本周流程

学习 Neil 的输入板 → 决定输入类型 → 设计原理图/电路板 → 铣削电路板 → 焊接元件 → 调试 → 编辑并发布网站

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使用的工具

• 焊台
• 淘宝 CNC
• 测试设备：数字万用表、示波器、稳压电源

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使用的软件

• Autodesk Eagle
• 用于 Autodesk Eagle 的 PCB-Gcode ULP
• Auto Leveller
• Fab Modules
• Gimp

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文件

1. 文件（Eagle）
2. 文件（G-code）
3. 文件（代码）

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小组作业

查看小组作业页面了解更多详情。

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个人项目

本周我专注于测试热敏电阻，这对我的孵化器项目来说必不可少，用来测量和控制温度。

我选择的热敏电阻是 B57560G0104。根据数据手册，它在 25 摄氏度时电阻为 100K。

热敏电阻的阻值随温度升高而下降。由于芯片的 ADC 引脚读取的是电压而不是电阻，所以需要分压电路来推算它的阻值。

我把热敏电阻与一个电阻串联后接到 VCC。热敏电阻的一端接地，另一端接在串联电路里。

我的电路板和温度传感器的展示照

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参考资料

就像我在第 6 周做的那样，我先回顾了 Neil 的电路板。我重新设计的是可见光输入板。

Neil 教授的温度板

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用 Arduino 做实验

这个实验的目的是理解和测试热敏电阻与代码。虽然能工作，但温度读数不太准确。没有精确的校准仪器，我就烧开水，确保温度大约在 100 摄氏度。

用烙铁烧水。热敏电阻浸在液体里。

热敏电阻和温度探头放在一起的细节。

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用 USBasp 给 ATtiny 编程

ATtiny45 上的 USBasp 编程器

下面的视频展示了编程过程。

YouTube 上的高清视频

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用我设计的电路板做实验

我的电路板和温度传感器的展示照

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设计电路板（PCB）

ATtiny45 数据手册（点击这里）

因为我通常用 Arduino IDE 编程，所以不仅要有数据手册，还要有一张把引脚从一个编程平台对应到另一个平台的图，这很有用。

快速看一眼就能发现，Arduino 有 4 个模拟引脚。它们都有模数转换器（ADC0、ADC1、ADC2、ADC3），所以也可以和引脚 1、0、2 一起当作数字引脚使用。

这次作业我需要 1 个模拟引脚和 2 个数字引脚。模拟引脚用来接热敏电阻，数字引脚用于串口通信。

板上会有一个 ISP 编程器排针，两侧各有 2 个排针，方便按需使用和测试所有引脚，还会有一个 LED，用来显示已经通电。

Autodesk Eagle 是我的首选工具，但我会用 pcb-gcode 插件生成 G-code。

电阻计算

为了计算电阻值，我查看了下面的数据手册，以下是我做的计算和观察：

蓝色 LED

数据手册摘录

电阻计算

下面是我设计的原理图：

ATtiny45 电路板的原理图

带 ATtiny45 的输入设备板

热敏电阻板

在我的热敏电阻板上，我用了：

1. Vishay Dale NTHS1206N01N1003KE NTC 100KOHM 3964K 1206，数据手册在这里。
2. 一个 100k 电阻作为下拉电阻

NTC 热敏电阻的阻值随温度升高而下降，反之亦然。为了计算阻值，用一个已知电阻来测量电压降。ATtiny45 不直接测量电阻，所以程序里用的公式是：RT = ((VCC*R-R*VRT)/VRT)

热敏电阻板原理图

热敏电阻板设计

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ATtiny45 的代码

这次作业我用了三组代码：

1. 软件串口的参考资料：来源 1 来源 2

   因为 ATtiny 不能用普通的硬件串口，所以我加入了一个库来实现这个功能：

   #include "SoftwareSerial.h"
   SoftwareSerial Monitor(1, 0);
   
   void setup() 
   {
       Monitor.begin(9600);
       pinMode(0, OUTPUT);
       pinMode(1, INPUT);
   }
               

   打印要用另一种方式：

   Monitor.println(whatever you want to print here);
               

2. 用 Arduino 读取温度

   Arduino 实验中使用的代码来自 Arduino Project Hub：How Easy Is It to Use a Thermistor?!，作者 Marcazzan_M：

   //Thermometer with thermistor
   
   /*thermistor parameters:
    * RT0: 10 000 Ω
    * B: 3977 K +- 0.75%
    * T0:  25 C
    * +- 5%
    */
   
   //These values are in the datasheet
   #define RT0 10000   // Ω
   #define B 3977      // K
   //--------------------------------------
   
   #define VCC 5    //Supply voltage
   #define R 10000  //R=10KΩ
   
   //Variables
   float RT, VR, ln, TX, T0, VRT;
   
   void setup() {
     Serial.begin(9600);
     T0 = 25 + 273.15;                 //Temperature T0 from datasheet, conversion from Celsius to kelvin
   }
   
   void loop() {
     VRT = analogRead(A0);              //Acquisition analog value of VRT
     VRT = (5.00 / 1023.00) * VRT;      //Conversion to voltage
     VR = VCC - VRT;
     RT = VRT / (VR / R);               //Resistance of RT
   
     ln = log(RT / RT0);
     TX = (1 / ((ln / B) + (1 / T0))); //Temperature from thermistor
   
     TX = TX - 273.15;                 //Conversion to Celsius
   
     Serial.print("Temperature:");
     Serial.print("\t");
     Serial.print(TX);
     Serial.print("C\t\t");
     Serial.print(TX + 273.15);        //Conversion to Kelvin
     Serial.print("K\t\t");
     Serial.print((TX * 1.8) + 32);    //Conversion to Fahrenheit
     Serial.println("F");
     delay(500);
   }
               

3. 我的代码版本把软件串口和 Marcazzan 的部分代码合在一起，因为 ATtiny 无法同时编译软件串口和对数计算。编译后代码必须限制在 4k 以内。

   代码在这里

   #include "SoftwareSerial.h"
   #define VCC 5    //Supply voltage
   #define R 100000  //R=100KΩ
   
   float RT,VRT,VR;
   
   SoftwareSerial Monitor(1, 0);
   
   void setup() {
       Monitor.begin(9600);
       pinMode(0, OUTPUT);
       pinMode(1, INPUT);
   }
   
   void loop() {
       VRT = analogRead(3);              //Acquisition analog value of VRT
       VRT = (5.00 / 1023.00) * VRT;      //Conversion to voltage
       VR = VCC - VRT;
       RT = ((VCC*R-R*VRT)/VRT);               //Resistance of RT
   
       // Monitor.println("Voltage Read:");
       // Monitor.print(VRT,10);
       // Monitor.println("Voltage drop:");
       // Monitor.print(VR,10);
       Monitor.print("Resistance:");
       Monitor.println(RT);
      
       delay(1000);
   }
               

   原来用来求阻值的公式对我不适用，因为在我的板上热敏电阻和电阻的位置是互换的：热敏电阻接 VCC，100k 电阻接地。我把公式改成了：

   RT = ((VCC*R-R*VRT)/VRT);               //Resistance of RT
               

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设计和制作 PCB

改进了工作流程后，我把它更新为使用 PCB-Gcode ULP 和 Autoleveller 软件。

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在 Autodesk Eagle 中设计

原理图准备好后，按以下步骤操作：

1. 点击 SCH/BRD 打开对话框。
2. 在对话框里点击 yes，把元件放到电路板区域旁边。

元件会放在代表电路板的正方形旁边；电路板稍后会调整尺寸。

输入“move”并按回车，然后点击每个元件，把它拖到电路板里面。

这里我开始把 ATtiny45 拖进电路板的边界内。逐个点击元件时不需要再次输入“move”，除非按了“esc”或用了别的命令。

所有元件都拖好了，上边界也用“move”命令拖动并调整了尺寸。移动元件的另一种方法是输入“info”，然后用左键点击元件，这样可以直接输入元件的坐标，而不用拖动。

“rotate”命令可以把元件转到便于高效布线的理想方向。黄线表示原理图中创建的连接。

这里我用“polygon”命令创建一个轮廓。轮廓闭合时会弹出一个对话框。

多边形画完后，对话框会打开。输入“GND”会把多边形连到地。

输入“ratsnest”或点击它的图标，会用接地层填满整个电路板区域。现在，输入“autoroute”或使用“route”命令，就可以连接各个元件。

在给元件布线之前，进入 edit → design rules 设置各元素之间的间距。

在“sizes”选项卡中设置走线的最小宽度。根据我的经验，0.2mm 效果很好。

“clearance”选项卡设置 PCB 各元素之间的距离。我现在所有信号都用 0.3mm。

所有设计规则设好后，输入“autorouter”或点击它的图标，就会开始连接各个元件。

一个重要的设置是点击名为“bottom”的框，如果你不想要双面板就选择 N/A。然后按下去就会开始处理。

然后选择其中一个选项，点击“evaluate”或“end job”返回电路板布局。

我用黄色圈出了电路板的底层，它是蓝色的。我不想要这个，所以下一步会重做电路板。

这里可以看到“ratsnest”命令的效果。这个命令会用接地层填满所有没有被过孔占用的空间。

因为我希望自动布线器重新做一遍，所以我输入了“ripup”并全选，这样所有布线都被撤销。

然后重新做自动布线。

这里布线完成了，但还没应用“ratsnest”。

这里已经应用了“ratsnest”。

这一步我挪动元件，把电路板缩小了一点。这是用“move”命令完成的。如果你想移动多个元件，先选中它们并输入“group”，然后输入“move”，再用右键点击它们来移动整组。

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ratsnest 的两难

下面可以看到一块有“ratsnest”和一块没有“ratsnest”的板。

第一块板应用了“ratsnest”，看起来会乱一些。一个优点是散热：更大的铜面积有助于电路板冷却，也能提高导电性，尤其是在双面板上，一面可以是地，另一面是 VCC，几乎整个表面都能用于传输电能。第二块板看起来更干净。

现在我喜欢做没有“ratsnest”的板，因为手工焊接可能不精确，短路很容易发生，而“ratsnest”会增加这种风险。

在“milling”层画出的粗浅蓝色轮廓会被 pcb-gcode ULP 用来生成 G-code 铣削轮廓。软件用它来创建边界，这个切割可以用来把电路板从覆铜板上分离下来。多边形的厚度决定铣刀尺寸。

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电路板物料清单（BOM）

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PCB-Gcode

前一段时间，我开始使用一个叫 PCB-Gcode 的 User Language Program（ULP）。它是一个很棒的程序，有很多设置，我一部分通过阅读文档、一部分通过反复尝试才弄明白。

下面展示我如何设置它，以便顺利生成 G-code。

1. 点击 file
2. 然后点击 Run ULP
3. 接着点击 pcb-gcode-setup

我自定义的设置是：

1. 我选择只生成顶层轮廓和顶层钻孔：第一个是生成把电路板从板材上切下来的 G-code；第二个是电路板可能有的孔。铣刀或钻头的直径在 machine 选项卡中选择。
2. 这里可以设置电路板厚度。我的板子用 1.72mm 的切割就能很好地分离，在“num Slices”里我选了 6，也就是分 6 次切下电路板。
3. 定位钻孔是在蚀刻过孔和电路板设计的所有特征时留下的浅标记。它们用来对准钻孔用的钻头，防止钻头在板上滑动。我选的是 0.055mm，和蚀刻用的深度一样。
4. 隔离是最重要的设置之一。如果最大值设得太高，这个设置可能会让电脑变得很慢。对我有效的是：最小 0.0254mm（默认）；最大 1.5mm；步进 0.05mm。最后一项和最大值一起，能保证走 30 遍，确保走线之间没有残留铜，并且充分隔离，降低短路风险。这些数字可能有点夸张，但效果非常好，我做出来的板子很漂亮。以后我可能会减小最大值或增大步进。

在 Machine 选项卡中选择切深、单位、进给速度和刀具直径等设置。

1. Z high 设为 12.7（默认），这个设置应该给可能挡路的夹具留出间隙；Z up 是机器从一个位置移动到另一个位置时离开电路板的高度；Z down 是切割深度。这个数值对我来说很重要，因为我用的是 10 度 V 型刀。如果切得太深，就会切得比应该的更多；如果太浅，就会切得不够。当然，10 度不算太陡，比更陡的蚀刻刀更能容忍深度误差；钻孔深度是通孔的深度，通常应该比空白 PCB 的厚度稍大一点，以补偿瑕疵；Drill dwell 是每个孔之间的停顿，它让钻头冷却，我保持默认值。
2. 这里我把单位设为 mm
3. 我所有的蚀刻进给速度都是默认值
4. 我用的刀具直径是 0.1 mm

G-code style 选项卡用来选择后处理器。我用的是 Mach3。

这是 ULP 生成的 G-code 可视化。可以用方向键在图像中移动，也可以用加号和减号。

会生成四个文件：

1. *.bot.mill.gcode：是底层铣削（轮廓），我不用这个文件。
2. *.top.drill.gcode：是钻孔的 G-code
3. *.top.mill.gcode：是顶层轮廓的文件，这些文件可以用来把 PCB 分离下来。
4. 最后，*.top.etch.gcode 是 PCB 蚀刻的 G-code，包含所有设计好的特征。

下面是热敏电阻板隔离路径的可视化。

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Autoleveller

Autoleveller 是一款很棒的软件。它先探测空白 PCB，然后用生成的文件调整 G-code 的切割深度，确保铣床能跟随空白 PCB 的起伏。我通过运行可执行文件启动 Autoleveller；在 Linux 上不需要安装。接着点击 File，再点击 Original GCode File（OGF）：这样就可以在程序里加载原始 G-code。

点击原始 G-code。

点击 yes，让设置基于已加载的文件。

接着点击窗口右下角的 Generate PFG。这会生成一个包含一系列指令的 G-code。它会：-先探测 Z 0；-再探测电路板区域内的多个点；-然后询问保存原始文件的位置，之后会用这个文件生成自动调平的 G-code。

这里正在保存 PFG 文件。然后把这个 G-code 加载到 CNC，并按照 G-code 区域的说明操作。

现在该把空白 PCB 固定到 CNC 工作台上了。我不再使用双面胶，因为它不如夹具有效，而且之后还得清理残留的胶带。

我在 CNC 上事先铣了一个凹槽，让电路板有固定位置，这有助于固定空白板。

在 CNC 上加载 PFG 后，按照屏幕上的说明连接探针。

这里我把探针接到电路板表面，把鳄鱼夹接到铣刀上。

这个视频展示了探测过程。

探测完成后，保存原始文件，拿到 Autoleveller 里加载。

把探测得到的原始文件重新加载到 Autoleveller。

最后，点击屏幕右下角的 Autolevel 保存调整后的 G-code。保存文件，拿到 CNC 上开始铣削。

加工视频

蚀刻（铣削）过程的慢动作视频。

最终结果在这里。有时我会用 1000 目砂纸让它表面更好。

现在我来展示电路板边缘的切割。

铣削电路板边缘

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结果

焊接前的热敏电阻板。

焊接并用异丙醇清洁后的热敏电阻板。

ATtiny45 板和热敏电阻板，已经可以工作了。

脚注

avrdude -Cavrdude.conf -v -pattiny45 -cusbasp -Pusb -e -Uefuse:w:0xff:m -Uhfuse:w:0xdf:m -Ulfuse:w:0xe2:m

串口监视器：YouTube 视频

ATtiny 风扇控制器项目：Robot Room

用 Arduino 和 NTC 热敏电阻读取温度：Circuit Digest

配置 Arduino 022：High-Low Tech

回流焊炉项目：Pleasant Software

上拉电阻（RES SMD 10K OHM 1% 1/4W 1206），从 RST 到 VCC

去耦电容（CAP CER 1UF 50V X7R 1206），从 VCC 到 GND，用于降低噪声

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相关：电子设计、输出设备、网络与通信、成型与铸造