恒温产品电路板开发标准二

五、硬件设计规范

（一）电路原理图设计

1. 主控芯片选型

根据产品的功能复杂程度和性能要求选择合适的主控芯片。对于简单的恒温产品，可选择低成本的微控制器（如 8 位或 16 位单片机）；对于功能复杂、需要进行复杂运算和多任务处理的产品，选择高性能的 32 位微控制器或数字信号处理器（DSP）。

主控芯片应具备足够的 I/O 引脚用于连接温度传感器、控制加热或制冷设备、驱动显示设备等。同时，考虑芯片的工作温度范围、功耗、抗干扰能力等因素，优先选择工业级或汽车级芯片用于要求较高的环境。

2. 温度传感器电路设计

选择合适的温度传感器，根据产品的精度要求和温度范围，可选择热敏电阻、热电偶、数字温度传感器（如 DS18B20）等。对于高精度要求的产品，通常采用精度更高的铂电阻温度传感器（RTD）。

设计温度传感器的接口电路，确保传感器能够准确地将温度信号转换为电信号并传输给主控芯片。例如，对于模拟温度传感器，需要设计信号放大和模数转换（ADC）电路；对于数字温度传感器，要确保其通信接口（如 I2C、SPI 等）与主控芯片兼容。

3. 加热和制冷控制电路设计

根据产品的加热或制冷方式（如电阻加热、热泵制冷等）设计相应的控制电路。对于加热电路，通常采用可控硅、固态继电器等功率器件来控制加热功率。设计时要考虑功率器件的额定电流、电压等参数，确保其能够承受加热设备的最大功率。

制冷控制电路要根据制冷设备（如压缩机、半导体制冷片）的控制要求进行设计。例如，对于压缩机的控制，需要设计启动、停止、调速等电路，并考虑压缩机的保护措施（如过流保护、高低压保护）。

4. 显示电路设计

选择合适的显示设备，如段式 LCD、字符型 LCD 或 LED 显示屏。设计显示电路，使其能够清晰地显示设定温度、实际温度、工作状态等信息。对于采用通信接口（如 SPI、I2C）的显示设备，要确保与主控芯片的通信正常。

考虑显示的亮度、对比度调节功能，以适应不同的环境光照条件。同时，为了降低功耗，可设计显示自动关闭或亮度自动调节功能，当产品处于待机状态或长时间无操作时，自动调整显示状态。

（二）电路板布局布线设计

1. 布局原则

将温度传感器、加热或制冷控制电路、主控芯片等关键电路模块按照信号流向和功能相关性进行合理布局。例如，将温度传感器放置在靠近被监测区域的位置，以准确获取温度信号；将加热或制冷控制电路靠近功率接口，减少线路损耗和电磁干扰。

考虑电路板的散热，对于发热量大的元件（如功率器件、变压器等），应放置在通风良好的位置或通过散热片进行散热。同时，避免发热元件对温度敏感元件（如温度传感器、高精度模拟电路）的影响。

2. 布线规则

电源线和地线应尽量加粗，以降低线路电阻，提高电源供应的稳定性。对于功率电路的布线，要根据电流大小计算合适的线宽，防止线路过热。

模拟信号线和数字信号线应分开布线，避免交叉和互相干扰。对于温度传感器等高精度模拟信号的布线，要尽量缩短信号线长度，减少信号衰减和干扰。对于高速数字信号（如通信接口信号、时钟信号），要进行阻抗匹配，避免信号反射和串扰。

六、软件设计规范

（一）软件架构设计

1. 分层架构

采用分层软件架构，包括硬件驱动层、控制算法层和应用层。硬件驱动层负责与电路板上的硬件设备（如温度传感器、加热或制冷设备、显示设备）进行通信和控制；控制算法层实现恒温控制算法，如 PID 控制算法、模糊控制算法等；应用层提供用户界面（如按键处理、菜单显示）和数据处理功能。

2. 实时性和可靠性设计

由于恒温控制需要实时监测和调整温度，软件应具备良好的实时性。采用实时操作系统（RTOS）或在非实时操作系统中采用实时任务调度机制，确保温度监测和控制任务能够及时响应。

构建软件的故障检测和恢复机制。例如，通过看门狗定时器检测软件是否跑飞，在出现故障时能够自动重启或进入安全模式。对温度数据进行校验和备份，防止数据丢失或错误导致温度失控。

（二）软件编程规范

1. 编程语言选择

根据主控芯片和开发环境，选择合适的编程语言。对于大多数微控制器，C 或 C++ 语言是常用的选择，因为它们可以高效地利用硬件资源并且具有较好的可移植性。

如果需要进行复杂的数学运算或图形界面开发，可能需要结合其他语言或库（如 Python、Qt 等），但要注意与底层硬件的交互和性能优化。

2. 代码规范和注释

遵循统一的代码编写规范，包括变量命名、函数命名、代码缩进、代码风格等方面。良好的代码规范有助于提高代码的可读性和可维护性。

添加足够的注释，对代码的功能、目的、关键算法和复杂逻辑进行解释。特别是对于恒温控制算法等核心代码部分，注释应详细说明其原理、参数设置和可能出现的问题。

七、设计验证和测试

（一）设计评审

1. 内部评审

在电路板设计的各个阶段（原理图设计完成、布局布线完成、软件设计完成等）进行内部评审。评审团队应包括硬件工程师、软件工程师、测试工程师、质量工程师等相关人员。

对设计文档（如原理图、PCB 布局布线图、软件代码等）进行详细审查，检查是否满足设计要求、是否符合设计规范、是否存在潜在的设计缺陷等。记录评审意见和问题点，要求设计人员进行整改。

2. 外部评审（如有必要）

对于复杂的恒温产品电路板或涉及安全关键功能的设计，可以邀请外部专家（如行业协会专家、认证机构工程师等）进行评审。外部评审可以提供不同的视角和专业建议，有助于提高设计质量。

（二）实验室测试

1. 功能测试

使用专业的测试设备（如温度校准仪、功率计等）对电路板的功能进行测试。检查恒温控制功能是否正常，设定温度和实际温度是否一致，温度控制精度是否满足要求。

测试温度监测功能，验证温度数据的准确性和显示的正确性。检查安全保护功能是否有效，当模拟温度过高或其他异常情况时，电路板是否能够正确地采取保护措施。

2. 性能测试

对温度控制精度和温度响应速度进行精确测试。通过改变设定温度，记录产品内部温度的变化曲线，计算控制精度和响应时间。同时，对电路板的功耗进行测试，在不同的工作状态（如加热、制冷、待机）下测量功耗，验证是否满足设计要求。

3. 环境适应性测试

进行温度循环测试，将电路板置于高低温交变的环境箱中，模拟产品在不同季节和不同工况下的温度变化，检查电路板在温度变化过程中的性能和功能是否正常。

进行湿度测试，验证电路板在高湿度环境下是否会出现短路、腐蚀等问题。同时，进行电磁兼容性（EMC）测试，按照相关标准检查电路板的电磁发射和抗干扰能力。

（三）现场测试（如有必要）

· 将电路板安装在实际的产品中，在产品的实际使用环境下进行测试。收集用户反馈，进一步验证电路板的功能、性能和可靠性。现场测试可以发现实验室测试中未暴露的问题，如与产品其他部件的兼容性问题、实际使用中的操作便利性问题等。

八、文档管理

1. 设计文档

· 应建立完整的设计文档，包括项目需求文档、电路原理图、PCB 布局布线图、元件清单、硬件设计说明（包括功能、性能、环境适应性等设计思路和技术参数）、软件代码（包括注释）、软件设计文档（包括软件架构、功能实现流程等）。

· 设计文档应详细、准确，能够完整地反映电路板的设计过程和设计成果。在设计过程中，及时更新文档，确保文档与实际设计一致。

2. 测试文档

· 记录各种测试过程和测试结果的测试文档。包括实验室测试报告（功能测试报告、性能测试报告、环境适应性测试报告等）、现场测试报告（如有）。

· 测试文档应明确测试方法、测试条件、测试设备、测试数据和测试结论。对于测试过程中发现的问题和缺陷，应详细记录其现象、原因分析和解决措施。