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2.2 基于成本约束的控制电路板原理图设计

2.2.1 成本控制相关的考虑

I/O端口的确定:4个按钮,8个LED,2个PWM输出,1个定位输入,1个红外接收输入,1个蜂鸣输出。按常规需要17个I/O口。按照2011年下半年的市场行情,此产品以每次3 000套批量给足疗机组装厂供货的价格是:3套电路板+电线+遥控器+连线的总体收购价格为32元。注意,这32元还包括采购成本、贴片焊接外加工成本、检测成本、维修成本、物流费用、钢网成本、包装成本,等等。如果不控制成本,做的一定是亏本生意。另外,考虑到目前市场上抄袭严重,为了防止被其他工厂复制,要对程序进行加密,因此这里选用宏晶的STC11F02单片机,1 000套的批发价格为每片2.4元。但此款单片机的I/O数量为15个,如果用常规的I/O设计,肯定不行,必须选择引脚更多的封装,当然成本也会上去。具体包括,CPU要贵几角,电路板走线变多,带来的问题是可能存在个别PCB加工中的短路、开路问题,如果以后维修,同样涉及修理费。CPU引脚每多一个贴片费用增加2~3分。因此,对于大批量、低利润的电子产品,必须严格控制成本,在保证质量的前提下电路板越简单越好。封装尽量采用贴片。人工焊接的问题是容易放错元件,虚焊、漏焊都可能发生。经统计,控制面板有焊盘100个,元件31个;电源板有焊盘202个,元件71个;传感器板有焊盘12个,元件2个。只要有一个虚焊,或者一个元件不稳定,整个产品就是废品。因此为确保质量,必须从以下几方面入手。

(1)必须严格控制采购渠道,防止劣质元件进入。另外,对外加工的配件也要严格把关,本项目中一个核心元件开关变压器是外加工定做的,要保证每个变压器都能用。这就要求到对方企业考察,观察是否能保证应有的质量。

(2)原理图设计要最优化,尽量减小不稳定性,同时要方便生产。能精简的尽量精简,要加保护的地方在成本提高不多的情况下加保护电路。这样做的目的是,虽然成本有少量的上升,但大大减少了售后服务的费用。例如,假设保护没做好,出厂的足疗机整机通过代理商进入商场,卖给了顾客,最终顾客是要返修的,这样处理的成本将大大增加,而且会给产品声誉造成不良影响。2011年下半年的行情是,足疗机整机批发价是几百元,商场卖给客户的价格上千元。可见,这么贵的产品,顾客对质量是非常重视的。

(3)PCB的设计要优化,走线能粗的尽量粗,间距尽量大,过孔位置和元件焊盘之间的距离要远,以免加工的时候短路。焊盘要尽量大,以免生产工人加工时用力过猛而脱落,也避免运输震动引起脱落。例如,功率MOS管个头比较大,还有一个大的散热器,共有3个脚固定,如果焊盘太小,运输过程中很有可能发生焊盘断裂。

另外,要严格把关贴片焊接外加工厂的质量。这其实是个两难的问题,如果要求加工质量好,故障率低,加工成本必然上去;如果压低加工成本,就一定会存在质量问题,毕竟代加工厂在控制生产工人上也要花更多成本。建议采用产品测试的方式,每个代加工的产品都进行测试,有不合格的让对方重新处理。因此要做一套测试设备。

(4)包装处理。代加工厂可能不在本地,这样大量的货物从异地发来,中间需要1周的时间,经过多次物流转运,如果包装不好可能损坏很多。因此必须做防压、防震的包装。

之所以要强调质量,其实就是保证自己的利润,因为维修成本非常高。例如,一个发光二极管元件4分钱,人工焊接一个是6分,总共1角,如果质量不好,要维修,卸下来一个的人工费是6分,再拿新的焊上去的费用一共是0.1元,这样一来一去,原来0.1元的成本现在变成了0.26元。这只是在知道故障的前提下,查找故障呢?有可能找半天也没发现问题在哪里,这些人工成本都要考虑进去。

2.2.2 CPU控制板的设计

下面进入设计正题,首先介绍CPU控制板的设计。前面已经提到,控制板要应对4个按钮,8个LED,2个PWM输出,1个定位输入,1个红外接收输入,1个蜂鸣输出。按常规需要17个I/O口,但目前CPU的I/O少于17,为此采用扫描的方式来点亮LED发光管。如图2-10所示,发光管分为3组,每组单独把阴极接在一起,阳极分别将各组对应的脚连接起来。这样,阳极用了3个I/O,阴极3个I/O,一共是6个I/O。比起单独的I/O驱动要8个脚,这里节约2个脚。LED驱动方式为阴极分别选通,然后阳极加电压,这样8个LED轮流点亮,互不干扰。STC单片机I/O内部带MOS驱动,因此LED阳极和阴极无须外加三极管,节约了成本。

STC11F02这款不带PWM输出,但产品中需要用到PWM,如果选用带PWM的其他型号,成本会上去,为此采用定时器的方式模拟PWM的发生。P1.6和P1.7是模拟的PWM输出口,分别控制电动机和电热丝。键盘按钮一共有4个,分别接到P3.3、P3.4、P3.5和INT。定位器的输入信号接到P3.1,红外接收头Header3的输出接到P3.2,这是外部中断0的输入端。程序通过外部中断来读取红外信号,进而解码出命令。按照以上思路设计的CPU控制板见图2-10。

以上有些简单的地方这里还是要重复几句:

(1)键盘按钮接了10kΩ的电阻到VCC,当没有按下时,对应的I/O是高电平,当按下后便是低电平,程序可以知道按钮的状态。

(2)LED必须接限流电阻,否则会烧毁。

(3)蜂鸣器不要接限流电阻,因为其设计就可以直接接5V电源。有两种蜂鸣器,一种是直流、一种是交流,外观看不出来,因此采购时要注意,如果买错了是无法工作的。

(4)红外输出引脚接了上拉电阻,因为本设计采用的是一体化的集成红外接收器,内部是开漏接法(所谓开漏接法如图2-11所示),只有低电平,无法产生高电平,因此要外加上拉电阻,否则CPU的输入没有电平变化,红外也就无法工作了。

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图2-11 开漏接法

(5)P7的第一个引脚是定位器的输入,接了一个0.1μF的电容,主要用于防止开关电源和电动机的PWM干扰导致CPU误动作。大电流PWM的尖峰干扰加载到25cm长的电线上很容易产生误动作的电压,电容可吸收尖峰干扰。控制面板的5V电源是通过P7引入的,P7连接到电源板上。

控制面板的原理图比较简单。本产品的难度主要在电源板,将在后面介绍。 1jUb8gFYm/e/DCnJK+DhmBa0D/6Py4/i9Hkcy4k5FT42Q34g8QL5WYuqGTCD28WP

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