚处），运行仿真电路，得到输出波形如图 5-4 所示。其中红色波形为输入端信号波形，绿色为最终输出端的波形。
从图（a）可以知道，当仿真电路输入信号为低电平时，最终的输出信号也为低电平；当仿真电路输入信号为测试信号（10Hz，20mV 峰峰值的正弦信号）时，最终的输出信号为高电平。仿真电路的输入信号在 2.5s 时变成低电平，并且最终输出信号维持为高电平。
从图（b）可以知道，仿真电路输入信号变成低电平后，最终的输出信号维持为高电平直到 44s 时才变为低电平。因此可知延时时间约为 42s。
（a）
（b）
图 5-4 最终输出控制信号波形图
附录：BOM
Comment |
Description |
Designator |
Footprint |
Quantity |
Value |
Company |
Bell |
蜂鸣器 |
B1 |
SOT |
1 |
||
Cap |
Capacitor |
C1 |
0603 |
1 |
10nF |
|
Cap Pol3 |
Polarized Capacitor (Surface Mount) |
C2, C3, C6 |
C3528_B |
3 |
47uF/16V |
|
Cap Pol3 |
Polarized Capacitor (Surface Mount) |
C4, C5 |
C3528_B |
2 |
22uF/16V |
|
Diode 1N4001 |
1 Amp General Purpose Rectifier |
D1 |
Dioxide_DIP_2 |
1 |
||
LED |
发光二极管-红色 |
LED1 |
0805 |
1 |
||
DC5.5 |
DC5.5插座 |
P1 |
DC5.5 |
1 |
||
9014 |
NPN General Purpose Amplifier |
Q1 |
DIP_3_Transistor |
1 |
||
8050 |
NPN General Purpose Amplifier |
Q2 |
DIP_3_Transistor |
1 |
||
Res2 |
Resistor |
R1, R19 |
0603 |
2 |
1k |
|
Res2 |
Resistor |
R2, R18 |
0603 |
2 |
300k |
|
Res2 |
Resistor |
R3 |
0603 |
1 |
1M |
|
Res2 |
Resistor |
R4 |
0603 |
1 |
4.7k |
|
Res2 |
Resistor |
R5, R7, R9, R11, R12, R14 |
0603 |
6 |
100k |
|
Res2 |
Resistor |
R6 |
0603 |
1 |
47k |
|
Res2 |
Resistor |
R8 |
0603 |
1 |
10k |
|
Res2 |
Resistor |
R10 |
0603 |
1 |
100 |
|
Res2 |
Resistor |
R13 |
0603 |
1 |
470k |
|
Res2 |
Resistor |
R16 |
0603 |
1 |
2.4k |
|
Res Adj2 |
蓝白卧式可调电阻 |
R17 |
蓝白卧式可调电阻 |
1 |
100k |
|
RE200B |
人体红外传感器 |
U1 |
RE200B |
1 |
||
LM358 |
运算放大器 |
U2 |
SOIC-8 |
1 |
TI |
|
LM393 |
电压比较器 |
U3 |
SOIC-8 |
1 |
TI |