武汉理工通信Protel课程设计报告书

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1、. . 课程设计任务书学生XX： 专业_指导 刘新华 工作单位：信息工程学院题 目: Protel应用课程设计51单片机外围电路设计初始条件：1可选元件：二极管、三极管、电阻、电位器、电容若干；51单片机、+5V直流电源2可用仪器：示波器,万用表3仿真软件：Protel DXP 2004要求完成的主要任务:1使用protel制作51单片机外围电路的电路原理图2使用protel制作51单片机外围电路的PCB图3使用protel进行电路仿真设计时间安排：1第1-3周：选题及任务安排。2第4-10周：方案选择及设计。3第11-16周：仿真及PCB制作鉴主13楼计算机实验室。4第17-18周：撰写报告

2、及答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任或责任教师签名： 年 月日16 / 21目录摘要IABSTRACTII1.设计任务与要求11.1设计任务11.2设计要求11.3各模块实现方案11.3.1 数码管选择11.3.2温度测量模块的选择11.3.3串口通信模块的选择21.3.4系统总体设计框图22系统硬件设计与参数计算32.1 单片机最小系统32.2 矩阵键盘42.3 数码管显示电路设计52.4 串口通信电路设计52.5 DS18B20模块电路设计63 电路原理图绘制73.1 DXP绘制电路原理图73.2 DXP绘制PCB图103.2.1 加载网络表103.2.2 PCB板的排版113.2.3

3、 PCB板的布线124系统电路仿真134.1 数据输入和双机通信仿真134.2 温度检测模块仿真135心得体会14参考文献14附录15摘 要51单片机是目前应用最广泛的8位单片机之一,其代表型号是ATMEL公司的AT89系列,它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出,在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机,还是应用最广泛的一种。因此,作为新世纪的大学生,在信息产业高速发展的今天,掌握单片机的基本结构、原理和使用是非常重要的。本作品采用STC89C52芯片作为单片机主芯片,具有矩阵键盘、温度计、串口通信等功能模块,各功能模块之间

4、可有按键控制相互切换。数据输入可通过矩阵键盘依次输入数据显示于数码管；串口通信模块可实现双机通信；温度计可实时显示当前环境温度。Protel DXP 2004将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道技术、自动布线技术以及强大的电路仿真的技术完美的融合在一起。Protel DXP提供了丰富的元件库,包括原理图符号。PCB封装、SI模型及仿真模型,可以方便地进行同步修改。这次课程设计主要要求掌握原理电路图设计、PCB设计和仿真。关键字：STC89C52,数据输入,温度,Protel DXP,PCB设计工具,原理图设计Abstract51 SCM is currently the mo

5、st widely used one of the 8-bit microcontroller, and its representative model is the ATMEL AT89 series, it is widely used in industrial control systems. At present, many companies have 51 series compatible launch, will occupy a lot of the market at present and the future for a long period of time. 5

6、1 SCM is one of the fundamentals of SCM is still the most widely used one. Therefore, as the college students of the new century, the rapid development of information industry, to grasp the basic structure, principles and use of the microcontroller is very important.This work is STC89C52 chip as the

7、 main microcontroller chip, matrix keyboard, double-machine communications ,thermometer, function modules, between the button control for switching between the various functional modules. Data input through the keyboard matrix of input data is displayed on the digital tube; serial communication modu

8、le can achievedouble-machine communications thermometer can be real-time display of the current ambient temperature.Protel DXP 2004 combine Project management, the PCB and schematic map of the two-way synchronization technology, multi-channel technology, automatic routing technology and a strong cir

9、cuit simulation technology together perfectly. Protel DXP provides a rich library, including the principle of symbols. PCB package, SI model and simulation model can easily synchronize edits. The main demands of the curriculum design master principle circuit design, PCB design and simulation.KeyWord

10、s:STC89C52 ,Data inputThermometer ,Protel DXP,PCB design tools,schematic design1.设计任务与要求1.1设计任务1.一个4X4的矩阵键盘,其中,10个按键是09数字键；另外6个是功能键,用于功能选择和控制。要求通过功能选择键,使得单片机处于不同的工作状态并通过LED显示相应的内容。2.由6个7段LED数码管组成的显示电路。3.利用DS18B20可编程1-Wire数字温度传感器芯片,或利用AD590温度传感器芯片和A/D转换器芯片采集温度温度信号。要求通过功能选择键选择温度检测、显示后,LED显示温度值。1.2设计要求

11、1. 使用Protel制作该51单片机外围电路的电路原理图2. 使用Protel制作该51单片机外围电路的PCB图3使用Protel对该51单片机外围电路进行仿真1.3各模块实现方案1.3.1 数码管选择本作品选用共阴数码管作为数码管显示的载体,51单片机I/O口不需要提供电流,可用两片74HC573来驱动数码管显示。由于市面上购买不到6位数码管,所以六位数码管由一个四位数码管和一个二位数码管组合使用。1.3.2温度测量模块的选择本作品选用DS18B20可编程1-Wire数字温度传感器芯片,集成度高,单总线模式与相比系统电路相对简单。1.3.3串口通信模块的选择本作品选用MAX232电平转换芯

12、片与9针串口插座构成串口通信模块。1.3.4系统总体设计框图图1.1 系统框图本作品采用STC89C52芯片作为单片机主芯片,具有矩阵键盘、温度计、数据输入、串口通信等功能模块,各功能模块之间可有按键控制相互切换。六位数码管显示模块经由按键控制,在数据输入和温度计示数显示功能之间切换。2系统硬件设计与参数计算2.1 单片机最小系统图2.1 单片机最小系统 单片机最小系统由STC89C52、复位电路、晶振组成,P0口接上拉电阻10K排阻。2.2矩阵键盘图2.2 矩阵键盘电路图本作品矩阵键盘采用44矩阵键盘设计,由四行四列16个按键组成。矩阵键盘的工作原理是：从0行开始,顺序行扫描,即该行输出为0

13、。每扫描一行,读入列线数据,从0开始,列检查,找该行输出为0的列,若无,则顺序扫描下一行,并检查其各列；若找到某列线为0,则该列与检查行交叉的按键为被按下的键。从0行0列开始,顺序将按键编号,就可以按扫描的值得到按键的值。本设计使用的是4个独立按键,其功能设置为时间的显示、时间的设置、温度的显示和数字频率的显示。此外还要消除按键在闭合或断开时的抖动。消除抖动的方法可采用消抖电路RS触发器闩锁电路硬件消除抖动,也克采用延时方式软件消除抖动延时后再重读,以跳过抖动期。在矩阵键盘中,通常采用软件消除抖动。2.3 数码管显示电路设计图2.3 数码管显示电路图根据设计需要,本次选用共阴极数码管。由于一个

14、数码管不能实现多位数显示,同时从节省I/O端口考虑,结合数电知识,利用两片74HC573扩展单片机的IO口,两片74HC573的输出分别接6位7段共阴数码管的段选端和公共端。74HC573是8数据锁存器。主要用于数码管、按键等等的控制,其输出受输出允许端OE和锁存允许端LE的控制,当LE为高时锁存器输出为高阻态,当OE为低,LE也为低时,输入端的信号输出到输出端。在这里,使用两片74HC573的目的是为了扩展IO,达到时分复用单片机P0口的目的。输出端与6位7段阴数码管相连,共同组成数码管显示电路。2.4 串口通信电路设计图2.4 串口通信电路串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议不要与通用

15、串行总线Universal Serial Bus或者USB混淆。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时,串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。串口通信的概念非常简单,串口按位bit发送和接收字节。尽管比按字节byte的并行通信慢,但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时,规定设备线总常不得超过20米,并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言,长度可达1200米。典型地,串口用于ASCII码字符的传输

16、。通信使用3根线完成：1地线,2发送,3接收。由于串口通信是异步的,端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手,但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。 MAX232是电平转换芯片。1970年,美国电气学会规定RS232串口通信协议。规定逻辑1,-5 -15V；逻辑0,+5 +15V 。噪声容限为2V。要实现利用串口与单片机进行通信,就要进行电平转换,把标准转化成单片机可以识别的。MAX220MAX249都是电平转换芯片,在单片机最小系统中,使用MAX232。2.5 DS18B20模块电路设计图2.5 DS18B20温度测量模块电路DAL

17、LAS最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的一线器件体积更小、适用电压更宽、更经济 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 一线总线接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20、 DS1822 一线总线数字化温度传感器 同DS1820一样,DS18B20也 支持一线总线接口,测量温度范围为 -55C+125C,在-10+85C范围内,精度为0.5C。DS1822的精度较差为 2C 。现场温度直接以一线总线的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量,如：

18、环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同,新的产品支持3V5.5V的电压范围,使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜,体积更小。 DS18B20、 DS1822 的特性 DS18B20可以程序设定912位的分辨率,精度为0.5C。可选更小的封装方式,更宽的电压适用范围。分辨率设定,及用户设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！ DS1822与 DS18B20软件兼容,是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM,精度降低为2C,适用于对性能要求不高,成本

19、控制严格的应用,是经济型产品。 继一线总线的早期产品后,DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择,让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。3 电路原理图绘制3.1 DXP绘制电路原理图进入Protel DXP 2004后,依次点击工具栏上的File/New/PCB Project,新建一个后缀名为prjPCB的工程文件。图3.1 新建prjPCB工程文件接下来在刚建立的prjPCB的工程文件下点击File/New/Schematic新建一个后缀名为SchDoc的原理图,建立原理图与工程的关联。图3.2 新建原理图在绘制原理图时,Pro

20、tel DXP 2004在工具栏上提供了常用元件的快捷方式,例如电阻、电解电容、瓷片电容以及常用的与、或、非等组合逻辑门,使用起来很方便。如果要使用其他元件则可以使用Place/Part命令打开元件选择窗口。若使用的是比较基本的元件可以在Protel DXP 2004默认提供的元件库Miscellaneous Devices.lntLib中直接浏览。Protel DXP 2004将元件的原理图符号,元件描述、封装号以及SI仿真模型都集中在一起显示,使用起来很方便,也在一定程度上避免了Protel 99 SE中不知道元件封装号的问题。如果需要修改,可以在Model Name框中自行修改。图3.3

21、 添加元件如果是寻找不那么常用的元件可以在元件库管理器中选择Libraries/Search/Search Libraries命令,再输入元件名称查找。根据电路要求可以在DXP中加载相应的元件库,DXP中带有非常丰富的元件库,并且按照芯片的生产公司的名称分开放置,便于查找。如果没有相应的元件,还可以通过PCB库文件编辑器来自己编辑。图3.4 加载元件库在依照电路安放好所有元件之后再开始连线。点击工具栏上的place wire图标进行连线操作,将各元件的引脚连接起来。在连线时需要注意导线交叉时是否导通的问题。如图3.5所示,第一条水平导线与竖直导线导通,但在绘图时经常忽略这一点,处理成第二条水平

22、线。所以在画图时应该在连接处用Place菜单下的ManualJunction工具添加一个电气结点。图3.5 连线时的结点处理完成所有连线之后,选择File/New/TextDocument命令,开启一个数据库文本；再选择Project/Project Options命令设置工程检查参数,在执行Project/Compile Document检查系统错误。如果提示错误则返回修改原理图,如果没有错误,则选择Design/Netlist For Document/Protel命令生成网络表。图3.6 51单片机外设模块电路原理图3.2 DXP绘制PCB图3.2.1 加载网络表生成网络表之后,就进入了

23、PCB板绘制的阶段。选择File/New/PCB生成一个后缀为PcbDoc的文件。PCB板分为很多层,主要有Top-Layer、Bottom-Layer、Mechanical、Top Overlay、Keep-Out-layer和Multi-Layer。按步骤设置PCB板的Mechanical物理边界以及Keep-Out Layer电气边界。先执行Design/Board Sharp/Redefine Board Sharp命令,此时光变变成十字形。然后在Mechanical层面上划定PCB板的物理边界,最后在禁止布线层Keep-Out Layer上面划定电器边界。在正确设置完成PCB板之后,

24、在PcbDoc文件下选择Design/Import Changes From命令加载网络表或者在SchDoc文件下选择Design/Update PCB Document命令,屏幕上显示详细的网络连接信息。点击Validate Changes按钮可以检查装入的元件封装、电器规则以及元件的网络连接是否正确,如果正确,屏幕上将显示绿色打勾标记。再点击Execute Changes按钮完成元件网络表的加载。图3.7 加载网络表3.2.2 PCB板的排版 网络表加载完成之后,PCB根据网络表产生预拉线,在屏幕上会出现排列整齐的所有元件以及设置过的PCB板,然后PCB根据预拉线一条一条变为铜膜走线。选定

25、所有的元件拖至PCB板上,然后开始根据符合电气规则和走线最简易化安排元器件的摆放。如下图所示。图3.8 PCB手动排版3.2.3 PCB板的布线在元件排版完毕之后,就可以进入到最后的布线阶段。本次课设采用了全手动布线方式,在之前合理的手动布局的基础上,走线会变得更加容易。尽可能加大电源与地平面的面积,使每个层的走线顺畅,且保证顶层与地层走线相交叉,使干扰减到最小。图3.9手动布线后的PCB板4系统电路仿真Proteus软件是英国Labcenter Electronics公司出版的EDA工具软件该软件中国总代理为XX风标电子技术XX。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器

26、件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步,但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具,从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,20XX又增加了Cortex和DSP系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。在编

27、译方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。4.1 数据输入和双机通信仿真图4.1数据输入仿真图4.2温度检测模块仿真图4.2温度计仿真图如图所示,DS18B20此时的温度为38,采集测量的温度为38。5心得体会Protel课程设计终于顺利完成了,其中包含着快乐,也有辛酸。本次课程设计有较强的综合性,不仅要求设计者能灵活使用单片机的各种指令,熟练使用单片计计数器余定时器,熟练编写结构程序,还要求对电路的原理图绘制及其PCB图的绘制达到熟练掌握。通过不断努力,终于把课程设计要求内容的思路和模型定了下来并开始做Proteus。通过一番整理和修改后,仿真成功后准备使用Altium De

28、signer对硬件电路进行布局进行PCB制板,并且焊接电路板。 在完成课程设计后,我发现自身还有许多不足,所学到的知识还远远不够,以至于还有一些功能不能被完成。但通过学习这一次实践,增强了我的动手能力,提高和巩固了Protel使用的能力。从中让我认识到把理论应用到实践中去是多么重要。参考文献1 Protel DXP基础教程 毛潮土、王茂飞 清华大学 20052 Protel 2004完全学习手册 刘文涛 电子工业 20053 Protel DXP中文版新手上路 徐建平 XX科学普及 20064 高频电子线路第四版 张素文 高等教育 20045 通信电子线路第二版 刘泉 XX理工大学 2005附

29、录表7-1 元件清单元件名称具体型号封装号数量电容100nF08052104080551电阻1K0805110K08051四脚微动开关SW-PBSW116发光二极管LED0SIP21排针、排母短脚SIP2、SIP8、SIP10若干9针串口DB9DB9FL1温度传感器DS18B20TO92A1锁存器74HC573DIP202电平转换芯片MAX232DIP161两位共阴数码管/CC-21四位共阴数码管/CC-41原理图：PCB图：仿真电路图：附件6：本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级通信1001班课程设计题目：51单片机外设模块课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩以优、良、中、及格、不及格评定指导教师 签字：年 月 日